UHPC钢纤维定向排列布料机在钢桥面铺装中的应用研究

王 强，过震文

(上海市市政规划设计研究院有限公司，上海 200031)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)是近年来发展起来的新型纤维增强水泥基材料，由于其具有超高的力学性能和耐久性能，在桥梁等工程中应用越来越多[1]。钢桥面传统沥青铺装易产生铺装层开裂等问题，国内学者已开始研究UHPC-钢桥面组合结构来解决钢桥面板局部受力变形等问题[2]。UHPC材料的组成、投料与搅拌方式、浇筑方式对抗压强度和抗弯拉韧性有明显影响[3]。Wille等研究了不同的试件尺寸、浇筑方法和支撑条件测得抗折强度结果差异可能高达200%[4]。王强[5]在过去的研究中已得到钢纤维的取向排列与UHPC的抗拉韧性有直接的线性关系，且钢纤维能很好地沿着浇筑方向排列。

混凝土布料机在建筑工程领域已有了广泛应用，有向高层布料装置[6]，也有水平布料设备[7]，技术已相对成熟。在道路工程领域，水泥混凝土的布料采用滑模摊铺机[8]，通过布料机把混凝土输送到螺旋分料器处，由螺旋分料器分摊到整个布料工作面上，通过虚方控制板控制布料厚度。UHPC相比于普通混凝土具有黏聚性高、钢纤维含量大等特点，传统混凝土布料机已不再适用，需专用的布料设备进行精准摊铺[9]。

目前，刚性铺装研究越来越热，但UHPC布料机与UHPC拌合物之间的协调配合还鲜少研究，布料机对拌合物均匀性的影响、对拌合物中钢纤维重新排列到底有何影响还不清楚。鉴于此，本文通过布料机模拟现场浇筑的方法分析UHPC布料前后拌合物性状和力学性能的差异，考察布料机在钢桥面铺装中对UHPC的适应性，并在润扬大桥铺装试验段应用，可为同类工程提供借鉴。

1 试验工程

1.1 工程概况

工程试验段是润扬大桥南汊悬索桥，主梁为带风嘴的扁平流线型钢箱梁，梁高3m，箱梁全宽38.7m(含检修道)，单幅桥面铺装宽15m、厚5.5cm，原铺装结构为下层2.5cm环氧沥青混凝土+上层3.0cm环氧沥青混凝土，于2005年5月通车。由于钢桥面板刚度小，车载作用变形较大，环氧沥青层出现开裂、坑槽、脱层等病害。试验段设计方案为局部栓钉+环氧黏结层+5cm配筋UHPC+5～8mm防滑层，采用UHPC刚性铺装层替换掉原有的柔性铺装，增加第三体系刚度，从而根本解决传统柔性铺装出现的问题。

1.2 应用分析

通过应力分析计算，在钢桥面板第三体系中，顺桥向沿U肋上方所受到的弯拉应力为受力最不利位置，设计施工时应重点加强横桥向的弯拉能力。

根据王强前阶段的研究结果[5]，钢纤维会沿着浇筑方向定向排列，大大增强了沿浇筑方向的抗拉性能。在此通过考虑将钢纤维沿横桥向定向排列后，着重增强横桥向的抗弯拉性能。本文将论证UHPC在布料机定向浇筑后，其沿浇筑方向和垂直浇筑方向的性能差别以及对其适合在钢桥面铺装中应用进行判定。

2 试验研究

2.1 原材料

水泥为海螺52.5P·Ⅱ型水泥，密度为3.17g/cm3，比表面积为386m2/kg；硅灰密度为2.1g/cm3，二氧化硅含量为93%，比表面积为28 000m2/kg；细骨料为最大粒径1.25mm洁净河砂；外加剂采用高性能聚羧酸粉体减水剂，减水率>30%；钢纤维力学性能参数为：抗拉强度2 800MPa，弹性模量210GPa，直径0.2mm，长度13mm，密度7.9g/cm3。

2.2 制备

试验采用的配合比为水泥∶硅灰∶钢纤维∶砂∶外加剂∶水=1∶0.2∶0.2∶1.2∶0.006∶0.22。按试验配合比将除水之外的干粉料在上海某特种干粉砂浆厂生产、包装成干混料。经过高转速飞刀叶片分散的干混料经检验各组分均匀一致，钢纤维被粉体充分包裹、分离。

2.3 机械模拟

根据上述分析，试制UHPC钢纤维定向排列样机，样机应满足沿轨道实现纵、横向行走和行走时均匀布料，如图1所示，模拟机械的行走速度为0.2m/s。

图1 试模方向的设置

2.4 浇筑布料

试验采用的搅拌机是容量为1.5m3的立轴行星式搅拌机，搅拌机的搅拌功率为45kW。将包装好的干混料投入搅拌机内，加水搅拌4min以上出料。

在布料区域，沿浇筑方向先设置好纵、横2个方向的抗折试模，如图1所示，将沿浇筑方向成型的试件编号设为“顺”，横着浇筑方向成型的试件编号设为“横”。另外，采用GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》标准工艺浇筑1组抗折试件作为对照组，编号设为“标”。

3 试验分析

3.1 拌合物性能

UHPC在经过布料机挤压重新布料后，不应改变拌合物的均匀性和工作性能，为此对布料前后的拌合物状态进行考察。考察选取的指标是坍落度、坍落扩展度、扩展时间(T500)以及是否存在泌水离析等现象。布料前后对比如表1所示，进行扩展度试验后的最终状态如图2所示。

表1 UHPC布料前后工作性对比

从表1中得到，从对比的工作性能的几个指标来看，UHPC经过布料机布料前后基本不改变混凝土的工作性，混凝土黏稠性适中，流动性较好，此种混凝土适用于较密配筋铺装结构体系的自密实施工(见图2)。

图2 UHPC布料前后坍落扩展度对比

3.2 抗折强度

在浇筑布料中成型的抗折试件进行标准养护28d后，采用《活性粉末混凝土》[10]进行抗折强度试验，试验加载速率为0.1MPa/s。

在抗折试验中，在混凝土基体未开裂前，由于钢纤维和混凝土基体共同作用，混凝土变形较小；在UHPC临界开裂点时，混凝土基体的抗拉性能降为0，此时的抗折性能主要靠钢纤维和基体间的黏结力；随着钢纤维的不断拔出，顺着浇筑方向、横着浇筑方向和标准浇筑方向分别出现不同的强化效果，其中横着浇筑方向的强化时间最短，标准工艺其次，顺着浇筑方向的强化时间最长。

3种方式成型的试件抗折强度差异较大，横着浇筑方向成型的试件抗折强度最低为20.5MPa，顺着浇筑方向达到最高的32.2MPa，后者相较于前者增加了57%；而采用标准工艺成型的试件抗折强度处于两者之间，为25.8MPa。本次抗折试验直接说明UHPC的抗折强度的离散差异性很大，下面将从其断面做进一步分析。

3.3 断面分析

抗折试验结束，将试件沿断裂面彻底压断，试件断裂面如图3所示。试件被压断开后，断面上钢纤维全部拔出，被拔出的钢纤维均匀地分布在断裂面上。直观地看到3个试件上的钢纤维取向角不同，按文献[5]中提供的方法统计钢纤维取向角的分布，如表2所示。

图3 抗折试件断面

为了表征钢纤维取向角对UHPC抗折强度的影响，计算参与弯拉方向的钢纤维有效握裹长度。在同一配合比下，UHPC基体与钢纤维的黏结强度一致，钢纤维在弯拉方向上提供的额外承载力完全由这个方向上的有效长度决定。有效长度在此简化为钢纤维取向角的余弦值，即设定如下：轴向钢纤维对弯拉性能影响系数设定为0.93，斜向钢纤维对弯拉性能影响系数设定为0.70，垂直钢纤维对弯拉性能影响系数设定为0.25。

表2 钢纤维取向角占比统计

3组试件钢纤维分布均匀，只是钢纤维取向角有所差异，将各浇筑工艺所得的钢纤维取向角系数加权求和，计算所得顺着浇筑方向、标准浇筑和横着浇筑方向钢纤维对弯拉方向的影响系数分别为0.88，0.68，0.46。

钢纤维取向角系数和其对应的抗折强度曲线关系如图4所示。

图4 钢纤维取向角对抗折强度的影响

类似于抗拉强度的是，钢纤维取向角系数与抗折强度也具有很高的线性拟合度，其R2=0.993 2。拟合的线性关系如下：

f=27.64θ+7.65

(1)

式中：f为UHPC的抗折强度；θ为钢纤维的取向角系数。

式(1)说明了要想获得较高的抗折强度，钢纤维的取向角系数应取得最大值。由于钢纤维取向角系数θ的存在，给工程应用提供了思路，钢纤维增韧主要依靠钢纤维的排列方向，这一结果跟笔者前段研究成果[5]吻合；另一方面也说明如果不控制钢纤维排列方向，UHPC的抗折强度数值将表现出较大离散性(理论上7.65～35.29MPa)，这点给工程应用、质量检验带来变数。

4 工程应用

UHPC干混料在工厂按给定的配合比全部预混完成，以袋装形式运输到现场。施工时，将袋装的UHPC干混料吊装进立轴行星式搅拌机，加水搅拌5min，控制用水量在±1%。由于现场只有一步加水工艺，过程操作简便，控制精准，方便实施。

UHPC钢纤维定向排列布料机经试制成功后，制作成成品用于润扬大桥钢桥面铺装维修工程。布料机通过2根大梁横跨桥面两端，布料机料斗容量为2m3，布料机下有导轨能在大梁上沿横向行走。施工时，料斗内存放足够的UHPC拌合物，启动电动机，将布料机料斗的行进速度设定为0.2m/s，布料时注意均匀连续，布料后UHPC基本能流平整个工作面，保证前后两段接缝处浇筑密实。由于UHPC用水量极低，干燥蒸发很快，布料过程要注意增湿补水，防止混凝土出现起壳、假凝等浇筑不实现象。布料完毕后再用整平机辅助振实，并立即洒水覆膜养护。

润扬大桥的刚性铺装是密配筋体系，这在前期模拟试验时未使用配筋结构，而混凝土抗折试件使用的是《活性粉末混凝土》的试验标准，还未建立钢-UHPC在钢纤维取向排列下的力学性能比较；另外，由于钢筋的分隔作用，薄层结构下，钢筋对钢纤维的排列取向造成的干涉影响到底有多大还需后续进一步研究。

5 结语

UHPC具有极高的力学性能，通过减小结构断面尺寸，降低结构自重，提高结构的综合使用性能。在钢桥面铺装领域，UHPC的抗弯拉韧性相较于普通混凝土有了大幅度提升，可有效增强桥面板刚度，降低铺装层的应力幅，延长铺装层的使用寿命。但由于钢纤维在拌合物中随机分布特性，导致UHPC在抗弯拉韧性方面会表现不足。对此本文设置了一个模拟试验，模拟拌合物在一定浇筑速度下，钢纤维随浇筑方向的二次排列取向，研究其带来的力学性能变化，结论如下。

1)UHPC钢纤维定向排列布料机不改变UHPC拌合物性能，在布料速度为0.2m/s下，能很好地使钢纤维沿浇筑方向排列，钢纤维定向取向率达85%。

2)UHPC因钢纤维取向率的不同，抗折强度离散差异较大，本项目中沿浇筑方向成型得到的抗折试件强度最高达32.2MPa，而横着浇筑方向成型得到的抗折试件强度只有20.5MPa。

3)UHPC弯拉韧性与钢纤维取向角呈线性关系，由钢纤维拉伸方向有效握裹长度决定。工程应用中，如何控制钢纤维定向排列是增韧关键。

4)经润扬大桥钢桥面铺装维修工程的试点应用，证实本项目开发的UHPC钢纤维定向排列布料机适用于钢桥面刚性铺装工程，可推广使用。

笔者还将在以下方向做进一步研究。

1)建立浇筑速度与钢纤维取向排列程度的关系。文中已证实一定的浇筑速度能影响钢纤维的取向排列，但随着浇筑速度的不同，钢纤维取向排列到底呈现何种方式还不甚清楚。

2)钢-UHPC组合结构中钢筋及钢结构对钢纤维的重新排列有何影响还不清楚，这就需建立构件模型及组合结构的对比试验进行验证。