含粗骨料UHPC在路面修复工程中的应用研究

鲁 亚 朱 杰 王江帆 范忠辉 闵洋洋 刘 亮 刘华明 赵 筠

(1.江西贝融超高性能混凝土技术有限公司 南昌 330000; 2.江西省建筑材料工业科学研究设计院 南昌 330000)

随着国民经济飞速发展，各等级道路上的机动车流量越来越大，行驶速度高，超载现象严重，导致路面的损坏较快。

我国目前2种路面的设计使用寿命均难以实现，1～2年内就需要维修的状况非常普遍，这与建造质量不高和超载现象普遍有关。对于重载交通、坡度较大的公路，水泥混凝土路面的优势比较明显。但从道路维修工艺比较，沥青路面维修方便，维修完成后，可马上开放交通。目前高等级公路以沥青路面为主，约占总里程的90%。

1 工程概况

1.1 损坏路面情况

该损坏路段位于某市区城市主干道与省道交汇的转盘处，该路段大货车车流量较大，超载现象严重。经现场查看测量，沥青路面及水泥混凝土基层破损严重，破损面积约221 m2，破损最深处约17 cm。

1.2 路面病害状况分析

该沥青路面病害主要有裂缝、车辙、坑槽、沉陷[1]。这些病害严重影响了行车速度、行车平稳性，形成行车安全隐患，且路面损坏呈加快趋势。该路段经常采用“打补丁”方法进行修补，但“常修常坏”，未解决根本问题。其主要原因有：①“补丁”与原有基层粘结性差，仅仅填补了表面，没有足够能力抵抗雨水侵入和路面荷载，“补丁”自身很快破损；②原有基层已经严重破损，表面修补“治标不治本”。根本性的解决方案是凿除原有面层和基层重新铺设，或对基层进行加固处理后，再铺设面层。

2 含粗骨料UHPC路面修复方案

2.1 修复方案

美国有一种“罩面”的路面修复方法，即直接在破损的沥青或水泥混凝土路面上，铺设一层厚度15～25 cm的普通混凝土层。德国借鉴这种方法，尝试用UHPC(超高性能混凝土)薄层(厚度约普通混凝土层的2/3)作为罩面层(见图1)，期望使修复后路面具有更高承载能力和更长寿命，同时修复成本不明显增加。试验性铺设显示，采用含粗骨料的UHPC，可以达到的性能为：抗压强度大于150 MPa，抗弯强度大于15 MPa，弹性模量60 GPa，毛细孔体积< 1%。这样的低成本 UHPC，工作性可调整为适应传统混凝土路面摊铺机，硬化性能则奠定了高耐久、长寿命路面的材料基础[2]。

图1 UHPC罩面层

本工程损坏路段，不仅面层破损开裂严重，基层也已破坏且承载能力明显不足，但全面彻底维修，即将该路段包括基层挖除重新铺设基层和面层，成本高、周期长，对繁忙路段交通干扰的时间过长。针对这种情况，提出借鉴德国“UHPC罩面层”的修复方法，即用钢筋增强UHPC层作为路面层，同时加固和补偿基层承载力的不足。

UHPC属于现代先进材料，创新了水泥基材料(混凝土或砂浆)与纤维、钢材(钢筋或高强预应力钢筋)的复合模式，大幅度提高了纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率，使水泥基材料的全面性能发生了跨越式进步，具备超高强度、高抗裂能力、高韧性和超高耐久性[3]。

最终修复方案为：凿除破损开裂的沥青混凝土面层，清理干净，铺设钢筋网，然后浇筑UHPC面层，保湿养护1 d，开放交通。维修路段围挡部分影响交通总计不超过2 d。

对于此工程，考虑到UHPC材料造价较高且此次修复所需的性能指标，为合理利用当地原材料(砂石骨料)，采用含粗骨料的UHPC进行修复。

2.2 原材料及UHPC配合比试验

2.2.1原材料

1) UHPC干拌料。在工厂将水泥、硅灰、粉煤灰、聚羧酸粉剂减水剂等核心原材料进行混合后，包装运至施工现场。

2) 骨料。在施工现场，就近选择天然河砂和碎石。天然河砂粒径小于5 mm，碎石粒径在3～8 mm之间。在现场测量含水率。

3) 钢纤维。纤维为镀铜微丝钢纤维，直径约0.2 mm、长度约13 mm、抗拉强度大于2 850 MPa。

2.2.2配合比设计及试验室试验结果

配合比设计时考虑使用25%体积掺量的碎石，且由于施工现场存在一定的坡度(最大坡度约为5%)，所以拌和物的流动性和触变性需满足模拟坡度试验测试，配合比设计见表1，含粗骨料UHPC实验室测试结果见表2。

表1 含粗骨料UHPC配合比设计

试验室测试结果见表2，含粗骨料UHPC标准热养护后的抗压强度达到了150 MPa，抗折强度20 MPa，弹性模量52 GPa。与同组成但不含粗骨料的UHPC相比，力学性能降低较小。

表2 含粗骨料UHPC实验室测试结果

3 维修施工方案

3.1 破损路面的处理和维修方案

预先制定方案为，凿除沥青混凝土层，清洗露出的混凝土层，并对其表面凿毛处理。然后对混凝土裂缝采用自密实UHPC灌浆，灌浆后，采用C40普通混凝土进行找平，找平后对其表面进行凿毛处理，保留8 cm厚的UHPC铺装层。最后，找平后铺设钢筋网，钢筋采用直径8 mm带肋钢筋，间距10 cm×10 cm。然后浇筑UHPC面层。

但业主为缩短维修时间，未采纳上述方案。实际施工方案为：凿除破损开裂的沥青混凝土面层约8 cm厚度，清理干净，铺设钢筋网，然后浇筑铺设整体(不设接缝)UHPC面层，保湿养护1 d，开放交通。

3.2 UHPC搅拌

根据搅拌机容量及配比称取各材料，开启搅拌机，将砂、石头、干拌料依次投入搅拌机，干拌约1 min，加入2/3的水，继续搅拌2 min，再加入剩下1/3的水，搅拌1 min，观察UHPC浆体的状态是否正常，确保无团块或分散不匀等现象。最后利用5 cm×5 cm孔筛网均匀加入钢纤维，加完后搅拌2 min，观察纤维分散均匀性，有无结团现象。

由于UHPC水胶比较低，浆体粘聚性较大，纤维易结团，所以要想保证UHPC的性能俱佳且稳定，现场搅拌过程很重要。需特别注意：①控制好用水量，且宜分步添加，用水量误差对强度影响较大；②纤维的投入要匀速缓慢，否则容易导致纤维分布不匀，无法达到所需的性能；③现场搅拌宜选用高效率、强制式搅拌机。本工程受当地条件所限，使用自落式搅拌机，效率较低，影响了施工速度，现场搅拌UHPC的强度也有小幅降低。

3.3 运输、成型、振捣

搅拌好的UHPC装入小推车运输，运输过程要平稳，尽可能防止颠簸导致钢纤维下沉，保证拌和物匀质性。浇筑时要避免UHPC流动形成汇合区，以及浇筑形成UHPC覆盖层(见图2)，因为这会成为力学薄弱点。如无法避免，应使用插捣棒搅动这些区域，使纤维方向随机分布[4]。摊铺后，用平板振动器振动，要特别注意振动时间，防止振动不足或过振。待振动后表面有足够的浆体能够进行抹面就可以停止振动。

图2 汇合区和UHPC覆盖层处理

3.4 养护、表面处理

抹面完成后，及时覆盖一层薄膜(薄膜上沾水)，若现场温度高、风大，更要覆盖及时，防止表面干裂。初凝后在薄膜上覆盖一层棉布(或厚薄膜)，并在棉布(或厚薄膜)上撒水压边覆盖严实。周围做好围挡及标示。24 h后，根据现场同等养护条件留样强度，决定是否通车，通车后也需做好洒水养护工作。

薄膜掀开后进行表面处理，主要处理表面裸露钢纤维，防止对车辆轮胎的不利影响及降低行车舒适性。处理方法是对裸露钢纤维部分用打磨机进行打磨。

4 试验结果及与普通修复方案对比

4.1 试验结果

现场同条件留样测试结果见表3所示，1 d抗压强度达到41 MPa，符合通车要求，施工后第二天道路就恢复交通。抗压强度及抗折强度1，3，28 d均低于实验室标养强度，主要原因：①受所使用搅拌机的搅拌效率限制，实际用水量大于设计用水量；②第二天通车后未洒水养护，影响了强度增长，但后期强度还有一定增长空间。常温养护UHPC，通常在10年间抗压强度可增长20%左右。

表3 现场同条件留样测试结果

本次施工存在的主要不足为：①缺乏施工机具，特别是平板振动器不充足，部分表面未振动到位，较大面积露出钢纤维；②施工人员缺乏经验，未按要求处理拌和物汇合处，形成明显的施工接缝。

4.2 与普通修复方案对比

与普通修复方案对比，此方案可缩短维修时间，对交通影响小，同时大幅度提高了路面的承载能力、抗裂性、耐磨性、抗弯曲能力、耐冲击能力、耐疲劳性和整体性。5个月后查验维修效果表现良好，与之前多次维修后不足3个月又开裂破损严重相比，此次维修效果达到预期，维修的长期效果还在观察中。使用寿命预计超过现有路面的一倍且使用期间可以免维护。

从维修成本分析，UHPC材料成本是普通修复材料成本的8倍左右，施工成本与普通修复的相当，但利用UHPC材料修复的使用寿命是普通修复方案的10倍左右，所以利用UHPC材料修复的周期使用成本极低。

5 结语

UHPC使用为铺设高耐久性、长寿命路面奠定了材料基础。本工程实例表明，采用UHPC进行道路维修、加固，可操作性强，施工快，影响交通时间短。

这次实测显示的缺陷，只要配备适用、充足的施工机具，预先进行施工人员培训，加以良好施工组织管理，以上问题均可克服。

可以预期，随着施工经验的积累和施工管理的严谨，UHPC材料在路面维修中将会得到越来越多的应用。

[1] 田耀刚,石帅锋,杨体文,等.沥青路面坑槽病害修复技术研究进展[J].公路交通技术,2014(5):23-28.

[2] SCHEFFLER B. Application of UHPC for multifunctional road pavements[J].Pro UHPC,2012(5):913-920.

[3] 赵筠,廉慧珍,金建昌.钢-混凝土复合的新模式：超高性能混凝土(UHPC/UHPFRC)之一:钢-混凝土复合模式的现状、问题及对策与UHPC发展历程[J].混凝土世界,2013(10):56-69.

[4] NIWA Junichiro. Recommendation for design and construction of ultra high strength fiber reinforced concrete structures(Draft)[S].JSCE.Japan Society of Civil Engineers,2006.