超高性能混凝土在桥梁附属结构中的应用研究

张静华

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430000）

1 工程概况

某大桥为浙江某城市主干道上跨京杭大运河的桥梁，桥位处京杭运河航道等级为Ⅳ级航道，港航部门确定航道尺度为双线限制性航道。桥梁跨越京杭运河桥的主桥采用130 m中承式钢箱拱桥一跨跨越京杭运河，横向设4 片拱肋，桥面为纵横梁体系，桥面板为正交异性板。桥面顶板利用的是U 形肋加筋，宽度为300 mm，高度280 mm，厚度8 mm，横向间距600 mm。

2 装配式UHPC 质量控制技术指标

2.1 拌和物性能指标

工程具体施工中，不仅UHPC（高延性能混凝土）拌和物的流动性会影响施工效果，而且UHPC 拌和物的黏性也会影响施工效果。在不同UHPC 之间进行了试验，详细对比结果表明：如果UHPC 的扩展度＜550 mm，那么拌和物相对比较黏稠，在后续成型时不能自密实，需要对其进行持续不断的振捣；若UHPC 的扩展度为750～850 mm，代表拌和物的流动性较好；若扩展度＞850 mm，则表明拌和物较为稀松。如果使用UHPC 来连接装配式节点，那么扩展度应保持在750～850 mm。对于外墙装饰和装配式预制构件来说，其使用的UHPC 的扩展度应超过650 mm。

2.2 力学性能指标

2.2.1 抗压强度

在调查市场后发现，市场上UHPC 的抗压强度最低为100 MPa，最高为160 MPa[1]。大部分处在120～150 MPa。装饰类UHPC 使用的是合成纤维，在力学性能方面有所减弱，一般保持在100～120 MPa。从这一角度来说，装配式结构类的UHPC 抗压强度应超过120 MPa。实际上，120 MPa 的抗压强度符合有关标准，强度过低会出现力学性能降低，强度过高会增加成本。装配式用装饰类UHPC 的抗压强度宜超过100 MPa，并保证其可以使用各类型的纤维。

2.2.2 弹性模量

UHPC 的弹性模量为40～55 GPa。结构类UHPC 为45～55 GPa，装饰类UHPC 为40～50 GPa。

2.2.3 抗弯强度

UHPC 的抗弯强度具有显著差异，具体差异约15 MPa。结构类UHPC 的抗弯强度应＞14 MPa。装饰类UHPC 通常会使用工程纤维，抗弯强度一般＜15 MPa，所以，建议抗弯强度＞10 MPa。

2.2.4 抗拉性能

UHPC 具有较高的抗拉性能，这也是其和高强水泥基材料具有较大区别的原因之一。抗拉性能包括抗拉强度、抗弯强度、弹性极限及抗拉应变指标。

3 UHPC 组合桥面铺装体系抗水渗性能试验

UHPC 铺装层是一类结构层，不仅能提升钢桥面板的受力情况，而且能提升铺装面层的受力情况，此外，还是不可多得的防水材料，从而避免水分对钢桥面板的侵蚀。UHPC 具体标准：在实验室对UHPC 进行测验发现，在符合4 MPa 水压的情况下，持荷8 h，试件表面不会出现任何渗水的情况。在对组合桥面体系进行施工时，多种因素会对其造成影响，如施工时所面临的温度、汽车超载等，这些都会使铺装层出现裂缝，减弱UHPC 的抗渗透能力。因此，必须研究处于裂缝形态下UHPC 抵抗高水压力渗透能力。

3.1 试验模型

UHPC 作为收缩性能比较低的混凝土材料，其抗压强度达到120 MPa，抗弯强度达到20 MPa、抗渗等级达到P20。试验模型选择的是正交异性钢桥面板，厚度12 mm，加筋肋骨为U 形闭口肋，板厚、高度、上口宽度、下口宽度、间距分别为6 mm、260 mm、300 mm、180 mm、300 mm；横隔板厚度、间距分别为10 mm、3 m。铺装层采用UHPC，厚度约50 mm。

3.2 试验原理

必须选用合适的机械加压法试验装置。该装置由3 部分构成：压紧体系、水压力密闭空间体系、水压力系统。试验中，施压的密封缸体位于UHPC 铺装层之上，压力会持续提高，这样可以在UHPC 内部的脉冲状态展开有效模拟。

3.3 试验方法

在水压试验正式开始之前，要先对UL-1 梁展开静力试验，如果UHPC 表面形成了宽0.05 mm 的裂缝，试验可以停止。静置一段时间，再开展后续试验：对已静力加载的UL-1梁开展0.9 MPa 水压下的抗水渗性能试验。共设置3 个观测点：横隔板的上方、加载点的下方、边横隔板的上方。测点标号分别为1 号、2 号、3 号。对于没有加载的UL-2 梁，进行2 MPa水压下的抗水渗性能试验，在横隔板的上方设置1 个观测点。测点标号为4 号。

UL-1 梁测试方法：将环氧树脂胶黏剂涂抹在缸体与混凝土表面，等待环氧树脂胶黏剂凝固之后，利用千斤顶把缸体压紧于测点处混凝土表面，按照比例配制酚酞碱性溶液，配制完成后，利用小孔将其注入密闭的钢筒内部。如果从轮压的角度考虑，那么可以将其压力升到0.9 MPa；如果从耐久性混凝土抗渗性能的角度考虑，那么可以将其压力升到2 MPa。加压后要不断稳定，然后持荷8 h。其后工序为对渗水情况进行详细观察，不仅包括表面的渗水情况，还包括底部的渗水情况。

UL-2 梁测试方法：在千斤顶的作用下，不断进行加压，加压要循序渐进地进行，而且要特别注意保持压力加载时的对称性，对变形情况、横隔板上部的裂缝情况等进行全方位记录。如果发现宽0.05 mm 的裂缝，必须立即停止加载，以裂缝为基准，开始加压时，以0.1 MPa 为层级进行提升，直接加压为2 MPa。其后再以0.2 MPa 为层级进行提升，压力每增加1个层级，需要持荷8 h。要对混凝土渗水状况进行详细观察，不仅包含混凝土的表面，而且还包含混凝土的底部。该道工序完成后，将千斤顶的压力全部释放出来，并对变形数据进行读取。

3.4 试验结果

1）1 号测点。在0.9 MPa 水压下，测点四周的混凝土出现了渗水现象，测点侧面也出现了渗水现象，在钢板底部对孔内部的混凝土情况进行全面观察,发现其湿润。在2 MPa 水压下，测点表面仍然出现了渗水现象，在钢板底部对孔内部的混凝土情况进行全面观察，发现其湿润。

2）2 号测点。在0.9 MPa 水压下，测点四周表面没有出现渗水现象，侧面裂缝的地方出现了渗水，在钢板底部对孔内部的混凝土情况进行全面观察，发现其略微湿润。在2 MPa 水压下，表面没有出现渗水现象、侧面也没有出现渗水现象，在钢板底部对孔内部的混凝土情况进行全面观察，发现其比较干燥。

3）3 号测点。在0.9 MPa 水压下，测点周边表面与侧面都没有出现渗水的情况，在钢板底部对孔内部的混凝土情况进行全面观察，发现其略微湿润。在2 MPa 水压下，测点周边表面与侧面都没有出现渗水的情况，在钢板底部对孔内部的混凝土情况进行全面观察，发现其比较干燥。

4）4 号测点。总体来说，随着水压的不断提高，混凝土表面的渗水情况会不断减少。如果水压在0.1～0.5 MPa，孔内比较湿润；如果水压在0.5～2.0 MPa，孔内比较干燥。试验结果显示：UL-1 梁的裂缝比较多，同时宽度约0.05 mm。在0.9 MPa水压下，其抗渗能力显然比较微弱。在2 MPa 水压下，抗渗能力达到标准。这说明了UHPC 组合桥面裂缝拥有良好的自修复能力。随着水压的提高，UL-2 梁裂缝会不断闭合，裂缝全部闭合之后，能够达到抗渗的标准，即使经过扰动，抗渗性能仍然非常强。

4 UHPC 桥面铺装工程应用

4.1 UHPC 铺装体系设计

大桥主航道桥桥面铺装采用UHPC 体系，从上到下分别为：碎石层（第1 层）、高黏高弹沥青层（第2 层）、UHPC（第3 层）、UHPC＋环氧富锌漆（第4 层）。其中，第1 层粒径范围在9.5～13.2 mm。第2 层厚度范围在2～3 mm。第3 层厚度为60 mm。需要充分发挥焊接焊钉的作用，使用焊钉将UHPC 与钢桥面进行有效连接，焊钉直径为19 mm，长度约45 mm。同时还要设置钢筋网，尺寸为100 mm×100 mm。UHPC 养护结束之后，要对其表面的灰尘进行清理，洒入高黏高弹沥青和碎石，并将其作为防水层。

4.2 UHPC 铺装施工步骤

施工步骤：对钢桥面抛丸除锈→涂装→焊接焊钉→绑扎钢筋网→浇筑UHPC→养护。

注意事项有5 点：（1）抛丸除锈时，压缩空气不能湿润，而是恰恰相反，要干燥；（2）在焊钉材料方面，选择了ML15AL，焊接设备方面则利用了电弧螺柱焊机；（3）在对钢桥面进行涂装时，利用了高压无气喷涂方式；（4）绑扎钢筋网，间距为100 mm×100 mm；（5）在展开UHPC 施工时，不仅使用了摊铺机，还使用了整平机与覆膜机。UHPC 养护结束后，要立即对其表面进行清理。UHPC 性能参数见表1。

表1 UHPC 性能参数

UHPC 采用地泵泵送的方式，泵送最大压力在26 MPa，按照此压力为基准进行试泵，竖向泵送高度在65 m。在摊铺机中放入混凝土，再使用螺旋轴将混凝土输送至另外一侧，摊铺机行进速度必须保持均匀，以确保混凝土能够均匀地铺入桥面。高频整平振捣机紧随摊铺机进行振捣，若存在整平振捣机无法作业的地方，安排人工进行修平。整平结束后，需要在UHPC 表面进行喷雾，使混凝土保持湿润状态，但要禁止明水出现。此后再使用覆膜机覆盖养生膜，同时进行洒水，养护7 d之后，可以去除薄膜。为避免混凝土出现开裂，选择节水保湿养生膜最佳。由于这种养生膜内部包含树脂，不仅在吸收方面表现良好，而且在放水方面表现突出，能保证混凝土处于湿润状态。桥梁施工结束后，利用该方式养护的混凝土通常不会发生开裂现象。

UHPC 施工时，温度应控制在15～25 ℃。温度会影响收缩度，温度越高收缩度越大，温度越低收缩度越低。覆盖养护必须全面及时，否则会出现开裂的情况。

5 结语

综上所述，本文得出以下2 个结论：

1）如果未出现裂缝，UHPC 组合桥面体系能够符合抗渗性能标准，如果组合桥面的混凝土表面裂缝宽度已经达到0.05 mm，随着水压的不断增加，渗水能力会持续降低。在0.1～0.5 MPa 的水压范围内，表面会呈现渗水现象，0.5 MPa 水压以上，不论是UHPC 表面，还是UHPC 底部，孔都比较干燥，这也重现了裂缝的自修复能力。

2）UHPC 施工时，严格按照均匀搅拌→均匀布料→摊铺→收光→喷雾状水→覆盖薄膜→覆盖土工布→洒水养护的步骤进行。比较适合施工的温度为15～25 ℃。从浇筑开始到覆盖薄膜的全部过程中，UHPC 表面要保持比较湿润的状态，但是不能出现明水。浇筑结束后，必须尽快覆盖薄膜，采取保湿养护，养护时间控制在7 d，从而避免因早期收缩等原因导致开裂问题。