超高性能混凝土在桥面维修中的应用及改进研究

翁丽花

（莆田市公路事业发展中心涵江分中心，福建 莆田 351100）

0 引言

随着公路桥梁运营年限及交通量的增长，桥面病害日渐产生，为保持结构的连续性和整体性，水泥混凝土桥面的修复基本采用原有面层类型。而普通水泥混凝土施工存在养生期长、对交通影响大、新旧混凝土结合部位薄弱等缺陷，为了缩短通车时间，降低桥面维修对交通通行的影响，提高修复质量，研发快速、高效的混凝土材料和技术，具有显著的现实意义。

超高性能混凝土因拥有优异的力学性能和耐久性能而受到工程师的关注。目前已在桥梁、高层建筑、海港工程及有特殊功能要求的工程建筑领域中得到应用，且以桥梁应用最多。其早期强度发展快，后期强度高，与旧混凝土黏结良好，具备良好的防水功能、抗冲击和耐磨性能。在对早强有较高需求的混凝土桥面或路面修复工程中展开应用，具有施工简单便捷，养护期短，可显著缩短通车时间，修复后的路面强度发展稳定，耐久性好等优点。UHPC修补技术的应用对提升水泥混凝土路面开裂破损的修复效率，提高路面的强度和耐久性，延长结构使用寿命具有重要作用。

1 超高性能混凝土的配制机理

1.1 材料组成及配制

不同于普通混凝土，UHPC组成材料中不含粗骨料，采用较低的水胶比（小于0.25），掺加了较多的短切纤维，其经典组成包括水泥、微硅粉、高效减水剂、石英砂（粉）、短切纤维、水。随着UHPC配制技术的发展，在实际应用中经常选择替代材料配制新型UHPC，如掺入细石、本地石粉、细粉煤灰、稻壳灰、矿渣等，降低成本的同时也更有利于环保。为了进一步提高UHPC的某些性能，不少学者对引入纳米材料和混凝土外加剂进行研究[1]。

随着UHPC制备理论的成熟，应用技术的快速发展，UHPC进入产业化、商业化阶段。商业化的UHPC产品基本上以预混料方式提供，现场只需按要求比例加水（和另外包装的液体外加剂，如采用液体外加剂）、纤维（如纤维为独立包装，以及增加使用的骨料）搅拌均匀即可制备。工厂化生产的UHPC使用方便、质量更好保证，但成本会更高点。当需要现场配制UHPC时，须按照性能要求进行配合比设计并验证。

1.2 配制原理

材料内部结构缺陷、微观孔隙结构和微裂缝的存在均会影响混凝土的宏观力学性能，超高性能混凝土配制的基本原理就是通过提高组分的活性与细度，减少材料微观缺陷，优化孔结构，降低孔隙率，提高均匀性和密实度。

UHPC的制备技术为：

1.2.1 剔除粗骨料，限制细骨料粒径（颗粒粒径一般小于1mm，大于1.25mm的粒径比例不大于5%），提高了材料的均匀性，改善UHPC基体的内部缺陷。

1.2.2 优化细骨料的级配，提高颗粒的堆积密度，增大基体的密实度[2]。

1.2.3 掺入硅粉、粉煤灰等超细活性矿物细粉，发挥微粉填充效应，从而使整体达到最密实状态，进一步提高匀质性和致密性，并通过化学反应生成水化硅酸钙等凝胶，对混凝土起到增强作用，同时降低孔隙率、减小孔径，改善微观结构。

1.2.4 掺入能与活性组分较好相容的高效减水剂，降低水胶比，从而使浆体坍落度大、黏性大、泌水量低，因此获得良好的工作性、填充性、可泵性和稳定性。

1.2.5 通过添加短切微细纤维，减缓材料内部微裂缝的扩展，从而显著提高材料的韧性和延性。

1.2.6 引入纳米级材料和混凝土促凝剂、膨胀剂等外加剂，提高微观结构致密性，加速水泥水化反应，降低UHPC自收缩，进一步提高UHPC的强度和耐久性。

2 超高性能混凝土的特点

2.1 UHPC的性能特点

UHPC的优良性能主要有：超高强（抗压强度不低于100MPa）、高韧性（具有受拉状态的韧性，开裂后仍保持抗拉强度不低于5MPa）、高抗渗性（高耐久性的关键性能）、高体积稳定性（低干缩、低徐变、低温度变形和高弹性模量）和良好的施工性（高流动性、高黏聚性、自密实性）。表1给出了UHPC与普通混凝土的主要力学和耐久性指标对比[3]。

表1 UHPC与普通混凝土的主要力学和耐久性指标对比

2.2 优点

2.2.1 UHPC适合建造“细、薄、巧、轻”的混凝土结构，能有效减小建筑尺寸或提高跨越能力，有助于美观且节约空间。虽然其初期投入较大，但由于结构的各项性能提高，后期维护保养成本降低，服役期限延长，从全寿命成本分析，其经济性具有一定优势。

2.2.2 在恶劣自然环境中，结构寿命是普通高性能混凝土的两倍以上，与钢结构相比，配筋的UHPC梁能达到钢梁的水平，耐久性与耐火性能具有显著的优势，且造价会更便宜。

2.2.3 早期强度发展快，后期强度高，与普通混凝土界面之间的黏结强度高、黏结性能稳定，能与旧混凝土共同受力，在桥面和路面维修加固中有着巨大的应用潜力。

2.3 缺点

2.3.1 超高性能混凝土因胶材用量大，水胶比较低，而表现出较高的自收缩，易产生开裂风险。

2.3.2 目前还没有统一的行业标准，标准体系正在建立、发展。

2.3.3 材料制备成本较高，目前市场上成品UHPC干粉约4000元/吨。价格昂贵是制约超高性能混凝土推广应用的最大障碍。

3 UHPC在桥面维修加固工程中的应用

塔尾桥位于X212线上，车流量大，靠近某中学校门，行人多，交通复杂。该桥全长12.8m，上部结构为1孔10m简支空心板梁，桥梁全宽28.6m，桥梁净宽28m；下部结构类型为柱式台和桩基础；桥面系采用水泥混凝土铺装层。道路等级为二级公路，设计荷载为汽车-20级。在2016年11月桥梁定期检查中发现水泥混凝土桥面存在开裂破损、网裂、露骨等病害，拟对整桥桥面铺装挖除重铺，若采用普通混凝土进行修复，养生期长，对交通影响大，施工安全隐患大。采用超高性能混凝土修复，可较快开放交通，大大减少施工对交通的影响，降低施工风险[4]。

2017年4月25日至2017年4月30日，应用UHPC对该桥桥面铺装进行快速维修，施工温度23～28℃，施工流程为：凿除、清理破损桥面混凝土—安装钢筋网—浇筑混凝土—混凝土养护。UHPC浇筑采用即拌、即浇、即振、即平、即养护的方式施工。采用电子秤称取UHPC预混料和用水量（预混料∶水=10∶1），使用强制式搅拌机搅拌5min。实测坍落度为250mm以上，因操作时间较短，坍落度损失很小，工作性良好。对混凝土轻微振捣至表面泛浆，然后对表面裸露的钢纤维进行压平修整，最后对浇筑成型的混凝土尽快覆盖养护毯或养生膜洒水保湿养生。

为了验证UHPC强度增长的快速性，在施工现场进行同条件混凝土试块养护，并检验了3d，7d，28d三个龄期的强度指标。各龄期强度见表2。

表2 UHPC强度

由表3可知，UHPC养护3d的抗压强度和抗折强度，达到开放交通要求。通车至今，修复区混凝土没有出现开裂、磨损、新旧结合面缩裂等现象。可见采用UHPC修复效果可行，与旧混凝土黏结良好，强度发展稳定，耐久性良好。

表3 水泥混凝土弯拉强度标准值

4 超高性能混凝土的应用改进

4.1 配合比改进及应用

4.1.1 配合比调整

单纯的超高性能混凝土材料价格比较贵，单价近1万/m3，结合施工实际情况，引入粗骨料（粒径小于1cm），配制含有粗骨料的超高性能混凝土。有研究表明，当粗骨料掺量小于675kg/m3时，UHPC能保持良好的流动性能。但随着掺量的增加，流动性明显降低，抗压强度和抗折强度也有所降低，自收缩大幅下降，其耐久性能表现良好，但是没有未掺粗骨料的优异。该研究中对粗骨料质量掺量为10%、20%、30%的UHPC进行试验，探讨其工程应用价值（见表4）。

表4 配合比调整表

根据表5，在原有配合比的基础上，第3组混凝土中掺加30%质量的细石，3d抗压强度达到45MPa，抗折强度达到6.8MPa，满足通车要求。调整后施工配合比为：预混料∶石料∶水=1∶0.3∶0.12～0.14，调整后混凝土单价比原有降低近30%。

表5 不同细石掺量下的混凝土强度值

4.1.2 配合比调整后的UHPC在伸缩缝维修加固中的应用

2018年采用掺加30%细石的超高性能混凝土对某三座桥梁伸缩缝锚固区混凝土破损进行修复，修复区混凝土使用3年多来仍然完好，没有出现混凝土断裂和网裂等破坏现象。结果表明，采用掺加30%细石的新型UHPC快速修复，实施效果良好，在保证UHPC性能及快速通车的需求下，降低了工程造价，获得了良好的社会效益与经济效益（见图1、图2）。

图1 伸缩缝病害

图2 超高性能混凝土浇筑

4.2 复合超高性能混凝土的开发及应用

4.2.1 复合超高性能混凝土的材料组成

出于对UHPC早期强度的更高追求，在已有研究的基础上提出将纳米材料及混凝土外加剂等引入UHPC中，从而提高其早期强度及其他性能。一是掺入3%的纳米碳酸钙，加速水泥水化反应，使微结构更致密，从而提高混凝土强度和耐久性。二是掺入0.1%的工业级碳酸锂调节混凝土凝结时间的同时提高早期强度。三是添加适量HP-CSA膨胀剂，以补偿混凝土产生的自收缩，防止混凝土开裂。

4.2.2 复合超高性能混凝土的应用

2020年4月20日至2020年4月25日，应用复合超高性能混凝土对某桥桥面铺装快速维修，施工温度控制在22～28℃，桥面铺装面积约60m2，凿除混凝土及清理用时2d，钢筋绑扎1d，混凝土浇筑1d，养护1d后放行，共封道5d。至今未发现修补桥面开裂(见表6)。

表6 复合超高性能混凝土的强度

5 施工技术要点

超高性能纤维混凝土为粉末状混合物，现浇施工一般采用预混料进行拌和，现场只需按照比例加水和石子搅拌即可。在保证匀质性和生产稳定性时也可采用现场配料直接拌和。其主要施工技术要点如下。

5.1 新旧界面、基面处理及材料控制

一是对新旧界面内壁进行凿毛处理。二是基面混凝土清理整洁，浇筑前洒水湿润。三是严格控制用水量。四是严格控制石子掺量及石子大小。五是混凝土外加剂与预混料要有良好的适应性，其掺量应经过试验确定。

5.2 搅拌及浇筑

一是宜使用强制式搅拌机，搅拌均匀，再掺入石子，搅拌时间为5min。二是未掺入石子的混凝土流动性大，轻微振捣可自流平、密实，需要采取措施防止漏浆。三是掺入石子的混凝土，不宜振捣过长，易使石子与水泥浆体分层。

5.3 养护

混凝土浇筑完成后，应尽早覆盖，保湿养护，并应注意控制混凝土的温度变化，避免温度骤变。

6 结语

通过工程应用实例表明，采用超高性能混凝土对桥面维修，提高了修复部位的强度和耐久性，实施效果良好，施工简便，养护期短，大大减少了施工对交通的影响，降低了施工安全风险。提出掺加30%质量细石UHPC的应用，降低了材料单价约30%，在保证UHPC性能及快速通车的需求下，节约了经济成本。提出复合超高性能混凝土的应用进一步提升了混凝土性能，实现桥面修复工程更快通车的愿望。随着UHPC相关技术标准和规范的制定与完善以及材料成本的下降，UHPC将会有更广阔的应用前景。