超高韧性混凝土特性与应用研究*

郭永伟

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

1 工程概况

容易线设计为一级公路，为雄安新区建设主要材料运输通道，以重载车辆通行为主。为保证大水大街跨干渠桥、津海大街跨干渠桥桥面铺装层耐久性，特采用C120超高韧性混凝土轻型组合桥面结构，由于2座桥梁结构形式类似，以大水大街跨干渠桥为例进行介绍，项目效果如图1所示。

图1 大水大街跨干渠桥项目效果

大水大街跨干渠桥处于容易线支线，上跨南水北调天津干渠，设计为单跨下承式钢桁架拱桥，长35.92m，宽19m，桁架拱高4.5m，主梁设计为钢箱梁，桥面板设计为正交异性桥面板，横断面形式为1m主桁区+0.5m防撞护栏+16m机动车道+0.5m防撞护栏+1m主桁区。桥面铺装层设计为6cm厚C120超高韧性混凝土，桥面板顶面设置φ13×40剪力钉，布置间距为300mm×300mm，铺装层内设置1层φ10@100×100钢筋网片(见图2)。

图2 桥面铺装层

2 工作机理

普通正交异性钢桥面在重型车辆荷载长期作用下，易出现破损、开裂、坑洞等病害，为解决上述问题，超高韧性混凝土轻型组合桥面结构应运而生。该结构在普通正交异性钢桥面的基础上，将混凝土铺装层抗压强度、抗拉强度提高，使设有钢筋网片的高强、高韧性混凝土与钢桥面栓钉有效结合，利用混凝土高强、高韧性的特点，进一步提高桥面板整体性和耐久性。养生结束后，超高韧性混凝土抗拉强度可达30MPa以上，抗压强度可达120MPa以上。

超高韧性混凝土干混料主要成分为石英砂、水泥(52.5R普通硅酸盐水泥)、硅灰、粉煤灰、石英粉、石英砂、钢纤维、减水剂等，最低抗压强度120MPa，试验抗压强度达150MPa以上。超高韧性混凝土配合比设计以实现混合料最大堆积密度为基础，通过剔除粗骨料增加细集料用量，以最佳比例形成最紧密的堆积体，即毫米级颗粒堆积间隙由微米级颗粒填充，微米级颗粒堆积间隙由亚微米级颗粒填充；增加胶凝材料用量，减少用水量，提高强度，将水胶比降至0.16～0.22；增加钢纤维用量(钢纤维体积比为2.5%)，使钢纤维在混凝土中形成致密的纤维网，以增加混凝土抗拉强度。

3 超高韧性混凝土与常规混凝土的区别

1)超高韧性混凝土强度高、刚度大，不易开裂。

2)与常规混凝土相比，超高韧性混凝土中无粗骨料。

3)超高韧性混凝土混合料以桶装干混料的形式运至施工现场，由于配合比特殊，具有水胶比低、浆体黏度大等特点，且掺加大量钢纤维，常规搅拌站不具备拌合能力，施工时需自制专用拌合设备，现场拌合。拌合时使用叉车将桶装干混料送至专用拌合设备上，拌合设备利用自动翻斗将干混料倒入拌合机内搅拌，而常规混凝土在搅拌站拌合即可。

4)超高韧性混凝土较常规混凝土搅拌时间长，加水搅拌至混合料完全流化后需继续搅拌120s，搅拌时间对超高韧性混凝土性能的影响如表1所示。

表1 搅拌时间对超高韧性混凝土性能的影响

5)超高韧性混凝土坍落度较常规混凝土大，一般为180～280mm。

6)超高韧性混凝土浇筑时，需利用小型翻斗装载机将其倒入泵车内泵送。

7)超高韧性混凝土摊铺时需采用专用布料机，对于工程量小、小跨径桥梁，可采用高频振捣梁摊铺，但平整度较摊铺机稍差。

8)由于超高韧性混凝土强度较高，在强度增加过程中水化反应剧烈，极易开裂，为此，混凝土终凝后(初凝时间约10h、终凝时间约36h，终凝强度约20MPa)需搭设保温棚，并进行蒸汽养生(与施工季节无关)。保温棚内温度为70～90℃时，养生时间为72h；温度为90℃及以上时，养生时间≥48h。要求养生湿度>95%，通过蒸汽养生的方式使混凝土达到早期强度，并使混凝土充分水化，在蒸汽养生阶段完成混凝土收缩，确保后期不收缩，避免开裂。不同养生条件对超高韧性混凝土强度的影响如表2所示。

表2 不同养生条件对超高韧性混凝土强度的影响

蒸汽养生前覆盖节水保湿膜，洒水养生。蒸汽养生结束后超高韧性混凝土抗拉强度可达30MPa以上，抗压强度可达120MPa以上。养生过程中通过传感器调整蒸汽量，控制保温棚内养生温度和湿度，升温速度≤12℃/h；养生结束后，以≤15℃/h的降温速度将温度逐渐降至现场温度。蒸汽养生结束且抛丸后摊铺磨耗层，超高韧性混凝土强度增长周期较常规混凝土短。

4 超高韧性混凝土与环氧沥青混凝土的区别

在重载桥梁或大跨径桥梁中，常用桥面铺装材料包括环氧沥青混凝土。在沥青中加入适量环氧树脂和固化剂得到环氧沥青混凝土，利用环氧材料强度提高沥青混凝土强度，使桥面板具有高强、抗疲劳特性。如果施工工序衔接不紧密，易导致环氧沥青混凝土固化，固化后无法采取补救措施，视为废弃物处理。环氧沥青混凝土对施工环境要求严格，施工过程中不能接触水，遇水后易出现鼓包等病害，进而发生开裂，影响耐久性。环氧沥青混凝土养生周期较超高韧性混凝土长，根据拌合温度常分为温拌体系(拌合温度为110～130℃)和热拌体系(拌合温度为170～180℃)，温拌体系养生时间通常为30d左右，热拌体系通常为7d左右。超高韧性混凝土与环氧沥青混凝土性能对比如表3所示，由表3可知，超高韧性混凝土在养生时间和经济性方面具有优势。

表3 超高韧性混凝土与环氧沥青混凝土性能对比

5 超高韧性混凝土适用范围

超高韧性混凝土适用于钢箱梁桥面，尤其适用于重载桥梁、大跨径桥梁，如悬索桥、斜拉桥等，大跨径桥梁主梁挠度较大，易造成铺装层疲劳破坏(钢箱梁桥尤为明显)。超高韧性混凝土利用高强、高韧性，有效解决了铺装层疲劳破坏问题。超高韧性混凝土轻型组合桥面结构已在洞庭湖大桥、海南海文大桥、株洲枫溪大桥等工程中得到成功应用，取得良好施工效果。

6 经济效益分析

大水大街跨干渠桥桥面铺装面积为574.72m2，津海大街跨干渠桥桥面铺装面积为862.08m2，共1 436.8m2，如果采用环氧沥青混凝土，需花费1 436.8×1 600=229.888万元，如果采用超高韧性混凝土，需花费1 436.8×1 200=172.416万元，可节省57.472万元。

7 结语

通过应用超高韧性混凝土轻型组合桥面结构，有效解决桥面铺装层开裂、疲劳损坏等问题，确保铺装层不在运营期内频繁出现严重破损现象，无须常年检测加固，提高桥面板强度和韧性，有助于提高交通通行效率，保障交通安全。

目前大水大街跨干渠桥、津海大街跨干渠桥已投入运行，通行车辆多为重载车辆，未出现桥面铺装层开裂等病害。