快硬UHPC与预制构件组合工法应用于道路伸缩缝更换的研究

桂志伟，林晓峰，陶戴邦，季斌，张跃明，茅卫生，李欢欢

（1.上海城建物资有限公司，上海 200438；2.上海城市基础设施更新工程技术研究中心，上海 200032；3.上海市政养护管理有限公司，上海 201103）

0 引言

随着高速公路运营年限的延长和交通流量的日益剧增，桥面铺装将不可避免地出现不同程度的损坏，其中常见的典型病害包括铰缝铺装开裂、型钢伸缩缝破损和连续缝铺装开裂[1]。这3种病害不仅降低了行车的舒适性，而且加剧了车辆荷载对桥面的冲击，加速对铺装层的破坏，甚至引发交通事故等[2-3]。型钢伸缩缝装置是承受荷载的关键构件，其破坏形式包括：异型钢板破坏、锚固混凝土破碎和橡胶密封条老化、脱落[4]，一旦发生破坏，需及时采取针对性修复措施，以保障高速公路安全运行是分管后期道路运营单位的日常工作。目前，针对桥面铺装病害的治理方案较为单一，通常采用快硬混凝土、环氧树脂混凝土作为修复材料[5-7]。施工作业时间需要取得交通管理部门的审批，且封道时间短（7～8 h），需要完成老旧混凝土的切割、凿除、植筋、浇筑快硬混凝土，并完成养护等一系列工艺。受工期紧迫、养护不当、施工质量稳定性差等[8]综合因素影响，其质保期通常为1～3年，而型钢伸缩缝锚固端的修复质量最为堪忧，仅可使用3个月至1年，返修率极高，降低了高速公路的通行效率。

为解决上述难题，尤其是型钢伸缩缝的更换，本课题采用快硬超高性能混凝土（UHPC）[9]与预制构件组合工法，以工厂预制的C50混凝土构件为结构材料替代凿除的旧混凝土，现浇快硬UHPC作为灌浆料起粘结作用，将道路、预制构件连为一体，并在2～3 h内抗压强度快速达到30 MPa。实现对破坏部位的高效、高质、高耐久的修复与加固。

1 快硬UHPC的制备及性能

快硬UHPC是指在UHPC的基准配合比上添加凝结时间调节剂，得到的一种可在2～4 h内迅速凝结硬化，抗压强度达到30～40 MPa，后期抗压强度可以达到100～140 MPa的快硬超高性能混凝土。

1.1 原材料

水泥：金山P·Ⅱ52.5水泥，3 d抗折、抗压强度分别为6.3、32.5 MPa，28 d抗折、抗压强度分别为9.3、59.8 MPa；硅灰：比表面积23 m2/g；凝结时间调节剂：上海住总工程材料有限公司优耐特干粉砂浆分公司；砂：河砂，细度模数2.6；水：自来水；减水剂：西卡聚羧酸高效减水剂，减水率28%；钢纤维：φ0.2mm×13 mm直钢纤维。

1.2 配合比设计理念

快硬UHPC的配合比设计主要基于紧密堆积理论[10]，且综合考虑了胶结材料化学固化效果的双重影响。结合原材料的技术性能和配合比参数，最终得到的快硬UHPC配合比如表1所示。

表1 快硬UHPC的配合比 kg/m3

1.3 快硬UHPC的制备

将胶凝材料、凝结时间调节剂加入搅拌机中，混合均匀；加入与水混合均匀的减水剂，搅拌5～8 min；加入砂，搅拌3～5 min；最后边搅拌边加入钢纤维，待钢纤维完全加入后，继续搅拌3～5 min。搅拌完成后，进行扩展度及抗折、抗压强度测试。

1.4 快硬UHPC的流动性（见表2）

表2 快硬UHPC的流动性

由表2可见，快硬UHPC在0～30 s内扩展度快速增大；在30～72 s时，扩展度增速减缓；在72～120 s时，扩展度略微增大。30 s时扩展度可以达到280 mm，证明快硬UHPC具有良好的流动性，可以作为灌浆料使用。

1.5 快硬UHPC的力学性能

成型40 mm×40 mm×160 mm试件，对于早期龄期2 h、3 h的力学性能，在实验室条件下养护至指定龄期后脱模测试；对于1 d和28 d龄期的力学性能，在6 h后脱模，按标准养护方式[温度（20±2）℃，相对湿度≥90%]养护至指定龄期。试验中，为验证数据的离散性，先后进行了2次测试，结果如表3所示。

表3 快硬UHPC的抗折及抗压强度

由表3可见：

（1）2～3h时，快硬UHPC的抗折强度达到16.9～21.8 MPa，抗压强度达到30.5～38.0 MPa；到28 d龄期，抗折、抗压强度都有稳步的提高；28 d抗折强度超过30 MPa，抗压强度超过140MPa。

（2）以第1次测试结果为基准，2次测试结果在早期龄期时偏差为6.5%～14.8%，表明快硬UHPC在早期强度发展时，其速度较快，而测试时间间隔较短，也会引起数据的较大偏差；而1 d和28 d龄期时，2组数据的偏差在5%以内，说明快硬UHPC、在龄期稳定时，强度数据波动不大。

2 快硬UHPC与预制构件组合工法

2.1 组合工法的介绍

高速公路的单行车道，其宽度约为3.75 m，在维修型钢伸缩缝时，需要将损坏的混凝土彻底凿除，才能更换。如果凿除区域全部用快硬UHPC填充，则整体造价昂贵。利用在工厂预制好的单车道混凝土PC构件，在现场直接吊装，后调平至周围路面高度，最后再用快硬UHPC将连接部位的缝隙填充，可以大大减少快硬UHPC的用量，更加经济。

利用快硬UHPC作为PC构件与路面缝隙的灌浆料，这种工法，称之为快硬UHPC与预制构件组合工法。

2.2 组合工法的示范应用

按照表1的配合比进行多次试配测试，验证材料的稳定性。2021年在上海市沪金高速段选择了3处进行型钢伸缩缝的现场更换。施工过程中的现场照片如图1所示，各施工工序及耗时如表4所示。

表4 各工序耗时时间统计

图1 沪金高速示范项目各工序施工照片

由表4可见，从封闭交通到开放交通，共耗时7.5 h，接近交通运输管理部门给定的7h目标。

2.3 维修1年后的回访

示范项目应用1年后，对组合工法施工的地点进行了回访，现场照片如图2所示。

图2 示范项目组合工法回访

由图2可见，快硬UHPC与预制构件组合工法，经过1年多的应用，除边角粘结处有小的破坏外，型钢伸缩缝整体质量完好。

2.4 组合工法的经济分析

该示范应用工程原计划采用常用快硬混凝土进行修复，对采用快硬混凝土与预制构件组合工法修复进行对比，结果如表5所示。

表5 2种修复方法的技术经济性对比

由表5可见，组合工法的技术性、经济性最优，质保期约为快硬混凝土的4倍以上，年化成本约2000元/m，比快硬混凝土便宜约3000元/m。

3 结语

（1）掺加了凝结时间调节剂制备的快硬UHPC扩展度前期发展迅速，可在30 s内达到280 mm，施工性能优异，可实现免振捣自密实的功能。

（2）快硬UHPC可在3 h内抗折、抗压强度分别超过15、30 MPa，满足快速修补的需求；28 d抗折、抗压强度分别超过30、140MPa，表明其后期强度发展还有很大的空间。

（3）快硬UHPC与预制构件组合工法，经过多次实践，封闭交通时间7.5 h，完成维修施工，极大缓解了交通压力。

（4）与原结构修复工艺相对比，虽然组合工法的一次性修复成本高，但其整体强度高，施工质量容易得到保证，具有更长的服役寿命，综合折算经济性和技术性较优。