超高性能混凝土在寧波機(jī)場(chǎng)路南延工程中的規(guī)模化應(yīng)用研究

金增選

（寧波市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心，浙江 寧波 315040）

1 概述

發(fā)展建筑工業(yè)化是推進(jìn)綠色建造的有效方式。采用工廠化生產(chǎn)建筑構(gòu)件，具有進(jìn)度可控、質(zhì)量可控、成本可控等優(yōu)勢(shì)[1]。裝配化是橋梁工業(yè)化的主要特征，也是我國建設(shè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)與戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向[2]。裝配化橋梁的預(yù)制構(gòu)件在工廠制作，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)起吊安裝就位后，通過接頭構(gòu)造連接。濕接縫作為一種重要的連接形式，其性能對(duì)裝配化橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性至關(guān)重要。

超高性能混凝土（下文簡(jiǎn)稱UHPC）是由水泥、礦物摻合料、骨料、纖維、外加劑和水等原材料制成的具有高強(qiáng)、高韌、高耐久性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。UHPC 和鋼筋之間的握裹性好，粘結(jié)強(qiáng)度高，大幅減小鋼筋搭接連接的長(zhǎng)度；同時(shí)具有良好的流動(dòng)性，在免振搗的情況下能實(shí)現(xiàn)自密實(shí)，方便現(xiàn)場(chǎng)施工。以上優(yōu)點(diǎn)，使得UHPC 在預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)濕接縫應(yīng)用方面具有很好的發(fā)展前景。目前美國和加拿大UHPC 最主要的應(yīng)用為快速橋梁施工（ABC），即用于裝配式橋梁預(yù)制構(gòu)件的濕接縫連接[3]。湖南大學(xué)對(duì)普通混凝土預(yù)制板、UHPC 作為濕接縫的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元和試驗(yàn)研究，表明在純彎段普通混凝土處首先開裂且最終在純彎段內(nèi)普通混凝土處破壞[4]，湖南大學(xué)進(jìn)一步對(duì)橋面板濕接縫進(jìn)行了等高平口接縫和局部加高接縫的試驗(yàn)研究[5]。

寧波機(jī)場(chǎng)路南延工程的橋梁為公鐵一體化雙層高架結(jié)構(gòu)，全線標(biāo)準(zhǔn)段小箱梁和部分預(yù)制拼裝橋墩采用UHPC 作為濕接縫材料。該工程于2017 年開始施工，2019 年主體結(jié)構(gòu)施工完成，在設(shè)計(jì)施工過程中，國內(nèi)尚無關(guān)于UHPC 設(shè)計(jì)、施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。因此，作為UHPC 新技術(shù)在國內(nèi)規(guī)?；瘧?yīng)用的工程，重點(diǎn)開展了小箱梁濕接縫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、UHPC 施工和質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等方面的應(yīng)用研究，為UHPC 新技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展積累工程經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

寧波機(jī)場(chǎng)快速路南延工程是寧波市中心城區(qū)快速路網(wǎng)的重要組成部分，機(jī)場(chǎng)快速路南延工程北起鄞州大道，南至奉化岳林東路，全長(zhǎng)約18.8 km，線位見圖1。采用主線高架+地面道路的形式，其中11.8 km為機(jī)場(chǎng)快速路與城際鐵路一體化合建高架橋。主線高架和地面輔道均為雙向6 車道規(guī)模。單層高架斷面見圖2，共建段雙層高架斷面見圖3。

圖1 寧波機(jī)場(chǎng)路南延工程線位示意圖

圖2 單層高架斷面圖（單位：m）

圖3 2 共建段雙層高架斷面圖（單位：m）

機(jī)場(chǎng)快速路與軌道交通寧奉線共建，根據(jù)寧奉線的建設(shè)計(jì)劃，在開工后一年半內(nèi)要完成土建主體結(jié)構(gòu)施工，此外，現(xiàn)狀地面道路的車輛交通量大，以上兩方面的因素，均要求提高預(yù)制裝配率，并加快現(xiàn)場(chǎng)裝配施工速度。

快速路標(biāo)準(zhǔn)段上部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁、跨路口等節(jié)點(diǎn)處采用鋼－混凝土組合梁，快速路層的上部結(jié)構(gòu)100%采用預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)。其中小箱梁跨徑以30～35 m 為主，最大跨徑40 m。全線標(biāo)準(zhǔn)段小箱梁為采用UHPC 濕接縫，總長(zhǎng)約10 km。

小箱梁橫向濕接縫采用超高性能混凝土，鋼筋免焊接，且濕接縫寬度小，大幅減少現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的數(shù)量，可有效提高施工速度。

3 UHPC 應(yīng)用研究

3.1 UHPC 新技術(shù)應(yīng)用的質(zhì)量控制對(duì)策

在寧波機(jī)場(chǎng)路南延工程實(shí)施之前，UHPC 濕接縫已在部分工程中應(yīng)用，包括上海S3 公路3 km 長(zhǎng)的小箱梁濕接縫、上海嘉閔高架橋墩預(yù)制拼裝試驗(yàn)段、上海南浦大橋匝道改建等。

在本工程設(shè)計(jì)施工過程中，UHPC 材料在國內(nèi)處于應(yīng)用推廣階段，各廠家的UHPC 產(chǎn)品性能有差異、施工質(zhì)量參差不齊，國內(nèi)尚無關(guān)于UHPC 設(shè)計(jì)、施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)以上情況，為保證工程質(zhì)量，重點(diǎn)采取了以下應(yīng)用對(duì)策：

（1）UHPC 材料配合比檢驗(yàn)。

（2）濕接縫的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究。

（3）研究制定UHPC 施工和質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；加強(qiáng)施工過程的質(zhì)量管理監(jiān)督。

以上對(duì)策中，UHPC 的材料配合比檢驗(yàn)，目的是嚴(yán)格篩選UHPC 性能指標(biāo)符合要求的產(chǎn)品。對(duì)參加檢測(cè)的產(chǎn)品共進(jìn)行了三輪檢測(cè)，其中三家產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

本文重點(diǎn)介紹濕接縫的試驗(yàn)研究、施工和質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容。

3.2 UHPC 濕接縫連接技術(shù)及試驗(yàn)研究

3.2.1 UHPC 濕接縫性能特點(diǎn)

UHPC 細(xì)小顆?；旌狭系木鶆蛐愿撸≈睆蕉汤w維空間連接彌合微裂紋，因此，具有高強(qiáng)度，高致密的特點(diǎn)。與鋼筋之間的握裹能力強(qiáng)抗壓強(qiáng)度可達(dá)120～180 MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)6～10 MPa。防腐性能和耐久性能好。

在預(yù)制結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝的濕接縫中采用UHPC時(shí)，其主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）采用普通混凝土施工工藝，無需蒸養(yǎng)，常規(guī)養(yǎng)護(hù)；

（2）流動(dòng)性好，易于施工，可以免振搗；

（3）利用UHPC 優(yōu)異的抗拉性能和握裹能力，減少鋼筋錨固長(zhǎng)度（不小于5 d）；

（4）鋼筋定位難度遠(yuǎn)低于焊接方式；

（5）鋼筋不焊接，取消常規(guī)大量現(xiàn)場(chǎng)鋼筋焊接，縮短工期，降低施工難度。

3.2.2 小箱梁UHPC 濕接縫構(gòu)造

小箱梁鋼筋濕接縫寬250 mm，斷面見圖4。相鄰兩片梁的橫向預(yù)留鋼筋平面上交錯(cuò)布置，直接與UHPC 錨固傳力，鋼筋不需要焊接連接。UHPC 濕接縫鋼筋斷面見圖5，鋼筋布置平面見圖6。

圖4 小箱梁UHPC 橫向濕接縫斷面圖（單位：cm）

圖5 UHPC 濕接縫鋼筋斷面圖（單位：cm）

圖6 UHPC 濕接縫鋼筋布置平面

3.2.3 橋面板UHPC 連接試驗(yàn)

對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)符合要求的三種UHPC 產(chǎn)品（以下以分別以A1、A2、A3 作為三個(gè)產(chǎn)品代號(hào)），進(jìn)一步進(jìn)行濕接縫的構(gòu)件模型試驗(yàn)。按照工程實(shí)際的橋面板濕接縫尺寸，進(jìn)行橋面板接縫的靜力試驗(yàn)和工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證橋面板UHPC 濕接縫的靜力受力性能；試驗(yàn)接觸面不同處理工藝下，橋面板UHPC 濕接縫靜力受力性能，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

（1）試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

采用足尺構(gòu)件，濕接縫設(shè)企口縫、V 型縫和直縫三種接縫形式，見圖7?？p寬230～280 mm，平均縫寬250 mm。各板件尺寸、配筋相同，區(qū)別僅在于接縫界面形式。接縫界面形式見圖7。

圖7 預(yù)制混凝土界面處理形式（單位：mm）

單側(cè)鋼筋Φ12@100，相鄰兩橋面板在濕接縫位置的鋼筋交錯(cuò)布置，鋼筋間距@50 mm，不焊接。橋面板采用UHPC 連接，預(yù)制段為C50 混凝土，測(cè)試其抗彎承載力。

試件尺寸為1.45 m（長(zhǎng)）×0.775 m（寬）×0.2 m（高）。

三種UHPC 材料分別進(jìn)行三種接縫形式試驗(yàn)，共計(jì)制作9 個(gè)試件。同時(shí)，試件濕接縫界面進(jìn)行鑿毛和濕潤(rùn)的對(duì)比，具體試件參數(shù)見表1。

表1 試件參數(shù)表

試件制作照片見圖8。

圖8 預(yù)制混凝土界面照片

（2）試驗(yàn)加載

分級(jí)加載，每級(jí)20 kN，加載速率保持在1 min加到預(yù)定荷載，持荷5 min，確保裂縫及變形能夠充分開展，加載至40～80 kN，持荷觀察可能混凝土裂縫發(fā)展情況。

開裂后改變加載速率進(jìn)行加載，每級(jí)荷載30 kN。

（3）試驗(yàn)結(jié)果

圖9 試驗(yàn)最終破壞現(xiàn)場(chǎng)照片

以試件B-1 為例，說明試驗(yàn)破壞過程情況。在100 kN 的時(shí)候在普通混凝土上出現(xiàn)裂縫，該裂縫接近UHPC 結(jié)合面；120 kN 時(shí)UHPC 與普通混凝土交接面位置開裂，180 kN 時(shí)混凝土表面的裂縫寬度達(dá)到0.4 mm，220 kN 時(shí)混凝土表面裂縫寬度為0.6 mm，UHPC 粘結(jié)面上寬度為0.4 mm，360 kN 時(shí)東側(cè)加載點(diǎn)至粘結(jié)面位置出現(xiàn)斜向裂縫，480 kN 時(shí)受壓區(qū)普通混凝土位置/ 靠近UHPC 的部位，混凝土出現(xiàn)少量壓碎的情況，540 kN 粘結(jié)面位置混凝土壓碎。表面干燥面的破壞比濕潤(rùn)面更為嚴(yán)重。

其余各塊板的破壞過程基本相似，試驗(yàn)荷載及破壞情況見表2。

表2 試驗(yàn)荷載及破壞情況表

試驗(yàn)主要結(jié)論如下：

a.UHPC 濕接縫性能：普通混凝土最先出現(xiàn)開裂，然后是UHPC 與普通混凝土粘結(jié)面出現(xiàn)裂縫，UHPC 范圍內(nèi)未出現(xiàn)裂縫。

b.試驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC 濕接縫的承載力不低于預(yù)制段C50 混凝土，采用UHPC 作為預(yù)制構(gòu)件的濕接縫連接材料，可滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

c.本工程擬采用的三家UHPC 產(chǎn)品性能，均可滿足使用要求。

d.三種界面形式對(duì)比：對(duì)同一個(gè)廠家的UHPC材料，從開裂荷載來看，V 形界面＞凹槽界面＞平面界面；試件承載力方面，V 形界面明顯高于凹槽界面和平面界面，性能最優(yōu)，凹槽界面和平面界面承載力相近。

e.表面干燥與濕潤(rùn)對(duì)比：B1、B4、B7 兩側(cè)進(jìn)行了表面干燥與濕潤(rùn)對(duì)比，干燥面破壞均比濕潤(rùn)面嚴(yán)重，說明濕潤(rùn)面可使UHPC 和預(yù)制混凝土結(jié)合更好。

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f.經(jīng)表面鑿毛對(duì)比，三家材料均有比較一致的結(jié)論：凹槽界面的鑿毛面破壞更嚴(yán)重，對(duì)于平面界面，未鑿面的破壞更嚴(yán)重。一般情況下，鑿毛面的結(jié)合應(yīng)該更好，但本次試驗(yàn)凹槽界面的鑿毛面破壞更嚴(yán)重，可能與凹槽口尺寸只有2 cm，表面鑿毛影響槽口折角區(qū)的混凝土完整性有關(guān)。

3.3 UHPC 施工和質(zhì)量驗(yàn)收要求

為規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)施工，保證工程質(zhì)量，建設(shè)單位、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理，在以往工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本工程UHPC 配合比試驗(yàn)、濕接縫板試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)深入研究，制定相關(guān)技術(shù)要求，包括《UHPC 施工操作技術(shù)手冊(cè)》、《濕接縫施工階段UHPC 檢測(cè)要求》。

《UHPC 施工操作技術(shù)手冊(cè)》中，對(duì)各施工步驟均作了明確的規(guī)定，包括施工前準(zhǔn)備、攪拌、拌合物運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)等。

《濕接縫施工階段UHPC 檢測(cè)要求》中，明確規(guī)定UHPC 第三方抽檢的取樣、檢測(cè)指標(biāo)、合格判定等要求。

在施工過程中，嚴(yán)格按照技術(shù)要求執(zhí)行，加強(qiáng)質(zhì)量管理監(jiān)督。

本工程于2019 年完成主體結(jié)構(gòu)施工，2020 年通車，UHPC 濕接縫使用狀況良好。

4 結(jié)語

寧波機(jī)場(chǎng)路南延工程采用UHPC 作為小箱梁濕接縫，鋼筋免焊接，且大幅減少現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的數(shù)量，有效加快了施工速度，保證了共建的軌道交通寧奉線按期通車，并減少了施工對(duì)環(huán)境和交通的影響。

工程在小箱梁濕接縫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、UHPC 施工和質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行了應(yīng)用研究,主要結(jié)論如下：

（1）混凝土預(yù)制段裂縫先于界面接縫，UHPC 范圍內(nèi)未出現(xiàn)裂縫。表明UHPC 濕接縫的抗裂性和承載力不低于預(yù)制段混凝土，采用UHPC 作為預(yù)制構(gòu)件的濕接縫連接材料，可滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

（2）V 形界面形式抗裂性、承載力均最優(yōu)。

（3）界面濕潤(rùn)、鑿毛可使UHPC 和預(yù)制混凝土的界面結(jié)合更好。

（4）依托寧波機(jī)場(chǎng)路南延工程大量的應(yīng)用研究，形成UHPC 預(yù)制拼裝橋梁設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)、驗(yàn)收成套技術(shù)要求體系，進(jìn)一步推動(dòng)UHPC 新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。