超高性能混凝土在橋梁附屬結構中的應用研究

張靜華

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430000）

1 工程概況

某大橋為浙江某城市主干道上跨京杭大運河的橋梁，橋位處京杭運河航道等級為Ⅳ級航道，港航部門確定航道尺度為雙線限制性航道。橋梁跨越京杭運河橋的主橋采用130 m中承式鋼箱拱橋一跨跨越京杭運河，橫向設4 片拱肋，橋面為縱橫梁體系，橋面板為正交異性板。橋面頂板利用的是U 形肋加筋，寬度為300 mm，高度280 mm，厚度8 mm，橫向間距600 mm。

2 裝配式UHPC 質量控制技術指標

2.1 拌和物性能指標

工程具體施工中，不僅UHPC（高延性能混凝土）拌和物的流動性會影響施工效果，而且UHPC 拌和物的黏性也會影響施工效果。在不同UHPC 之間進行了試驗，詳細對比結果表明：如果UHPC 的擴展度＜550 mm，那么拌和物相對比較黏稠，在后續成型時不能自密實，需要對其進行持續不斷的振搗；若UHPC 的擴展度為750～850 mm，代表拌和物的流動性較好；若擴展度＞850 mm，則表明拌和物較為稀松。如果使用UHPC 來連接裝配式節點，那么擴展度應保持在750～850 mm。對于外墻裝飾和裝配式預制構件來說，其使用的UHPC 的擴展度應超過650 mm。

2.2 力學性能指標

2.2.1 抗壓強度

在調查市場后發現，市場上UHPC 的抗壓強度最低為100 MPa，最高為160 MPa[1]。大部分處在120～150 MPa。裝飾類UHPC 使用的是合成纖維，在力學性能方面有所減弱，一般保持在100～120 MPa。從這一角度來說，裝配式結構類的UHPC 抗壓強度應超過120 MPa。實際上，120 MPa 的抗壓強度符合有關標準，強度過低會出現力學性能降低，強度過高會增加成本。裝配式用裝飾類UHPC 的抗壓強度宜超過100 MPa，并保證其可以使用各類型的纖維。

2.2.2 彈性模量

UHPC 的彈性模量為40～55 GPa。結構類UHPC 為45～55 GPa，裝飾類UHPC 為40～50 GPa。

2.2.3 抗彎強度

UHPC 的抗彎強度具有顯著差異，具體差異約15 MPa。結構類UHPC 的抗彎強度應＞14 MPa。裝飾類UHPC 通常會使用工程纖維，抗彎強度一般＜15 MPa，所以，建議抗彎強度＞10 MPa。

2.2.4 抗拉性能

UHPC 具有較高的抗拉性能，這也是其和高強水泥基材料具有較大區別的原因之一。抗拉性能包括抗拉強度、抗彎強度、彈性極限及抗拉應變指標。

3 UHPC 組合橋面鋪裝體系抗水滲性能試驗

UHPC 鋪裝層是一類結構層，不僅能提升鋼橋面板的受力情況，而且能提升鋪裝面層的受力情況，此外，還是不可多得的防水材料，從而避免水分對鋼橋面板的侵蝕。UHPC 具體標準：在實驗室對UHPC 進行測驗發現，在符合4 MPa 水壓的情況下，持荷8 h，試件表面不會出現任何滲水的情況。在對組合橋面體系進行施工時，多種因素會對其造成影響，如施工時所面臨的溫度、汽車超載等，這些都會使鋪裝層出現裂縫，減弱UHPC 的抗滲透能力。因此，必須研究處于裂縫形態下UHPC 抵抗高水壓力滲透能力。

3.1 試驗模型

UHPC 作為收縮性能比較低的混凝土材料，其抗壓強度達到120 MPa，抗彎強度達到20 MPa、抗滲等級達到P20。試驗模型選擇的是正交異性鋼橋面板，厚度12 mm，加筋肋骨為U 形閉口肋，板厚、高度、上口寬度、下口寬度、間距分別為6 mm、260 mm、300 mm、180 mm、300 mm；橫隔板厚度、間距分別為10 mm、3 m。鋪裝層采用UHPC，厚度約50 mm。

3.2 試驗原理

必須選用合適的機械加壓法試驗裝置。該裝置由3 部分構成：壓緊體系、水壓力密閉空間體系、水壓力系統。試驗中，施壓的密封缸體位于UHPC 鋪裝層之上，壓力會持續提高，這樣可以在UHPC 內部的脈沖狀態展開有效模擬。

3.3 試驗方法

在水壓試驗正式開始之前，要先對UL-1 梁展開靜力試驗，如果UHPC 表面形成了寬0.05 mm 的裂縫，試驗可以停止。靜置一段時間，再開展后續試驗：對已靜力加載的UL-1梁開展0.9 MPa 水壓下的抗水滲性能試驗。共設置3 個觀測點：橫隔板的上方、加載點的下方、邊橫隔板的上方。測點標號分別為1 號、2 號、3 號。對于沒有加載的UL-2 梁，進行2 MPa水壓下的抗水滲性能試驗，在橫隔板的上方設置1 個觀測點。測點標號為4 號。

UL-1 梁測試方法：將環氧樹脂膠黏劑涂抹在缸體與混凝土表面，等待環氧樹脂膠黏劑凝固之后，利用千斤頂把缸體壓緊于測點處混凝土表面，按照比例配制酚酞堿性溶液，配制完成后，利用小孔將其注入密閉的鋼筒內部。如果從輪壓的角度考慮，那么可以將其壓力升到0.9 MPa；如果從耐久性混凝土抗滲性能的角度考慮，那么可以將其壓力升到2 MPa。加壓后要不斷穩定，然后持荷8 h。其后工序為對滲水情況進行詳細觀察，不僅包括表面的滲水情況，還包括底部的滲水情況。

UL-2 梁測試方法：在千斤頂的作用下，不斷進行加壓，加壓要循序漸進地進行，而且要特別注意保持壓力加載時的對稱性，對變形情況、橫隔板上部的裂縫情況等進行全方位記錄。如果發現寬0.05 mm 的裂縫，必須立即停止加載，以裂縫為基準，開始加壓時，以0.1 MPa 為層級進行提升，直接加壓為2 MPa。其后再以0.2 MPa 為層級進行提升，壓力每增加1個層級，需要持荷8 h。要對混凝土滲水狀況進行詳細觀察，不僅包含混凝土的表面，而且還包含混凝土的底部。該道工序完成后，將千斤頂的壓力全部釋放出來，并對變形數據進行讀取。

3.4 試驗結果

1）1 號測點。在0.9 MPa 水壓下，測點四周的混凝土出現了滲水現象，測點側面也出現了滲水現象，在鋼板底部對孔內部的混凝土情況進行全面觀察,發現其濕潤。在2 MPa 水壓下，測點表面仍然出現了滲水現象，在鋼板底部對孔內部的混凝土情況進行全面觀察，發現其濕潤。

2）2 號測點。在0.9 MPa 水壓下，測點四周表面沒有出現滲水現象，側面裂縫的地方出現了滲水，在鋼板底部對孔內部的混凝土情況進行全面觀察，發現其略微濕潤。在2 MPa 水壓下，表面沒有出現滲水現象、側面也沒有出現滲水現象，在鋼板底部對孔內部的混凝土情況進行全面觀察，發現其比較干燥。

3）3 號測點。在0.9 MPa 水壓下，測點周邊表面與側面都沒有出現滲水的情況，在鋼板底部對孔內部的混凝土情況進行全面觀察，發現其略微濕潤。在2 MPa 水壓下，測點周邊表面與側面都沒有出現滲水的情況，在鋼板底部對孔內部的混凝土情況進行全面觀察，發現其比較干燥。

4）4 號測點。總體來說，隨著水壓的不斷提高，混凝土表面的滲水情況會不斷減少。如果水壓在0.1～0.5 MPa，孔內比較濕潤；如果水壓在0.5～2.0 MPa，孔內比較干燥。試驗結果顯示：UL-1 梁的裂縫比較多，同時寬度約0.05 mm。在0.9 MPa水壓下，其抗滲能力顯然比較微弱。在2 MPa 水壓下，抗滲能力達到標準。這說明了UHPC 組合橋面裂縫擁有良好的自修復能力。隨著水壓的提高，UL-2 梁裂縫會不斷閉合，裂縫全部閉合之后，能夠達到抗滲的標準，即使經過擾動，抗滲性能仍然非常強。

4 UHPC 橋面鋪裝工程應用

4.1 UHPC 鋪裝體系設計

大橋主航道橋橋面鋪裝采用UHPC 體系，從上到下分別為：碎石層（第1 層）、高黏高彈瀝青層（第2 層）、UHPC（第3 層）、UHPC＋環氧富鋅漆（第4 層）。其中，第1 層粒徑范圍在9.5～13.2 mm。第2 層厚度范圍在2～3 mm。第3 層厚度為60 mm。需要充分發揮焊接焊釘的作用，使用焊釘將UHPC 與鋼橋面進行有效連接，焊釘直徑為19 mm，長度約45 mm。同時還要設置鋼筋網，尺寸為100 mm×100 mm。UHPC 養護結束之后，要對其表面的灰塵進行清理，灑入高黏高彈瀝青和碎石，并將其作為防水層。

4.2 UHPC 鋪裝施工步驟

施工步驟：對鋼橋面拋丸除銹→涂裝→焊接焊釘→綁扎鋼筋網→澆筑UHPC→養護。

注意事項有5 點：（1）拋丸除銹時，壓縮空氣不能濕潤，而是恰恰相反，要干燥；（2）在焊釘材料方面，選擇了ML15AL，焊接設備方面則利用了電弧螺柱焊機；（3）在對鋼橋面進行涂裝時，利用了高壓無氣噴涂方式；（4）綁扎鋼筋網，間距為100 mm×100 mm；（5）在展開UHPC 施工時，不僅使用了攤鋪機，還使用了整平機與覆膜機。UHPC 養護結束后，要立即對其表面進行清理。UHPC 性能參數見表1。

表1 UHPC 性能參數

UHPC 采用地泵泵送的方式，泵送最大壓力在26 MPa，按照此壓力為基準進行試泵，豎向泵送高度在65 m。在攤鋪機中放入混凝土，再使用螺旋軸將混凝土輸送至另外一側，攤鋪機行進速度必須保持均勻，以確保混凝土能夠均勻地鋪入橋面。高頻整平振搗機緊隨攤鋪機進行振搗，若存在整平振搗機無法作業的地方，安排人工進行修平。整平結束后，需要在UHPC 表面進行噴霧，使混凝土保持濕潤狀態，但要禁止明水出現。此后再使用覆膜機覆蓋養生膜，同時進行灑水，養護7 d之后，可以去除薄膜。為避免混凝土出現開裂，選擇節水保濕養生膜最佳。由于這種養生膜內部包含樹脂，不僅在吸收方面表現良好，而且在放水方面表現突出，能保證混凝土處于濕潤狀態。橋梁施工結束后，利用該方式養護的混凝土通常不會發生開裂現象。

UHPC 施工時，溫度應控制在15～25 ℃。溫度會影響收縮度，溫度越高收縮度越大，溫度越低收縮度越低。覆蓋養護必須全面及時，否則會出現開裂的情況。

5 結語

綜上所述，本文得出以下2 個結論：

1）如果未出現裂縫，UHPC 組合橋面體系能夠符合抗滲性能標準，如果組合橋面的混凝土表面裂縫寬度已經達到0.05 mm，隨著水壓的不斷增加，滲水能力會持續降低。在0.1～0.5 MPa 的水壓范圍內，表面會呈現滲水現象，0.5 MPa 水壓以上，不論是UHPC 表面，還是UHPC 底部，孔都比較干燥，這也重現了裂縫的自修復能力。

2）UHPC 施工時，嚴格按照均勻攪拌→均勻布料→攤鋪→收光→噴霧狀水→覆蓋薄膜→覆蓋土工布→灑水養護的步驟進行。比較適合施工的溫度為15～25 ℃。從澆筑開始到覆蓋薄膜的全部過程中，UHPC 表面要保持比較濕潤的狀態，但是不能出現明水。澆筑結束后，必須盡快覆蓋薄膜，采取保濕養護，養護時間控制在7 d，從而避免因早期收縮等原因導致開裂問題。