现浇UHPC在桥梁工程中的应用

超高性能混凝土(UHPC)是指抗压强度大于100MPa,各项性能都十分优良的一种混凝土材料。以二航局修建的怒江二桥工程为例,重点介绍了在此工程中UHPC的原材料组成、配制方法、实验及现场浇筑施工等应用情况。对UHPC材料在工程中的应用前景进行了展望。

0 引言

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC),不同于普通混凝土,是指抗压强度大于100MPa,各方面性能都十分优良的混凝土。UHPC最早于1993年由法国的皮埃尔·理查德研究小组研制而成。加拿大利用UHPC材料修建了第一座UHPC景观桥,随后美国、欧洲等国也在一些公路桥梁等工程中开展了实际应用。

UHPC与普通混凝土的组成和配制方法不同,最大的区别在于其配制采用超低水灰比,添加高活性的火山灰掺合料,钢纤维和高效减水剂,以及不使用粗骨料,改为用高品质细集料来填充配制。制备UHPC的原材料主要包含高品质水泥、硅灰等活性掺合料、石英砂石英粉、钢纤维、高效减水剂等。UHPC拥有超高强度,超高耐久性,超高韧性等诸多优点。

通常UHPC的生产主要是以高温预制的方式进行,通过对成型后的UHPC试件进行加压,并采取高温蒸汽养护,可以得到不同强度等级的UHPC预制构件。据资料表明,UHPC在常温养护环境下也可被用作现场施工浇筑,现场浇筑出来UHPC性能指标较预制的低一些,抗压强度通常在100-150MPa之间。

当前,国内UHPC的应用途径很少,且主要以预制为主,比如高铁工程上使用的UHPC盖板等,很少有应用于现浇工程中,特别是UHPC应用于桥梁之中。本文以二航局修建的怒江二桥工程为例,介绍现浇UHPC在桥梁工程中的应用。

1 工程概况

UHPC应用依托的怒江二桥是由二航局修建的独塔单索面混合梁斜拉桥,跨径组合为81+175m,总体布置如图1所示,桥面宽度32m,采用塔、墩、梁固结体系。RC桥塔高70m,斜拉索采用平行钢丝体系,扇形布置。为减小边中跨比并提高主跨跨越能力,主梁采用混合梁,主跨采用钢箱梁,截面如图2所示。边跨采用预应力混凝土箱梁,标准截面如图3所示。钢混结合段设置在主跨侧距桥塔中心线8.75m处。

现浇UHPC在桥梁工程中的应用插图

图1 怒江二桥总体布置图Fig.1Layout of Second Nu Jiang bridge

现浇UHPC在桥梁工程中的应用插图1

图2 钢箱梁标准截面Fig.2Standard section of steel box girder

现浇UHPC在桥梁工程中的应用插图2

图3 预应力混凝土箱梁标准截面Fig.3 Standard section of prestressed concrete box girder

边跨采用满堂支架现场浇筑施工。考虑到桥位处怒江水流速度高达5~6m/s,水路运输和栈桥搭设都难以实现,因此钢箱梁采用现场组拼-缆索吊吊装的工艺施工。

钢混结合段是混合梁斜拉桥受力最关键的部位,设计阶段原先考虑结合段内腔混凝土采用C55,与此对应,施工阶段斜拉索张拉需分阶段进行,为简化施工工序,施工控制提出采用斜拉索一次张拉到位的工艺,而为保证钢混结合段受力满足要求,需提高结合段混凝土强度,因此,提出将内腔C55混凝土换成强度可达100MPa的UHPC。

2 实验

2.1 UHPC材料组成与试配

此次施工采用UHPC在工厂混和完成,袋装运输到现场,然后加水拌和的工艺。UHPC的组分含有:中热水泥,粉煤灰,硅灰15-20%,磨细石英砂粉(胶砂比约为1:1),混杂纤维(其中钢纤维长度2cm,长径比1/65-1/80,掺量为体积比1.5%;聚丙烯纤维),粉体聚羧酸外加剂,减水率约为36%。现场拌和水胶比0.18-0.20,试拌混凝土强度见表1,用水量9.5%,试件尺寸均为100×100×100mm。

2.2 模型实验

在指挥部协调下,在现场进行了混合梁结合段混凝土模型试验,实验结果见表2和表3。试验内容包括浇筑工艺以及荷载试验,试验结果满足预期目标。

现浇UHPC在桥梁工程中的应用插图3

图4 混合梁结合段模型Fig.4Joint girder model

3 UHPC现场施工

UHPC的生产在工程现场的商品混凝土站,一台站拌和普通的C55混凝土,一台站拌和UHPC。袋装UHPC从拌合站的砂石料仓加入,加水搅拌5-10分钟(实际经过三轮调试后,搅拌时间为5分钟),然后由混凝土搅拌车运输至现场,通过泵输送至仓面。一个仓连续不停的进行UHPC的搅拌供应现场,总浇筑方量为90m3,最终总浇筑时间为16h。

混凝土每罐搅拌约2方混凝土,控制下料重量5000kg左右,加水470kg左右,调试过程稍有10kg左右的微调。

现浇UHPC在桥梁工程中的应用插图4

图5 UHPC生产搅拌站Fig.5Production mixing station of UHPC

现浇UHPC在桥梁工程中的应用插图5

图6 UHPC下料生产Fig.6 Production of UHPC

由于UHPC没有粗骨料,且流动性好,初凝时间长,因此容易发生漏浆,对浇筑空间的密闭性要求较高。因此,浇筑前需对模板以及钢箱梁形成的腔室进行仔细检查,尽量不要出现较大的缝隙,发现有缝隙应采用土工布塞堵等方法进行处理。

现浇UHPC在桥梁工程中的应用插图6

图7 UHPC浇筑布置Fig.7Placement of UHPC

现场泵送采用一台天泵,先浇筑底板部分C55普通混凝土,然后浇筑UHPC,后续依次交替进行。C55混凝土与UHPC交界处,加强该处混凝土的振捣,试验发现混合后强度介于C55与UHPC之间。

现浇UHPC在桥梁工程中的应用插图7

图8 泵送浇筑UHPCFig.8Pump casting UHPC

通过现场浇筑UHPC,总结出UHPC在浇筑施工时需要注意以下事项:

1、UHPC离差系数大,对加水量误差非常敏感,要求现场原材料、水计量非常精确。

2、UHPC粘度较大,在采用泵送施工时不宜中断,现场检验UHPC泵送性能良好。

3、UHPC坍落度很大,没有粗骨料,现场模板要求密封严密,否则容易漏浆。

4、UHPC搅拌时间大于普通混凝土,混凝土生产效率较低,搅拌时间3-5分钟。

4 UHPC应用展望

UHPC拥有极佳的力学性能和耐久性能,尤其是其抗弯折强度较普通混凝土大幅提高,可以有效提升增强桥梁结构的各项性能,延长桥梁服役使用的周期。UHPC由于其独特的超高性能,可以展望其在以下桥梁工程中的应用:

(1)UHPC用于钢结构桥面铺装。钢结构桥梁具有重量轻,跨度大的优势,桥面铺装通常采用沥青,沥青与钢结构结合力差,如果桥面车辆载重大,容易造成沥青层的快速脱落,甚至会损坏钢箱梁,对结构造成危害。在钢结构箱梁与沥青层之间施加一道薄层UHPC,可以起到减缓钢箱梁承载变形能力,延长桥面沥青层的使用寿命。

(2)UHPC用于设计新型桥梁结构形式。由于桥梁施工装备化的快速发展,如今的桥梁结构形式也越来越多样化。UHPC的超高力学性能,可以用来替代普通混凝土设计轻薄型桥梁结构,比如薄壁箱梁的预制。此外,UHPC还可与钢管复合用来配制高强钢管混凝土,增大拱桥的跨径。

(3)UHPC用于桥梁关键结构受力部位。桥梁局部受拉、局部受压,以及结合段等一些关键受力部位,是容易疲劳开裂破损的部位,往往对材料的力学性能要求更高。使用UHPC替代普通混凝土进行施工设计,有助于增强结构受力。

(4)UHPC用于桥梁的结构维修加固。桥梁在经过长时间服役后由于受到荷载、环境侵蚀作用,会出现局部破损甚至开裂的现象。通过清除腐蚀破坏的旧混凝土层和更换锈蚀钢筋,浇筑UHPC保护加固层形成复合结构,可以大幅提高损伤部位的耐久性,延长结构的寿命。

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