超高性能混凝土在寧波機場路南延工程中的規模化應用研究

金增選

（寧波市城市基礎設施建設發展中心，浙江 寧波 315040）

1 概述

發展建筑工業化是推進綠色建造的有效方式。采用工廠化生產建筑構件，具有進度可控、質量可控、成本可控等優勢[1]。裝配化是橋梁工業化的主要特征，也是我國建設領域轉型升級與戰略產業發展方向[2]。裝配化橋梁的預制構件在工廠制作，運至現場起吊安裝就位后，通過接頭構造連接。濕接縫作為一種重要的連接形式，其性能對裝配化橋梁結構的安全性和耐久性至關重要。

超高性能混凝土（下文簡稱UHPC）是由水泥、礦物摻合料、骨料、纖維、外加劑和水等原材料制成的具有高強、高韌、高耐久性的纖維增強水泥基復合材料。UHPC 和鋼筋之間的握裹性好，粘結強度高，大幅減小鋼筋搭接連接的長度；同時具有良好的流動性，在免振搗的情況下能實現自密實，方便現場施工。以上優點，使得UHPC 在預制拼裝結構的現場濕接縫應用方面具有很好的發展前景。目前美國和加拿大UHPC 最主要的應用為快速橋梁施工（ABC），即用于裝配式橋梁預制構件的濕接縫連接[3]。湖南大學對普通混凝土預制板、UHPC 作為濕接縫的結構進行了有限元和試驗研究，表明在純彎段普通混凝土處首先開裂且最終在純彎段內普通混凝土處破壞[4]，湖南大學進一步對橋面板濕接縫進行了等高平口接縫和局部加高接縫的試驗研究[5]。

寧波機場路南延工程的橋梁為公鐵一體化雙層高架結構，全線標準段小箱梁和部分預制拼裝橋墩采用UHPC 作為濕接縫材料。該工程于2017 年開始施工，2019 年主體結構施工完成，在設計施工過程中，國內尚無關于UHPC 設計、施工技術標準和驗收標準。因此，作為UHPC 新技術在國內規模化應用的工程，重點開展了小箱梁濕接縫結構試驗、UHPC 施工和質量驗收標準等方面的應用研究，為UHPC 新技術的進一步應用和發展積累工程經驗。

2 工程概況

寧波機場快速路南延工程是寧波市中心城區快速路網的重要組成部分，機場快速路南延工程北起鄞州大道，南至奉化岳林東路，全長約18.8 km，線位見圖1。采用主線高架+地面道路的形式，其中11.8 km為機場快速路與城際鐵路一體化合建高架橋。主線高架和地面輔道均為雙向6 車道規模。單層高架斷面見圖2，共建段雙層高架斷面見圖3。

圖1 寧波機場路南延工程線位示意圖

圖2 單層高架斷面圖（單位：m）

圖3 2 共建段雙層高架斷面圖（單位：m）

機場快速路與軌道交通寧奉線共建，根據寧奉線的建設計劃，在開工后一年半內要完成土建主體結構施工，此外，現狀地面道路的車輛交通量大，以上兩方面的因素，均要求提高預制裝配率，并加快現場裝配施工速度。

快速路標準段上部結構采用簡支變連續小箱梁、跨路口等節點處采用鋼－混凝土組合梁，快速路層的上部結構100%采用預制裝配結構。其中小箱梁跨徑以30～35 m 為主，最大跨徑40 m。全線標準段小箱梁為采用UHPC 濕接縫，總長約10 km。

小箱梁橫向濕接縫采用超高性能混凝土，鋼筋免焊接，且濕接縫寬度小，大幅減少現場澆筑混凝土的數量，可有效提高施工速度。

3 UHPC 應用研究

3.1 UHPC 新技術應用的質量控制對策

在寧波機場路南延工程實施之前，UHPC 濕接縫已在部分工程中應用，包括上海S3 公路3 km 長的小箱梁濕接縫、上海嘉閔高架橋墩預制拼裝試驗段、上海南浦大橋匝道改建等。

在本工程設計施工過程中，UHPC 材料在國內處于應用推廣階段，各廠家的UHPC 產品性能有差異、施工質量參差不齊，國內尚無關于UHPC 設計、施工技術標準和驗收標準。針對以上情況，為保證工程質量，重點采取了以下應用對策：

（1）UHPC 材料配合比檢驗。

（2）濕接縫的結構試驗研究。

（3）研究制定UHPC 施工和質量驗收標準；加強施工過程的質量管理監督。

以上對策中，UHPC 的材料配合比檢驗，目的是嚴格篩選UHPC 性能指標符合要求的產品。對參加檢測的產品共進行了三輪檢測，其中三家產品的各項指標均符合要求。

本文重點介紹濕接縫的試驗研究、施工和質量驗收標準的相關內容。

3.2 UHPC 濕接縫連接技術及試驗研究

3.2.1 UHPC 濕接縫性能特點

UHPC 細小顆粒混合料的均勻性高，小直徑短纖維空間連接彌合微裂紋，因此，具有高強度，高致密的特點。與鋼筋之間的握裹能力強抗壓強度可達120～180 MPa，抗拉強度可達6～10 MPa。防腐性能和耐久性能好。

在預制結構現場安裝的濕接縫中采用UHPC時，其主要優點體現在以下幾個方面：

（1）采用普通混凝土施工工藝，無需蒸養，常規養護；

（2）流動性好，易于施工，可以免振搗；

（3）利用UHPC 優異的抗拉性能和握裹能力，減少鋼筋錨固長度（不小于5 d）；

（4）鋼筋定位難度遠低于焊接方式；

（5）鋼筋不焊接，取消常規大量現場鋼筋焊接，縮短工期，降低施工難度。

3.2.2 小箱梁UHPC 濕接縫構造

小箱梁鋼筋濕接縫寬250 mm，斷面見圖4。相鄰兩片梁的橫向預留鋼筋平面上交錯布置，直接與UHPC 錨固傳力，鋼筋不需要焊接連接。UHPC 濕接縫鋼筋斷面見圖5，鋼筋布置平面見圖6。

圖4 小箱梁UHPC 橫向濕接縫斷面圖（單位：cm）

圖5 UHPC 濕接縫鋼筋斷面圖（單位：cm）

圖6 UHPC 濕接縫鋼筋布置平面

3.2.3 橋面板UHPC 連接試驗

對各項指標符合要求的三種UHPC 產品（以下以分別以A1、A2、A3 作為三個產品代號），進一步進行濕接縫的構件模型試驗。按照工程實際的橋面板濕接縫尺寸，進行橋面板接縫的靜力試驗和工藝試驗，驗證橋面板UHPC 濕接縫的靜力受力性能；試驗接觸面不同處理工藝下，橋面板UHPC 濕接縫靜力受力性能，以指導現場施工。

（1）試驗模型

采用足尺構件，濕接縫設企口縫、V 型縫和直縫三種接縫形式，見圖7。縫寬230～280 mm，平均縫寬250 mm。各板件尺寸、配筋相同，區別僅在于接縫界面形式。接縫界面形式見圖7。

圖7 預制混凝土界面處理形式（單位：mm）

單側鋼筋Φ12@100，相鄰兩橋面板在濕接縫位置的鋼筋交錯布置，鋼筋間距@50 mm，不焊接。橋面板采用UHPC 連接，預制段為C50 混凝土，測試其抗彎承載力。

試件尺寸為1.45 m（長）×0.775 m（寬）×0.2 m（高）。

三種UHPC 材料分別進行三種接縫形式試驗，共計制作9 個試件。同時，試件濕接縫界面進行鑿毛和濕潤的對比，具體試件參數見表1。

表1 試件參數表

試件制作照片見圖8。

圖8 預制混凝土界面照片

（2）試驗加載

分級加載，每級20 kN，加載速率保持在1 min加到預定荷載，持荷5 min，確保裂縫及變形能夠充分開展，加載至40～80 kN，持荷觀察可能混凝土裂縫發展情況。

開裂后改變加載速率進行加載，每級荷載30 kN。

（3）試驗結果

圖9 試驗最終破壞現場照片

以試件B-1 為例，說明試驗破壞過程情況。在100 kN 的時候在普通混凝土上出現裂縫，該裂縫接近UHPC 結合面；120 kN 時UHPC 與普通混凝土交接面位置開裂，180 kN 時混凝土表面的裂縫寬度達到0.4 mm，220 kN 時混凝土表面裂縫寬度為0.6 mm，UHPC 粘結面上寬度為0.4 mm，360 kN 時東側加載點至粘結面位置出現斜向裂縫，480 kN 時受壓區普通混凝土位置/ 靠近UHPC 的部位，混凝土出現少量壓碎的情況，540 kN 粘結面位置混凝土壓碎。表面干燥面的破壞比濕潤面更為嚴重。

其余各塊板的破壞過程基本相似，試驗荷載及破壞情況見表2。

表2 試驗荷載及破壞情況表

試驗主要結論如下：

a.UHPC 濕接縫性能：普通混凝土最先出現開裂，然后是UHPC 與普通混凝土粘結面出現裂縫，UHPC 范圍內未出現裂縫。

b.試驗結果表明，UHPC 濕接縫的承載力不低于預制段C50 混凝土，采用UHPC 作為預制構件的濕接縫連接材料，可滿足結構受力要求。

c.本工程擬采用的三家UHPC 產品性能，均可滿足使用要求。

d.三種界面形式對比：對同一個廠家的UHPC材料，從開裂荷載來看，V 形界面＞凹槽界面＞平面界面；試件承載力方面，V 形界面明顯高于凹槽界面和平面界面，性能最優，凹槽界面和平面界面承載力相近。

e.表面干燥與濕潤對比：B1、B4、B7 兩側進行了表面干燥與濕潤對比，干燥面破壞均比濕潤面嚴重，說明濕潤面可使UHPC 和預制混凝土結合更好。

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f.經表面鑿毛對比，三家材料均有比較一致的結論：凹槽界面的鑿毛面破壞更嚴重，對于平面界面，未鑿面的破壞更嚴重。一般情況下，鑿毛面的結合應該更好，但本次試驗凹槽界面的鑿毛面破壞更嚴重，可能與凹槽口尺寸只有2 cm，表面鑿毛影響槽口折角區的混凝土完整性有關。

3.3 UHPC 施工和質量驗收要求

為規范現場施工，保證工程質量，建設單位、設計、施工、監理，在以往工程應用經驗的基礎上，結合本工程UHPC 配合比試驗、濕接縫板試驗以及現場實際情況，經深入研究，制定相關技術要求，包括《UHPC 施工操作技術手冊》、《濕接縫施工階段UHPC 檢測要求》。

《UHPC 施工操作技術手冊》中，對各施工步驟均作了明確的規定，包括施工前準備、攪拌、拌合物運輸、澆筑、養護等。

《濕接縫施工階段UHPC 檢測要求》中，明確規定UHPC 第三方抽檢的取樣、檢測指標、合格判定等要求。

在施工過程中，嚴格按照技術要求執行，加強質量管理監督。

本工程于2019 年完成主體結構施工，2020 年通車，UHPC 濕接縫使用狀況良好。

4 結語

寧波機場路南延工程采用UHPC 作為小箱梁濕接縫，鋼筋免焊接，且大幅減少現場澆筑混凝土的數量，有效加快了施工速度，保證了共建的軌道交通寧奉線按期通車，并減少了施工對環境和交通的影響。

工程在小箱梁濕接縫結構試驗、UHPC 施工和質量驗收標準等方面進行了應用研究,主要結論如下：

（1）混凝土預制段裂縫先于界面接縫，UHPC 范圍內未出現裂縫。表明UHPC 濕接縫的抗裂性和承載力不低于預制段混凝土，采用UHPC 作為預制構件的濕接縫連接材料，可滿足結構受力要求。

（2）V 形界面形式抗裂性、承載力均最優。

（3）界面濕潤、鑿毛可使UHPC 和預制混凝土的界面結合更好。

（4）依托寧波機場路南延工程大量的應用研究，形成UHPC 預制拼裝橋梁設計、施工、檢測、驗收成套技術要求體系，進一步推動UHPC 新技術的應用和發展。