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干货！UHPC预制桥面板的研发与应用

来源：混凝土与水泥制品杂志（id:hntysnzp）

摘   要：为满足广州鹤洞大桥（东西引桥）大中修工程H线引桥用超高性能混凝土（UHPC）预制桥面板的设计指标要求，通过原材料优选、配合比设计及力学性能试验，研究了石英砂级配和掺量、复合掺合料掺量及内养护剂掺量对UHPC工作性和力学性能的影响，制备了各项性能指标均满足设计及施工要求的UHPC。同时，其24 h立方体抗压强度达到设计强度的70%以上，满足拆模起吊要求。

关键词：预制桥面板；超高性能混凝土；早期强度；收缩；弹性模量

0   前言

随着桥梁结构的日益轻量化和高强化，近年来，超高性能混凝土（以下简称UHPC）被应用于桥面板。钢-UHPC组合桥面结构具有局部刚度大、耐久性能好等优点，能解决传统钢桥面板易疲劳开裂以及沥青混凝土铺装层使用寿命短、易开裂、车辙、壅包等典型病害问题。目前已投入使用的湖南益阳青龙洲大桥为钢-UHPC结构，其桥面板厚22 cm，设计强度等级C140。本文中的广州鹤洞大桥（东西引桥）大中修工程H线引桥上部结构改造方案也采用钢-UHPC组合结构，主要由纵梁、中横梁、箱型横梁及UHPC预制桥面板组成。H线引桥全长465 m，共7联31跨，预制桥面板数量为880块，多为不规则板，板厚18 cm，设计强度等级为C160。本文拟通过原材料优选、配合比设计及力学性能试验，研究石英砂级配和掺量、复合掺合料掺量及内养护剂掺量对混凝土的工作性和力学性能的影响，制备性能满足预制桥面板要求的UHPC，并应用于实际工程。

1   原材料

1.1   胶凝材料

（1）水泥：海螺P·Ⅱ 52.5R水泥，主要物理力学性能见表1。

（2）硅灰：四川某公司产，主要性能指标见表2。

（3）复合掺合料：由矿渣、钢渣、粉煤灰和偏高岭土等经磨粉工艺加工而成，主要性能指标见表3。

1.2   细骨料

粒径为0.075~0.212 mm、0.15~0.38 mm、0.15~0.55 mm、0.212~0.38 mm、0.38~0.65 mm、0.38~0.83 mm、0.55~1.0 mm、0.65~1.0 mm、1.0~2.36 mm连续级配的石英砂以及平均粒径为6.5 μm的石英粉，其化学成分见表4。

1.3   功能性材料

（1）减水剂：武汉某公司产的高性能聚羧酸减水剂，固含量为33%，减水率为34.6%。

（2）内养护剂：自制，一种多孔无机材料与有机吸水聚合物依靠硅氧化学键结合的复合材料。

（3）钢纤维：平直型镀铜钢纤维，长度13 mm，直径0.2 mm，抗拉强度大于2 850 MPa。

2   试验方法

参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行坍落扩展度测试；参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量测试，其中，立方体抗压强度测试试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm；轴心抗压强度和弹性模量测试试件为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体；参照T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能与试验方法》进行轴心抗拉强度测试；参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行收缩率测试，测试试件为100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体。采用高温蒸汽养护，养护温度不低于90 ℃，养护时间48 h，然后同条件养护至28 d。

3   配合比设计

3.1   设计思路

UHPC预制桥面板设计强度等级为C160，具体指标要求见表5。

由表5可知，设计要求的钢纤维掺量较高，可能导致UHPC拌合物工作性较差，浇筑、振实难度较大。同时，其它各项指标也均要求较高，尤其是弹性模量。为此，提出以下几点配合比设计思路：

（1）适当提高胶凝材料总量，相对降低石英砂总量，并采用适量的复合掺合料替代部分水泥，增强浆体对钢纤维的包裹性，降低UHPC拌合物的黏度，提高其流动性。

（2）采用不同级配的的石英砂，研究其对UHPC立方体抗压强度和弹性模量的影响，优选出最佳的石英砂颗粒级配。

（3）利用水泥的早强性和石英粉的填充性，提高基体密实性和早期强度，保证24 h立方体抗压强度能达到设计强度的70%及以上，实现快速拆模起吊，提高模板台座周转效率。

（4）采用内养护剂来保证水泥水化的充分性，提高早期养护效果，增加UHPC早期强度，并保证后期水化的持续性，降低早期收缩应力的同时也降低28 d收缩率。

3.2   配合比设计

依据最紧密堆积原理，经理论计算与试配，得出基准配合比，见表6。

4   试验研究

4.1   石英砂级配对UHPC性能的影响

在基准配合比上，研究15组石英砂的级配对UHPC性能的影响，见表7。其中，S11~S15组石英砂颗粒粒径总体较大，S6~S10次之，S1~S5最小。

图1为石英砂级配对UHPC性能的影响。由图1可知：

（1）随着石英砂粒径的减小，UHPC拌合物的坍落度降低，28 d弹性模量减小，但降低幅度各有不同，S1~S5、S6~S10、S11~S15的坍落度分别降低了17.3%、8.2%、8.6%，对应的28 d弹性模量分别降低了3.2%、3.1%、2.9%。

（2）石英砂级配在S1~S5和S11~S15之间变化时，28 d立方体抗压强度随着石英砂粒径的减小而降低，降低幅度分别为9.1%、9.3%。当石英砂级配在S6~S10之间变化时，28 d立方体抗压强度随石英砂粒径的减小先增加后降低，推测可能与混凝土基体的密实性有关。

（3）石英砂级配在S1~S5之间变化时，28 d轴心抗拉强度随着大粒径石英砂比例的降低而降低，而在S6~S10和S11~S15之间变化时，28 d轴心抗拉强度随大粒径石英砂比例的降低先增加后降低，这不仅与基体的密实度有关，也与基体中界面过渡区黏结力的大小有关。混凝土基体越密实，可承受的拉应力越高，其28 d轴心抗拉强度越高，而大粒径的石英砂越多，界面过渡区黏结力越小，能承受的拉应力越小，其28 d轴心抗拉强度越低。

综上，可分别优选出石英砂级配在S1~S5、S6~S10和S11~S15之间变化时对应UHPC性能较好的组别，即S1、S8和S13组。其性能测试结果见表8。由表8可知，S1、S8和S13级配下，UHPC的性能均能满足设计要求，但考虑到浇筑施工对UHPC拌合物流动性的要求及强度富余系数（大于1.1），优选S13组为最佳颗粒级配，并以此作为后续研究基础。

4.2   复合掺合料掺量对UHPC性能的影响

在胶凝材料总量不变的条件下，研究复合掺合料掺量对UHPC性能的影响，试验配合比见表9，试验结果见图2。由图2可知：

（1）随着掺合料掺量的增加，UHPC拌合物的流动性增大，增幅可达20.0%，28 d立方体抗压强度、轴心抗拉强度和弹性模量均先增加后降低，而28 d

收缩率则先减小后略有增大；随着复合掺合料掺量的增加，UHPC的24 h立方体抗压强度逐渐降低，当掺量增加到125 kg/m3时，该值降至105.6 MPa，低于设计强度的70%（112 MPa），不能满足起吊要求。综上，复合掺合料的最佳掺量为100 kg/m3。

4.3   石英粉掺量对UHPC性能的影响

研究石英粉掺量对UHPC性能的影响，试验配合比见表10，试验结果见图3。

由图3可知，UHPC拌合物流动性随着石英粉掺量的增加而降低，降幅达22.1%，说明石英粉的掺入会降低UHPC拌合物的流动性；随着石英粉掺量的增加，UHPC的28 d立方体抗压强度、轴心抗拉强度、弹性模量均相应提高，增幅分别为11.9%、9.6%、4.3%，但28 d收缩率则先降低后增大，这是因为过多地掺入石英砂会导致吸附更多的减水剂和拌合水，硬化过程的干燥收缩会增大。综上，石英粉的最佳掺量为35 kg/m3。

4.4   内养护剂掺量对UHPC性能的影响

研究内养护剂掺量对UHPC性能的影响，试验配合比见表11，试验结果见图4。

由图4可知，随着内养护剂掺量的增加，UHPC拌合物的流动性降低，但降低幅度不大，仅为9.5%，说明内养护剂在该掺量范围内对UHPC拌合物的流动性影响较小；随着掺量的增加，UHPC的28 d立方体抗压强度、轴心抗拉强度、弹性模量先增加后略有降低，而28 d收缩率逐渐降低，最低降至108με。综上，内养护剂的最佳掺量为5 kg/m3。

综合考虑上述试验结果，满足设计及施工要求的预制桥面板用UHPC最佳配合比见表12，并以此进行UHPC预制桥面板的生产。

5   工程应用

试验研究成果应用于广州鹤洞大桥（东西引桥）大中修工程H线引桥的UHPC预制桥面板，该桥面板的横向钢筋直径为16 mm，按照10 cm间距布置，分上下两层，同排间距为12.2 cm；纵向钢筋直径12 mm，按照8 cm间距布置，分上下两层，同排间距为9.0 cm。横、纵向钢筋均采用HRB400钢筋，桥面板两端钢筋伸出长度均为35 cm，横向钢筋净保护层厚度为2 cm。拉筋采用直径为8 mm的HPB300钢筋，纵横向每间距4个网格布置一处；吊钩采用直径为20 mm的HPB300钢筋，通过对原材料、生产工艺、浇筑振捣工艺及高温蒸汽养护过程等的全方面管控，所制得的UHPC预制桥面板表面无裂缝、蜂窝、麻面、空洞、砂眼等外观质量缺陷，同条件养护的UHPC留样试件的性能测试结果见表13，成品见图5。由表5、表13和图5可知，采用表12配合比制备的UHPC试件的各项性能均满足相关要求。

6   结论

（1）大粒径石英砂的掺入有利于提高UHPC拌合物的流动性和立方体抗压强度以及弹性模量，并可降低收缩，但会降低轴心抗拉强度。因此，需考虑适当的颗粒级配。

（2）复合掺合料、石英粉和内养护剂的协同作用，可在保证UHPC拌合物流动性的同时，提高基体的密实性和强度，降低收缩。

（3）通过试验优化石英砂的颗粒级配、复合掺合料、石英粉以及内养护剂的掺量，配制出了各项性能指标均满足设计及施工要求的UHPC预制桥面板用混凝土，并成功应用于实际工程。

（编辑：奚雅青）