交通运输研究 >

2024 , Vol. 10 >Issue 2: 97 - 109

DOI: https://doi.org/10.16503/j.cnki.2095-9931.2024.02.011

技术前沿

低收缩免蒸养UHPC桥面铺装材料性能及构造设计

  • 顾松 , 1 ,
  • 魏道新 2 ,
  • 马磊 3, * ,
  • 杨碧宇 1 ,
  • 郭为强 3
展开
  • 1 昭通昭阳绕城高速公路投资开发有限公司，云南 昭通 657000
  • 2 交通运输部科学研究院，北京 100029
  • 3 清华大学 土木水利学院，北京 100084
* 马磊（1998—），男，宁夏固原人，硕士研究生，研究方向为水泥混凝土材料研发与应用。 E-mail: l-ma21@mails.tsinghua.edu.cn

顾松（1978—），男，云南昭通人，高级工程师，研究方向为水泥混凝土道路工程。 E-mail:

收稿日期: 2024-02-01

  网络出版日期: 2024-06-24

基金资助

云南省交通运输厅项目(云交科教便〔2021〕25号)

收起

Material Performance and Structural Design of Low-Shrinkage and Non-Steam-Cured UHPC Overlay for Bridge Deck Pavement

  • GU Song , 1 ,
  • WEI Daoxin 2 ,
  • MA Lei 3, * ,
  • YANG Biyu 1 ,
  • GUO Weiqiang 3
Expand
  • 1 Zhaotong Zhaoyang Expressway Investment and Development Co., Ltd., Zhaotong 657000, China
  • 2 China Academy of Transportation Sciences, Beijing 100029, China
  • 3 School of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Received date: 2024-02-01

  Online published: 2024-06-24

Fold

摘要

为减少超高性能混凝土（UHPC）的收缩变形并降低养护成本，以多孔烧结铝矾石（CB）骨料作为内养护剂，研发了一种低收缩免蒸养的UHPC。通过室内试验，对自研UHPC的力学和变形性能进行了测试与评估。通过有限元数值模拟，分析了UHPC桥面铺装层的早期温湿度应力演化规律。结果表明，自研UHPC在免蒸养条件下仍然具有超高强度，28 d抗压强度达154 MPa，28 d劈裂抗拉强度达19.3 MPa；含CB骨料UHPC的28 d自收缩变形仅为160 μm/m，可有效降低UHPC铺装层发生翘曲、与下层混凝土发生脱粘的风险；UHPC的耐磨耗和抗冲击性能远优于普通混凝土，可延长桥面铺装层的使用寿命。数值计算结果表明，UHPC铺装层的最大拉应力受铺装层厚度和长度影响不大，因此不需要切缝。为增强UHPC铺装层与基层之间的黏结性能，基层混凝土表面应做粗糙化处理（露石表面），基层与UHPC铺装层之间按设计进行植筋。通过上述研究，验证了采用自研UHPC作为混凝土桥面铺装层的可行性。

关键词： 超高性能混凝土; 桥面铺装; 低收缩; 免蒸养; 早龄期应力

本文引用格式

顾松 , 魏道新 , 马磊 , 杨碧宇 , 郭为强 . 低收缩免蒸养UHPC桥面铺装材料性能及构造设计[J]. 交通运输研究, 2024 , 10(2) : 97 -109 . DOI: 10.16503/j.cnki.2095-9931.2024.02.011

Abstract

To reduce the shrinkage deformation and curing costs of UHPC (Ultra-High Performance Concrete), a low-shrinkage, non-steam-cured UHPC was developed using porous CB (Calcined Bauxite ) aggregate as an internal curing material. Mechanical and deformation properties of the UHPC were tested and evaluated through laboratory experiments. Finite element numerical simulations were employed to analyze the early temperature and humidity stress evolution in the UHPC overlay of a bridge deck pavement. The results indicate that the developed UHPC maintains its ultra-high strength under non-steam curing conditions, with a compressive strength of 154 MPa and a splitting tensile strength of 19.3 MPa at 28 d. The shrinkage deformation of UHPC containing CB aggregate is only 160 μm/m at 28 d, effectively reducing the risk of warping and delamination between the UHPC pavement layer and the underlying concrete. Moreover, UHPC exhibits superior abrasion resistance and impact resistance compared to ordinary concrete, thereby extending the service life of the bridge deck pavement. Numerical calculation results show that the maximum tensile stress in the UHPC overlay is minimally influenced by the thickness and length of the pavement layer, eliminating the need for the installation of expansion joints. To enhance the bond performance between the UHPC overlay and the base course, the surface of the concrete base course should be roughened (exposing aggregate), and reinforing bars should be installed between the base course and the UHPC overlay according to the design. This study validates the feasibility of using self-developed UHPC as a concrete bridge deck overlay.

Key words： UHPC (Ultra-High Performance Concrete); bridge deck pavement; low shrinkage; non-steam curing; early age stress

0 引言

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC）又称超高性能纤维增强混凝土（Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete, UHPFRC），具有超高的强度、韧性和卓越的耐久性[1⇓⇓-4]。在交通基础设施建设领域，UHPC主要应用于路面或桥面铺装层，旨在解决传统路面或桥面铺装层易发生的疲劳开裂、耐久性不足、承载力下降等问题[5]。
尽管UHPC在混凝土路面和桥面铺装工程中得到了广泛应用，但仍然存在一些公认的挑战。由于UHPC具有超低的水胶比和大量的胶凝材料，与普通混凝土相比，其表现出更大的自收缩，这很容易导致UHPC层与基层混凝土发生脱粘[6⇓-8]。内养护（Internal Curing, IC）剂可有效降低UHPC的收缩率[9]。然而，在UHPC中使用普通的IC剂需要权衡力学性能和自收缩。Justs等[10]发现，高吸水性聚合物（Super Absorbent Polymers, SAPs）可以有效减小UHPC的自收缩，但同时会引起UHPC强度和弹性模量的下降。Dong等[11]、Sun等[12]和Liu等[13]的研究揭示了多孔骨料作为IC剂的作用机理，为控制UHPC的自收缩提供了新思路[11⇓-13]。Meng等[14]评估了在UHPC中使用不同掺量的预湿轻骨料 （Lightweight Aggregate, LWA）的IC效率，发现即使在强度不降低的情况下，LWA也会降低UHPC的弹性模量。与此不同，Liu等[15]发现多孔烧结铝矾土矿（Calcined Bauxite, CB）骨料可以用作IC剂，同时可以提高UHPC的强度和弹性模量；还进一步从微观角度分析了CB骨料对UHPC的影响机理。此外，Iskander等[16]研究指出，在多个高速公路交叉口和弯道的道路面层中使用CB骨料，可显著降低相应路段的交通事故率，并且CB骨料的抗滑性可在不抛光的条件下维持20年。Wilson等[17]和Woodward等[18]通过室内试验和现场试验证明，与其他常用的粗骨料相比，CB骨料具有更优异的耐磨性和抗滑性。这表明，使用含CB骨料的UHPC作为铺装层材料，有望提高铺装层的耐磨性和防滑性。基于以上研究，本研究对含CB骨料的UHPC在混凝土桥面铺装层中的应用进行探索。传统UHPC水泥用量较高，并且需要进行蒸汽养护，较高的原材料成本和养护成本限制了其应用范围。此外，已有研究缺乏对混凝土桥面采用UHPC铺装设计的应力分析，尤其是UHPC铺装层内部早期温湿度应力的演变、厚度的选择、是否切缝、施工时机等关键问题亟待解决。鉴于此，本研究将对上述问题进行探索，以期为设计与施工提供参考[7,19]。
混凝土桥面采用含CB骨料的UHPC铺装设计，可以大幅提升桥面的力学性能与耐久性能。在材料设计方面，本研究将阐释CB骨料作为IC剂对UHPC的新拌性能、强度性能、自收缩性能、耐磨性能和抗冲击性能的影响。在构造设计方面，将结合具体工程，采用有限元数值模拟方法，分析采用UHPC铺装设计桥面系的早期温湿度应力演化，从而给出推荐的设计方案。

1 低收缩免蒸养UHPC的配比

本研究的UHPC原材料包括P·O 42.5普通硅酸盐水泥、SiO2含量不低于92%的硅灰、级配良好且洁净的标准砂（0.1~2 mm），以及2 000目超细石英粉；采用粒径为3~5 mm、吸水率为3.3%的CB粗骨料作为IC剂，发挥其耐磨耗作用；采用长度13 mm、直径0.2 mm的镀铜钢纤维作为纤维增强材料，钢纤维密度为7 850 kg/m3、抗拉强度为2 850 MPa；采用聚羧酸型高效减水剂（Polycarboxylate Superplasticizer, SP），固含量为45%，氯离子含量≤0.05%，配合比设计中考虑SP中的水分。
室内试验研究的配合比如表1所示。CA300W与CA300的配合比完全一致，不同的是对CA300W中的CB骨料进行了预湿处理，总用水量与CA300相同。有研究发现，额外加入IC水可能引起混凝土强度和刚度的降低[20]，因此保持总用水量不变的方法更加科学有效。CA00不含CB骨料，但是集料总用量与CA300、CA300W一致。
表1 UHPC配合比设计
UHPC
组别		 水泥
/（kg
/m3）		 硅灰
/（kg
/m3）		 石英粉
/（kg
/m3）		 砂子
/（kg
/m3）		 CB
骨料
/（kg
/m3）		 钢纤维
/（kg
/m3）		 水
/（kg
/m3）		 SP
（%）		 水胶比
CA300 665 135 165 897 300 157 160 1.2 0.2
CA300W 665 135 165 897 300 157 160 1.2 0.2
CA00 665 135 165 1 197 0 157 160 1.2 0.2

注：CA表示Calcined Bauxite Aggregate即CB骨料；W表示对CB骨料预湿润24 h；SP（%）表示SP的固体成分与胶凝材料（水泥+硅灰）的比值。

采用容量为 60 L的双轴卧式搅拌机拌制UHPC。首先将所有粉料和石英砂放入搅拌机中低转速搅拌 2 min，然后采用大孔筛进行钢纤维投料，保证钢纤维均匀分散在拌合料中，避免发生团聚。接下来，先加入约80%的水和SP，以中速搅拌2 min；再加入剩余的20%水，以中速再搅拌3 min。为了保证SP有效发挥作用，整个拌和过程不少于10 min。在养护过程中温度为20 ℃±2 ℃，湿度不低于95%，养护时长为28 d。

2 低收缩免蒸养UHPC性能测试与分析

2.1 新拌性能

新拌性能主要由工作性和终凝时间反映，按《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419—2005）[21]测试UHPC的工作性，按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）[22]测试UHPC的终凝时间。新拌UHPC的扩展度与终凝时间测试结果如图1所示，3组UHPC均呈现出自流平状态，扩展度达到460~540 mm，未发生泌水或离析现象。3组UHPC的SP掺量相同，相比不含CB骨料的CA00组（扩展度495 mm），CA300W的扩展度高出8%。原因是提前预湿过的CB骨料在拌和时表面已经形成了水膜，起到润滑作用，减轻了CB骨料与其他组分之间的摩擦。CA300扩展度低于CA00，因为CB骨料具有吸水特性，并且CB骨料作为体系中的刚性骨架，一定程度上降低了拌合料的流动性。3组UHPC的终凝时间在15.5~18.2 h，CA00终凝时间最长（18.2 h），说明CB骨料可以缩短UHPC的终凝时间，并且预湿CB骨料缩短UHPC终凝时间的效果更好。
图1 UHPC的扩展度与终凝时间

2.2 强度性能

设计UHPC粗骨料的最大粒径为5 mm，分别采用100 mm立方体（《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）[23]）和40 mm立方体（《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671—2021）[24]）测试UHPC的抗压强度，以评估试件尺寸对抗压强度测试结果的影响。依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）[25]采用100 mm立方体测试UHPC的劈裂抗拉强度，依据《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671—2021）[24]采用40 mm × 40 mm × 160 mm棱柱体测试UHPC的抗折强度。
强度测试结果如图2所示。对比图2（a）和图2（c），40 mm立方体抗压强度测试结果的离散性要明显大于100 mm立方体抗压强度，表明小尺寸试件对于混凝土成型质量更加敏感，同一批次小尺寸试件之间的差异性更大。总体上，100 mm立方体抗压强度与40 mm立方体抗压强度接近。由图2（a）和图2（b）可知，CA00的28 d抗压强度、28 d劈裂抗拉强度分别为131 MPa、17.2 MPa，自研UHPC在免蒸养条件下强度性能依然达到了传统蒸养UHPC的水平。CA300的28 d抗压强度、28 d劈裂抗拉强度比CA00分别高出17.6%、12.2%，CA300W的28 d抗压强度、28 d劈裂抗拉强度比CA00分别高出16.0%、5.2%。这表明CB骨料可以显著提高UHPC的抗压强度和抗拉强度，并且相比预湿CB骨料，干燥CB骨料对UHPC强度的提升作用更加明显。对比图2（b）和图2（d），3组UHPC的抗折强度的相对大小规律与劈裂抗拉强度基本一致。但是，3组UHPC的抗折强度均远高于劈裂抗拉强度，二者比值在1.6~1.7。
图2 UHPC强度测试结果

2.3 自收缩性能

UHPC的密实度高、孔隙率低，干燥收缩较小，自收缩较大，因此，有必要测试UHPC的自收缩。采用Schleibinger收缩测量仪测试UHPC的自收缩[26]，实验室内温度控制在23 ℃±2 ℃、相对湿度控制在55%±5%。测试期间使用塑料薄膜覆盖试样，以保持完全密封状态。以UHPC的终凝时刻作为自收缩测试的起始点，测试结果如图3所示。
图3 UHPC的自收缩测试结果
CA00的收缩发展迅速，终凝后24 h时已达到290 μm/m，28 d时达到500 μm/m；含CB骨料的CA300及CA300W均出现早期膨胀现象，随后逐渐收缩，但是二者的28 d自收缩仅为CA00的1/3左右。含预湿CB骨料的CA300W的28 d自收缩与含干燥CB骨料的CA300接近，但是CA300W早期自收缩发展更加迅速，后期逐步减缓。主要原因是预湿CB骨料时IC水被吸收，导致CA300W的有效水胶比低于CA300。随着自收缩的发展，基体内部孔隙半径变小，IC水加速释放导致水化反应加快，所以自收缩发展较早。
预湿CB骨料与干燥CB骨料均能有效降低UHPC的自收缩，起到了显著的IC作用。其作用机理是多孔CB骨料中存在保留水，因而浆体内部相对湿度下降速率大幅放缓，水化过程中的自干燥进程被抑制。干燥CB骨料的保留水来自UHPC拌和过程中吸收的拌和用水，预湿CB骨料的保留水来自预湿过程中吸收的IC水。在UHPC终凝后，CB骨料释放其内部保留水，引起早期轻微膨胀[27]。
目前，混凝土常用IC剂为预湿轻骨料。已有研究得出[28]，膨胀页岩孔隙率为48%，72 h吸水率为14.3%，抗压强度为4.2 MPa。而CB骨料孔隙率为20%，24 h吸水率为5.4%。相比之下，CB骨料孔隙率较低但足够满足IC需求，并不存在因孔隙率过高而影响混凝土强度的问题。

2.4 耐磨耗性能

采用《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）[29]中的T0567—2005方法，对UHPC耐磨性进行测试。测试时，将试件放置于磨耗试验机的水平转盘上并用卡具夹紧，水平转台转速设置为18 r/min，主轴转速为转台转速的35倍，试件在200 N荷载下先磨30转，取下试件刷净表面粉尘后称重，记为初始质量。接着，将试件重新放回试验机的水平转盘上并进行相同的负荷磨耗，每隔30转暂停并测量试块的质量损失，如此反复270转后停止试验。最后，测量试件的最终磨损深度。对一种普通混凝土以及两种UHPC进行耐磨性测试。普通混凝土强度等级为C50，其28 d抗压强度为56 MPa；两种UHPC分别为含玄武岩骨料的UHPC（BS300）和含CB骨料的UHPC（CA300），二者仅粗骨料种类不同。CA300的28 d劈裂抗拉强度和抗压强度分别为19.3 MPa和154 MPa，相较于BS300（28 d劈裂抗拉强度和抗压强度分别为14.7 MPa和120 MPa）分别高出31%和28%。
通过最终质量损失和最终磨损深度两个指标来评价耐磨性能，测试结果如图4所示。C50的最终质量损失约为两种含粗骨料UHPC的2.7倍，C50的最终磨损深度为BS300的2.74倍、CA300的2.85倍。这表明，UHPC的耐磨性能远优于普通混凝土，CA300的耐磨性能略优于BS300（耐磨性提高了3.6%）。对比C50与BS300，后者比前者的抗压强度提高了70 MPa、最终磨损深度减小了1.563 mm，即每提高1MPa抗压强度，最终磨损深度减小0.022 mm；对比BS300与CA300，后者比前者的抗压强度提高了34 MPa、最终磨损深度减小了0.034 mm，即每提高1MPa抗压强度，最终磨损深度减小0.001 mm。可见，混凝土强度越高，其耐磨性越好；但是，随着强度的逐步增大，耐磨性的提升速度越来越缓慢。
图4 磨损质量损失和最终磨损深度

2.5 抗冲击性能

采用落锤冲击法[30]测试UHPC的抗冲击性能，如图5所示。测试方法为将一个质量为10 kg的锤子通过滑轮装置从470 mm的高度反复落下，不断敲击试件顶面的钢球。钢球直径为63.5 mm，试件为ϕ150 mm×63.5 mm的圆柱体。将试件产生初始裂纹和试件完全破坏时的冲击次数分别作为抗初裂性和抗破坏性的评价指标。落锤试验中，试件吸收的能量为：
E = 1 2 m v 2 = m g h n d
式（1）中：m, v, g, h, n d分别为落锤质量、撞击速度、重力加速度、下落高度、锤击数量。
图5 落锤冲击试验设备与试件
为了方便后续对比讨论，本试验设计了一种C60强度等级的普通混凝土以及两种无粗骨料的UHPC作为试验材料，CA00-NF不含钢纤维而CA00含体积分数2%的钢纤维。对于28 d抗压强度和劈裂抗拉强度，C60实测结果分别为63 MPa、4.23MPa，CA00-NF分别为100 MPa、6.9 MPa，CA00分别为131MPa、17.2 MPa。
表2为C60和两种UHPC产生初始裂纹所需最小冲击次数的正态拟合参数。统计意义上，CA00 的抗冲击性能约为C60的24倍、CA00-NF的37倍。高强度的非纤维UHPC基体比普通混凝土表现出更低的抗冲击性能，这是因为UHPC基体更脆，所以容易断裂，而普通混凝土中的粗骨料延迟了裂缝的扩展。试验发现，C60与CA00-NF产生初始裂纹和完全破坏时的落锤冲击数相差仅1~3，表明二者在冲击荷载作用下发生了脆性破坏，所以普通混凝土和非纤维UHPC初裂后的抗冲击性能可以忽略不计。试验还发现，CA00 落锤冲击次数达到自身初裂冲击次数的3倍时，仍未发生破坏，基体基本保持完整，但是裂纹数量和裂纹宽度增大，体现了纤维UHPC在冲击荷载作用下的延性行为。
表2 产生初始裂纹所需最小冲击次数的正态拟合参数
项目 均值μ 方差σ 变异系数cov 初裂能E/（kN·mm）
C60 26 15 0.57 1198
CA00-NF 17 13 0.77 921
CA00 623 208 0.33 28 695

3 低收缩免蒸养UHPC桥面铺装构造设计

3.1 实际工程与数值模型

云南省昭通市昭阳西环高速公路三甲互通主线桥左幅采用UHPC铺装设计。桥面宽度为11.5 m，桥面总长69.08 m。上部结构采用预应力混凝土（后张）小箱梁，先简支后连续；下部结构的桥台采用扶壁台、肋板台，桥墩采用柱式墩，墩台采用桩基础。
UHPC铺装层的设计方案需要明确铺装厚度、是否切缝、摊铺施工时机、养护时间等，设计原则是降低UHPC层早期的内部拉应力和开裂风险，因此要计算并分析桥面系各层早期温度应力和收缩应力的变化规律。以该主线桥为原型，建立了现浇UHPC铺装层+C50混凝土调平层+混凝土箱梁有限元数值计算模型。结构设计方面主要关注UHPC铺装厚度（70 mm、50 mm）、UHPC铺装长度（30 m、60 m）、UHPC材料的28 d收缩量（350 μm/m、500 μm/m 、650 μm/m ）等3个因素的影响；施工组织方面关注养护时间（7 d、14 d）对UHPC铺装层内收缩应力的影响、摊铺时间（8:00、12:00、16:00）对UHPC铺装层内温度应力的影响。主要的验算指标为UHPC铺装层最大拉应力、C50混凝土调平层最大拉应力以及UHPC-C50混凝土调平层的层间剪应力。有限元模型如图6所示，其中，钢筋采用两节点三维桁架单元（T3D2），其他部件均采用实体单元（在温度/湿度分析中选择DC3D8单元，在应力分析中选择C3D8单元）。考虑到C50混凝土调平层经过铣刨处理，将调平层上表面和UHPC下表面建立接触对，摩擦类型设置为“完全粗糙”（rough）。调平层内钢筋网的约束条件设置为“嵌入”（embedded）并与其四周的混凝土单元耦合。箱梁底部的支撑条件为桥梁支座，考虑全桥的重力荷载作用。
图6 三甲互通主线桥有限元模型
UHPC浇筑时间是在主梁和调平层浇筑成型半年后，因此可以忽略主梁和调平层的收缩变形与徐变，只考虑UHPC铺装层的收缩与徐变。有限元分析过程如下：
第一步，利用有限元软件的湿度扩散/温度分析模块，对UHPC和C50混凝土的湿度场和温度场进行模拟。
第二步，利用力学分析模块，计算UHPC的收缩变形、温度变化引起的应力、应变场。
由于在第一步中计算了UHPC和C50混凝土的湿度场、温度场，因此可以根据任一点的湿度变化与湿度收缩系数的乘积计算出该点的收缩变形，根据任一点的温度变化与热膨胀系数的乘积计算出该点的温度变形。将混凝土收缩变形和温度变形的计算结果用于第二步的力学分析。
徐变对于早龄期混凝土的力学行为影响显著，本研究采用微预应力固结徐变理论来描述UHPC的徐变特性。在该徐变模型中，材料参数q1~q5控制基本徐变柔度，计算公式如下[31]：
J b ( t ,   t ' ) = q 1 + q 2 t ' t ' - q 5 ∫ t ' t n s - m s - t ' + ( s - t ' ) 1 - n d s +                                       q 3 l n [ 1 + ( t - t ' ) n ] + q 4 l n t t '
式（2）中：Jb(t, t′)为1 MPa单轴应力作用下t时刻的基本徐变柔度；t′为单轴应力开始施加的时刻；n和m分别取值为0.1和0.5。UHPC和C50混凝土的徐变模型参数校准可参考文献[7]。
另外要说明的是，在力学分析中，混凝土的泊松比取0.2，C50混凝土和UHPC的密度分别取2 400 kg/m3和2 600 kg/m3；钢筋的弹性模量和泊松比分别取205 GPa和0.3，钢筋的密度取7 800 kg/m3，屈服应力为400 MPa。

3.2 湿度收缩应力计算与分析

3.2.1 湿度计算模型与参数

混凝土收缩应变的时间变化率与其内部相对湿度的时间变化率呈线性相关关系，可用式（3）[32]描述：
∂ ε s h ∂ t = k s h ∂ H ∂ t
式（3）中：εsh为收缩应变；H为相对湿度；t为时间；ksh为混凝土收缩系数。
早龄期混凝土相对湿度的变化主要受到两方面的影响：①外部干燥引起的湿度扩散；②水泥水化引起的自干燥。UHPC早期湿度扩散的控制方程为[33]：
∂ H ∂ t = ∇ ⋅ [ D ( H ) ⋅ ∇ H ] - ∂ H s ∂ t
式（4）中：∂Hs/∂t为自干燥引起的相对湿度下降速率；D(H)为湿度扩散系数，通过下式进行估计[33]：
D ( H ) = D 1 α 0 + 1 - α 0 1 + [ ( 1 - H ) / ( 1 - H c ) ] r
式（5）中：D1, α0, Hc, r为扩散参数。
湿度扩散的边界条件为[7]：
λ ( H - H e n v ) + D ( H ) ∂ H ∂ n = 0
式（6）中：λ为常数；Henv为环境相对湿度；∂H/∂n为混凝土表面法向的相对湿度梯度。
表3 UHPC湿度收缩应力模拟的计算参数
分析对象 参数 取值
湿度场 D1 /(/m2/d) 3.2×10-5
α0 0.041
Hc 0.82
r 1.1
λ /(m2/d) 0.011
应力场 ksh 4.098×10-3（当H≥93%时）
1.507×10-3（当H<93%时）
q1 /(MPa-1) 15.1×10-6
q2 /(MPa-1) 12.6×10-6
q3 /(MPa-1) 6.5×10-6
q4 /(MPa-1) 5×10-6
q5 /(MPa-1) 0.69
k1 /(MPa/K) 1.8
C /(/MPa2/d) 7×10-14

3.2.2 计算结果分析与讨论

计算9种收缩应力算例，各算例如表4所示。CASE-S-1~CASE-S-4对比的是板厚70 mm与50 mm、板长30 m与 60 m。以CASE-S-1为参考算例，CASE-S-5~CASE-S-9对比7 d拆模与14 d拆模。此外，还考虑收缩变形浮动±30%对湿度应力的影响程度。以UHPC层最大拉应力和UHPC-C50最大层间剪应力作为判断UHPC铺装层是否发生破坏的依据。
表4 收缩应力算例
算例 UHPC板厚
/mm		 UHPC板长
/m		 拆模时间
/d		 收缩量
/（μm/m）
CASE-S-1 70 30 7 500
CASE-S-2 70 60 7 500
CASE-S-3 50 30 7 500
CASE-S-4 50 60 7 500
CASE-S-5 70 30 7 650①
CASE-S-6 70 30 7 350②
CASE-S-7 70 30 14 500
CASE-S-8 70 30 14 650①
CASE-S-9 70 30 14 350②

①收缩变形+30%。

②收缩变形-30%。

图7为UHPC层的典型应力云图，S11和S33的最大值均出现在板中顶面。原因是此处为两跨梁连接成为整体连续梁的位置，因此在中间支座（桥墩支座）处，箱梁提供的约束最大。S11和S33的最小值出现在桥台支座上方区域UHPC的板边，由于桥台支座处可以发生水平移动（简支约束），箱梁提供的水平约束相对较小。
图7 桥面收缩应力云图
收缩应力计算结果如表5所示。由于UHPC早期的收缩变形发展很快，UHPC铺装层最大拉应力均出现在第3天。此后由于徐变行为的影响，UHPC板内应力缓慢减小。对比CASE-S-1与CASE-S-3, CASE-S-2与CASE-S-4，UHPC铺装层最大拉应力受板厚（70 mm对比50 mm）的影响不大。原因在于UHPC层厚度很小，铺装层受到的外部约束程度接近。对比CASE-S-1与CASE-S-2, CASE-S-3与CASE-S-4，UHPC铺装层最大拉应力受板长的影响较小，所以没有必要切缝。对比CASE-S-1、CASE-S-5和CASE-S-6的结果，当收缩分别取500 μm/m, 650 μm/m（+30%），350 μm/m（-30%），UHPC铺装层最大拉应力分别为8.340 MPa, 10.375 MPa, 6.338 MPa。将收缩分别+30%, -30%，UHPC铺装层内最大拉应力分别+24.4%, -24.0%。对比CASE-S-1与CASE-S-7, CASE-S-5与CASE-S-8, CASE-S-6与CASE-S-9，3组对比结果显示UHPC铺装层最大拉应力没有任何差异。说明拆模时间从7 d延长至14 d不能降低UHPC铺装层最大拉应力，因为拉应力主要由自收缩产生，在3 d时已经达到最大值。相比于普通混凝土，UHPC微观结构更加致密，7 d以后对干燥环境并不敏感，工程中不需要养护太长时间。
表5 收缩应力算例结果
算例 UHPC层最大拉应力
/MPa		 UHPC-C50最大层间
剪应力/MPa
CASE-S-1 8.340（S33，3 d） 3.508（S23，7 d）
CASE-S-2 8.442（S33，3 d） 3.303（S23，10 d）
CASE-S-3 8.405（S33，3 d） 3.762（S23，7 d）
CASE-S-4 8.522（S33，3 d） 3.530（S23，10 d）
CASE-S-5 10.375（S33，3 d） 4.624（S23，7 d）
CASE-S-6 6.338（S33，3 d） 2.535（S23，7 d）
CASE-S-7 8.339（S33，3 d） 3.597（S23，7 d）
CASE-S-8 10.37（S33，3 d） 4.611（S23，7 d）
CASE-S-9 6.337（S33，3 d） 2.545（S23，7 d）

注：括号内字母分别表示应力类别与最大应力出现的时间。如（S33, 3 d），其中S33为面层桥长向正应力，3 d为最大应力出现在UHPC浇筑后3 d；再如（S23, 7 d），其中S23为层间界面桥长向剪应力，7 d为最大层间剪应力出现的时间。

UHPC-C50最大层间剪应力范围为2.55~4.63 MPa。经过文献调研，发现层间界面粗糙度合格的界面抗剪切强度能达到6~10 MPa，使用钢筋连接件也能进一步提高界面的抗剪切能力[34-35]，所以UHPC面层与C50基层之间不会发生脱粘。以降低收缩应力为目的的设计方案为：UHPC板厚7 cm、无需切缝，UHPC材料采用低收缩的CA300或CA300W。

3.3 温度应力计算与分析

3.3.1 温度计算模型与参数

温度应力的计算考虑整体模型的温度场变化和温度变形。以三甲互通主线桥所在区域的8月份历史气温数据为依据，日最高气温31 ℃，日最低气温11 ℃，昼夜最大温差达20 ℃。夏季日照时数取11.5 h，日太阳辐射总量为26.5×106 J/m2，平均风速2.8 m/s。C50混凝土、钢筋的弹性模量、泊松比、密度及UHPC的密度取值与收缩应力计算保持一致（详见3.2.1节），材料的热力学参数如表6所示。
表6 材料的热力学参数
材料 导热系数
/（W·m-1·℃-1）		 比热容
/（ J·kg-1·℃-1）		 热膨胀系数
/℃-1
C50 2.28 950 10.8×10-6
UHPC 2.45 1 000 9.7×10-6
钢筋 45 480 12.0×10-6
应力计算时，考虑UHPC铺装层的徐变特性，采用的徐变模型及参数与收缩应力计算保持一致。

3.3.2 计算结果分析与讨论

UHPC的凝结较慢，终凝时间为13~19 h，且受减水剂的影响很大。本次计算考虑3个摊铺时间点8:00, 12:00, 16:00，终凝时间分别取14 h, 16 h, 18 h，对应的终凝时刻分别为22:00, 4:00, 10:00。目的是分析终凝时间的影响，22:00和4:00终凝对应较大的负温度梯度（最大负温度梯度出现在5:00，如图8（a）所示），10:00终凝对应较大的正温度梯度（最大正温度梯度出现在14:00，如图8（b）所示）。
图8 梁温度分布云图
设计了9种收缩应力算例进行对比，以UHPC层最大拉应力、C50调平层最大拉应力、UHPC-C50最大层间剪应力为控制指标，各算例详情如表7所示。
表7 温度应力算例
算例 UHPC
板厚/mm		 UHPC
板长/m		 摊铺时刻 终凝时刻
CASE-T-1 70 30 8:00 22:00
CASE-T-2 70 60 8:00 22:00
CASE-T-3 50 30 8:00 22:00
CASE-T-4 50 60 8:00 22:00
CASE-T-5 70 30 12:00 4:00
CASE-T-6 70 30 16:00 10:00
CASE-T-7 70 60 12:00 4:00
CASE-T-8 70 60 16:00 10:00
温度应力计算结果如表8所示。对比CASE-T-1~CASE-T-4，发现UHPC铺装层最大拉应力受板厚和板长的影响不大，这与湿度收缩应力的计算结果一致。对比CASE-T-1/5/6和CASE-T- 2/7/8，发现终凝时间对于UHPC铺装层最大拉应力的影响非常大。由于UHPC层很薄，板内的温度梯度小，温度应力主要来源是UHPC层整体的温升温降。如果UHPC终凝发生在12:00—14:00，受力情况最为不利，因为此后降温收缩会产生较大拉应力。如果UHPC终凝发生在3:00—6:00，受力情况最为有利，因为此后升温膨胀产生压应力。对于所有算例，UHPC层最大拉应力都出现在4:00—6:00，此时UHPC板内平均温度是一天之内的最低水平（图9（b））。C50调平层的最大拉应力和UHPC-C50最大层间剪应力均处于较为保守的水平，在此不作进一步讨论。综合上述分析，确定最佳温度应力工况为：UHPC板厚7 cm、无需切缝，施工过程中确保UHPC层终凝时刻为4:00左右。
表8 温度应力算例结果
算例 UHPC层
最大拉应力
/MPa		 C50调平层
最大拉应力
/MPa		 UHPC-C50
最大层间剪应力
/MPa
CASE-T-1 2.641（5:00） 0.382（5:00） 1.154（5:00）
CASE-T-2 2.770（5:00） 0.437（5:00） 1.244（5:00）
CASE-T-3 2.491（5:00） 0.773（5:00） 1.014（5:00）
CASE-T-4 2.604（5:00） 0.785（5:00） 1.043（5:00）
CASE-T-5 0.940（6:00） 1.071（6:00） 1.757（3:00）
CASE-T-6 4.114（4:00） 0.567（4:00） 1.699（4:00）
CASE-T-7 0.983（6:00） 1.159（6:00） 1.778（3:00）
CASE-T-8 4.287（4:00） 0.594（4:00） 1.721（4:00）

注：应力值后方小括号内数值表示最大应力发生的时刻。以（5:00）为例，表示最大应力发生的时刻为早上5:00。

云南省昭通市昭阳西环高速公路三甲互通主线桥UHPC铺装工程已于2022年12月通车。该混凝土桥面UHPC铺装层完全采用本文推荐的材料及构造设计方案，至今未出现任何脱粘、翘曲、开裂、断角等病害，服役性能良好。

4 结论

针对普通UHPC收缩率较大、蒸养成本较高的问题，本研究通过使用高强多孔CB骨料作为内养护剂，在免蒸养条件下制备了一种具备低收缩特性的UHPC。然后，对其力学性能、变形能力、耐磨耗性能和抗冲击性能进行了测试与分析，验证了该新型UHPC作为混凝土桥面铺装材料的可行性。此外，本研究还计算分析了混凝土桥面UHPC铺装体系早期温湿度应力的演化规律，提出了UHPC铺装设计方案。最后，将该低收缩免蒸养UHPC应用于实际工程，取得了较好的应用效果。主要的研究结论如下。
1）该自研UHPC具有超高的强度。含CB骨料的UHPC在免蒸养条件下，28 d抗压强度达154 MPa，28 d劈裂抗拉强度达19.3 MPa。
2）该自研UHPC的自收缩变形较小。通过在UHPC中掺加CB骨料，可以有效地维持较高的内部相对湿度，减少自收缩。在标准养护条件下，经过优化设计的低水泥含量UHPC的28 d自收缩量仅为160 μm/m。
3）该自研UHPC表现出卓越的耐磨耗和抗冲击性能。按照混凝土耐磨性标准试验方法，UHPC的最终质量损失和最终磨损深度约为C50混凝土的1/3。UHPC产生初始裂纹所需的最小冲击次数约为C60混凝土的24倍。
4）UHPC铺装层湿度收缩应力的重要影响因素是收缩变形量，温度收缩应力的重要影响因素是终凝时间。在UHPC铺装层内部由于温湿度变化引起的最大拉应力受铺装厚度和长度的影响不大，因此可以连续铺筑。为增强UHPC铺装层与基层之间的黏结性能，基层混凝土表面做粗糙化处理，在基层与UHPC铺装层之间植筋。
下一步，可以开展如下研究。
1）低收缩UHPC中掺加的CB骨料来自不同生产厂家时，产品的孔隙率或吸水率存在一定的差异。因此，对于CB骨料多孔结构的形成机制有待进一步研究。
2）对于UHPC收缩预测模型，各国规范尚未统一，目前的模型均借鉴自普通混凝的收缩预测模型，现有的收缩预测模型不能较好地拟合UHPC的收缩发展，尤其是早期阶段。需要进一步探究构建适合预测含CB骨料UHPC的收缩发展预测模型。

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