UHPC桥面整体化层：两座法国高速公路桥梁实例

1、前言：背景和范围

本论文总结了法国中东部的一家高速公路运营商（APRR，负责巴黎至里昂等主要高速公路）在2021年和2022年使用现场浇筑UHPC进行桥面修复工程时所获得的经验，以及该运营商的顾问Cerema（法国高速公路技术机构）与古斯塔夫·埃菲尔大学（包括前法国公共工程研究所）共同代表第三方对这些工程进行评估。直到最近，在法国，现场实施UHPC整体化层在混凝土桥面上并不常见，法国更多地在预制UHPC梁解决方案上积累了经验（Toutlemonde等，2018年）。事实上，2016年至2018年间发布了三个互补标准NF P18-710、NF P18-470和NF P18-451，分别涉及UHPC结构设计、材料规范和UHPC结构的施工执行。这些标准是根据预制产品的共同规则进行修订的，并可用于更轻松地实施UHPC项目。尽管在普遍意义上已有十多年的认可（Thibaux，2011年），并且在瑞士得到了广泛应用（Brühwiler＆Denarié，2013年；Moreillon＆Ménetrey，2013年；Brühwiler，2017年），但在法国，UHPC用于桥面加固工程却主要是对正交异性钢桥面进行的试验（Hajar等，2013年）。因此，在法国中东部（Burgundy地区）两座大型高速公路桥梁上近期的经验，特别是在防水、耐久性以及其中一种情况下由配筋UHPC薄层提供的结构加固方面的特殊要求，强调了需要特别注意的具体问题。本文旨在总结这些技术和组织上的经验，并与承包商、UHPC供应商和技术监督人员分享，以促进这类重大养护工程的技术成功和性能，从而为公路养护部门提供具有可持续、安全和经济的方案。

2、桥面修复工程

2.1 总体

UHPC整体化层用于混凝土桥面加固的一般优势包括：通过材料性能的优化，实现附加恒载的最佳化；缩短施工期限（材料迅速硬化）；提高修复工程效率（锚固长度更短、刚度高、徐变小、材料施工容易、耐久性好）。根据NF P18-710附录V（V.1和V.4条款），修复后的混凝土-UHPC复合桥面的设计是可行的。NF P18-451则特别关注表面处理和接缝等方面的处理施工过程，尤其在8.2.4、8.4.1.1、8.7和9条款中有所涵盖。然而，针对UHPC整体化层的防水性能文件并未完全体现，并且在标准和技术审批方面不如沥青解决方案得到充分覆盖。

2.2 A36高速公路上的华伦型桥梁

对于跨越索恩河部分水道的长度为100m的双幅桥，其具有横向Warren型钢桁架梁和由正交异性钢板与普通钢筋混凝土连接而成的复合桥面结构，将通过将沥青层增厚至50mm来解决重复的铺装磨耗层损坏问题，同时为保持桥面的刚度，防水功能层则由35mm厚的UHPC材料来替代原有的15mm厚桥面混凝土，并取代原有的沥青防水系统（见图1），UHPC还应作为边梁侧缘的保护层进行实施。        

图1：在Warren型A36桥上的UHPC整体化层

替代顶部混凝土板并通过专门的防水测试

这个工程的主要面临的问题包括确保整体化层与现有混凝土的良好粘结和保证整体化层的防水性能，因此需要规定T3级别（硬化）UHPC混凝土配合比，限制由约束引起的开裂，并提出有针对性的接缝设计构造和施工措施，现场作业每块桥面板在十天内完成。为了减少风险，选择了一种含3.75%纤维含量的硬化型UHPC混凝土配合比，根据其技术参数进行选择，并规定了两种不同的流动性水平（分别用于桥面板和边梁侧缘），并通过调整高效减水剂的用量来实现。适应性测试包括按顺序验证UHPC要求（现拌和硬化后的UHPC技术）和施工工艺的可实现性，尤其是关键细节（侧梁边缘的接缝、膨胀端接缝、排水口），在一个大型（5m x 10m）模拟台上进行，该模拟台模拟了桥面板的2%坡度。

通过对这个模型的UHPC试验实施，我们调整了整平方法（全长振动刮平板）和表面粗糙度的验收标准（UHPC浇筑前的普通混凝土的粗糙度和沥青混凝土实施前经过水压清洗的UHPC表面粗糙度）。48小时浸泡后，成功验证了无肉眼可见裂缝和防水效果。第一座桥在生产期间遇到了严重的温度变化，对现拌UHPC流动性的一致性造成了困扰，导致含气量的变化较大，需要调整外加剂来减少气泡含量，并要求对整平所存在的问题进行调整，设置必要的横向接缝是必不可少的，然而，对于第二块桥面板，UHPC的生产规律性显著提高，因此实施进度得到了保证。

2.3 Pont d'Ouche高架桥

Pont d'Ouche双幅500米长高架桥的修复工作是为了解决侧向安全栏杆的承载能力不足，无法满足更新后的重型车辆荷载要求以及对Ouche河谷环境的保护需求。因此，UHPC整体化层提供了防水功能，并增加中间桥面板的抗弯承载能力，厚度仅为35mm，并为承受侧向动态荷载增强钢筋锚固，在护栏位置增加到60mm厚度（见图2）。此外，一个40mm的连续UHPC层作为护栏底座应用于保护侧梁表面。

图2：在Pont d'Ouche多跨度预应力混凝土梁双桥上的UHPC整体化层

防水、表面保护和安全栏杆锚固的结构加固。

对UHPC工程实施的有利条件包括高速公路运营商（APRR）、监理机构（Ingérop）、UHPC预拌材料供应商（Vicat）以及内部控制实验室（Sigmabéton）在之前A36桥的工程中的经验。因此，对于UHPC的现拌控制技术已得到改善，在适应性测试和现场施工开始之间设定了更长的延迟时间，并预计对试验试件进行全面的验证。此外，承包商在整体化层施工方面的经验保证了生产效率的提高，采用强大的搅拌机并使用定制的整平机确保UHPC的施工和表面的平整。

该项目所面临的困难包括与现场操作控制时间相关的严格要求，这是因为高速公路的使用情况决定的。2022年第一座桥梁整体化层的实施被分为三个阶段（两个半幅桥面加上边梁）；还需要注意使用原型搅拌机、包含纤维的预混材料的原材料生产、两个承包商管理两种UHPC混合物（一个负责桥面水平部分，一个负责边梁），以及由此引起的组织接口问题。此外，2022年第一次桥面修复的气候条件非常恶劣，夜间温度几乎未低于25°C，而白天外部温度达到36°C。在这些限制条件下确保令人满意的实施效果，不得不采取一些紧急或有风险的调整措施，例如：修改混合顺序：将纤维混入干混料中；紧急强制浇筑接缝；UHPC表面的验收工作尚未完成和缺陷尚未修复时，就开始实施沥青混凝土层；以及未准备好用于实现边梁整体化层的UHPC料斗，导致了偶发的问题。

3、从中吸取的教训

3.1 项目准备和合同规范

该项目的技术要求基于一系列法国UHPC标准，并补充了几项SIA 2052规定，用于细节设计和变形限值的设定。对于仅用作防水层的UHPC，可能不需要符合NF P18-710的要求，该标准放宽了最小抗压强度的标准。然而，建议使用符合NF P18-470定义的硬化型T3型 UHPC，以保证防裂效果。此外，适用结构设计规则（例如在Pont d'Ouche案例中承受意外冲击力的钢筋粘结）要求使用S-UHPC型材料。事实上，目前可用的纤维含量较高的混凝土配比，在现场生产时很难达到150 MPa的最低特征强度要求。为确保即使是较低抗压强度的UHPC也具有可接受性，通过模拟试验验证了钢筋锚固的能力，以确保有足够的安全余量，超出了设计要求的范围（图3）。这样的测试结合了对代表性模型进行防水验证（图4），推荐在开始实际生产之前安排适当的时间进行适应性测试和可能的方案调整。

由于难以测量 钢纤维含量较高的UHPC的氯离子渗透系数，因此很难准确验证其在耐久性方面与NF P18-470的符合性。具体来说，加速氯离子渗透所施加的电位差会产生一个电流，无法证明当纤维含量足够高时对材料导电性的增加是否影响其氯离子渗透率。作为一种过渡措施，已决定对不含纤维的配比进行氯离子渗透系数进行验证和控制。

图3：UHPC中钢筋锚固测试

图4：防水效果测试的模型塌陷测试

3.2 现场生产和供应UHPC配合比

UHPC的同一预混料用于工程的不同部分，具有不同的搅拌机和外加剂剂量，已确认总结材料性能的“身 份证”应与生产技术条件明确相关。实际上，UHPC特性的数值列表肯定不是商业预拌混合料的固有属性，此外，预拌混合料对水需求的变异性，可能会因严重的热条件而被放大，并增加最终特性的变异性。总之，根据搅拌机的容量和搅拌功率以及为达到Ct到Ca一致性而调整的减水剂含量，搅拌的持续时间从10到45分钟不等，由于混凝土中纤维取向、含气量和纤维局部含量的混合后分布情况不同，所以其拉伸行为主要是T2或T3级别的。基于真实设施进行试验生产的UHPC混凝土配合比的代表性资格（适应性测试）因此被确认为评估符合性的关键因素，即实际达到项目规范的有效性。

混凝土添加剂的热敏感性被证明是非常关键的，因此需要保持其效能。夜间结冰强调了适当的储存条件和投入搅拌机前的重复搅拌均匀化的必要性。高温天气导致构成材料的初始温度超过25°C，需要适应减水剂用量和搅拌时间的调整。这些调整在适应性测试阶段无法完全测试。建立了一个决策方案，基于频繁的流动性测量，并设定了目标控制值范围和误差的可接受范围。如果控制值超出误差范围，应采取纠正措施（例如略微增加减水剂用量或增加搅拌时间），并通过检查下一次混合物的控制值来验证此修正的有效性以使其回到严格的可接受范围内。如果减水剂用量有重大修改，则需要制作试样来控制硬化UHPC的抗压和抗拉特性。严格遵守该方案是一种约束，尽管它有利于生产材料的一致性。需要注意减水剂用量增加带来的副作用，例如增加空气含量和粘度。实际上，以适当的速率进行现拌UHPC供应，以便能够无间断地进行施工，被证明是成功的关键，而对此产量的预期也变得至关重要。在启动UHPC生产之前，必须仔细检查混合物的精确计量和有效配合比例及混合顺序的跟踪控制，并有效地引入纤维。

3.3 UHPC的施工和施工后处理、施工组织

根据工地经验，现拌UHPC混凝土一致性的偏差以及对已施工材料的进一步影响产生了明显后果。过高的粘度会消耗施工中的能量，塌落流动度减小，特别是在没有提供自动整平机的情况下（图5），这可能导致UHPC已浇筑区域出现过厚的“波浪”。过高的流动性可能导致离析和纤维团块，在确保厚度控制之前，需要通过仔细的目视检查来消除这些纤维团块（图6）。即使一致性较好，如果基质更黏稠（图7a），纤维仍然会沿着基质流动方向排列，而不是保持随机分布，除非整平机整平混合物时不需要消耗过多能量（图7b）。

图5: UHPC整体化层整平

图6:整平机进行厚度整平之前利用手动挂板整平

图7a所示:UHPC由预混组分制成

触变性稠度，表面硬化和水处理后沿整理方向取向的纤维

图7b:用相同成分制造的UHPC

流体稠度(+2千克/立方米SP剂量)随机纤维取向

图8: UHPC机械整平过程中，同时手动整平

连续供应超高性能混凝土(UHPC)，以避免间断供应和防止冷接缝的情况，被证明是可取的，并需要提前做好准备，以避免在“边缘”或端部接缝处进行少量UHPC浇筑。随后，需要组建一个数量多且技术娴熟的队伍来进行UHPC铺设（图8）。此外，确认需要注意对粗糙度和干燥表面进行处理，以获得现有混凝土与UHPC连接的性能，这一点从控制模型上的拉拔试样结果中得到了证实，这促使在UHPC施工前进行表面粗糙度处理。在经过浇筑后立即处理和彻底固化后的UHPC表面进行高压水喷洗，并在沥青路面层施工之前适当延迟也被证明是必要的步骤，可以作为最后纠正UHPC实施可能存在缺陷的机会。

4、结论

从最近对A36型沃伦桥和Pont d'Ouche高架桥的经验中，确认了UHPC在桥面修复中的价值。确保实际建设的工程效率以满足设计预期，主要依赖于施工组织和控制。现场供应的UHPC质量（取决于搅拌机容量、成分的控制和储存、对热敏感性的预测等）以确保流动性的一致性并促进顺利施工已经成为关键因素，也需要从合同和组织层面提前考虑和确保。对UHPC整体化层的有效耐久性进行监测，并通过在高速公路站点上提交具有代表性的板块试件进行自然老化测试（包括除冰盐雾）。这些修复作业的进一步经验教训总结应包括：施工人员的“UHPC资质”培训，对部分加固细节规定的修订，及早准备，适应性试件生产和程序验证。这些教训应成为一份指导文件的基础，为工程建设者准备，以帮助他们成功地进行UHPC的修复作业。它们还可以帮助下一个计划中的UHPC现场实施，用于钢桥面板或涵洞的修复。

参考文献

[1]孙向东， 马玉全， 田月强. 超高性能混凝土桥梁设计与施工关键技术问题探讨[J]. 广东公路交通， 2019， 045(005):25-30.

[2]François Toutlemonde. UHPC Bridge Deck Overlays: Feedback of Two Realizations on French Motorways[C]. Third International Interactive Symposium on Ultra-High Performance Concrete 2023

文章来源：鼎兴土木