0引言

桥面铺装作为桥梁结构的重要组成部分，其质量直接关系到桥梁的使用寿命和行车安全。传统的桥面铺装材料在性能上存在诸多不足，如强度低、易开裂、耐久性差等，以正交异性钢桥面铺装为例，作为组合桥梁的重要组成部分，传统混凝土结构在实际应用中会出现钢桥面板疲劳开裂及桥面铺装损坏等问题。

近年来，随着超高性能混凝土（UHPC）技术的发展其在桥面铺装领域的应用逐渐受到关注。

梁伟波通过在桥梁腹板中增设UHPC横隔板加固并进行桥面铺装改造，加固改造后的桥梁整体性有较大提升。

顾松的研究表明，UHPC相较于普通混凝土，耐磨耗和抗冲击性能有极大提升，可大幅延长桥面铺装层的使用寿命。

UHPC具有高强、高韧、高耐久性等优异性能，将UHPC混凝土用于桥面结构中形成组合桥面板，在具有混凝土桥面板的优点的同时，只需要较小的厚度即可较好地提高桥面板刚度，在改善桥面刚度特性的同时不会导致结构自重明显增加。面对传统桥面铺装材料存在的问题，UHPC能有效解决。

因此，本文旨在通过胶砂试验研究一种桥面铺装用强度等级为C120的UHPC配合比，为桥面铺装提供一种高效便捷的材料及试验选择。

1试验

1.1原材料

UHPC原材料主要由水泥、复合掺合料、细骨料、钢纤维和减水剂等组成。

水泥采用山水P·52.5水泥，按照标准GB/T175-2023《通用硅酸盐水泥》进行检测，结果见表1。

复合掺合料为研究院自主研发，按照JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》进行检测，结果见表2。

细骨料为最大粒径不超过1.25mm石英砂，由20目、40目和80目三个粒级级配而成，按照GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》进行检测，结果见表3。

钢纤维采用平直型表面镀铜钢纤维，长度13mm直径0.2mm，抗拉强度2900MPa，表观密度7850kg/m3。

减水剂为改性聚羧酸型UHPC专用高性能减水剂，减水率33%。

拌合用水为自来水。

1.2试验方案与试验方法

1.2.1试验方案

配合比设计依据最紧密堆积原理进行，通过增加原材料的细度以及调整配比改善体系级配增加密实度，做到满足桥面铺装对铺装材料强度、韧性和耐久性的要求前期通过原材料级配并进行试验得到UHPC120的基准配比见表4。

该配比中胶材总量掺合料为总胶材质量30%，石英砂各级配质量比m(20目m(40目m(80目)=253，胶砂比1，钢纤维体积掺量2%2%，水胶比0.16，减水剂掺量1.55%。

在基准配比基础上，先通过探究水胶比及减水剂掺量对UHPC性能影响，确定最佳水胶比及减水剂掺量，然后对复合掺合料、石英砂和钢纤维设计正交试验，探究各组分最佳配比。为简化试验工作量，前期试验通过胶砂搅拌机对材料进行拌合并制备40mm×40mm×160mm胶砂试件检验UHPC工作性和强度，后期制备100mm×100mm×100mm立方体试件验证工作性和强度，并进行表观密度修正。

（1）水胶比对UHPC性能影响：在基准配比下，用水量以胶材掺量的0.5%为梯度分别下调和上浮1%探究用水量对UHPC性能影响，具体配比见表5，并根据结果选取最优用水量Gw开展后续试验。

（2）减水剂掺量对UHPC性能影响：在基准配比和最优水胶比Gw下，减水剂掺量以胶材掺量的0.05%为梯度分别下调和上浮0.1%，探究减水剂掺量对UHPC性能影响，具体配比见表6。

（3）正交试验设计：在保证水泥用量不变、最优水胶比及最优减水剂掺量条件下，选用复合掺合料（A）、细骨料（B）和钢纤维C）进行3因素3水平试验，按照L9(34正交表进行正交试验设计，正交试验见表7。

（4）混凝土性能验证：根据正交试验结果，使用最优配比与基准配比分别制备UHPC试件进行性能验证。

1.2.2试验方法

《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》检测抗压强度。UHPC混凝土试件标准养护后按照GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》检验物理力学性能。

2结果与讨论

2.1水胶比对UHPC性能影响结果分析

从图1可以看出，随着水胶比增大，UHPC流动度是逐渐增大的。在水胶比为0.15时，UHPC粘聚性较大，流变性能较差；在水胶比增加到0.16时，搅拌出的UHPC状态开始好转，粘聚性降低，流动度增大到322mm；随着水胶比继续提升，UHPC流动度进一步增大，且出现流态所需搅拌时间减少。出现上述现象的原因是在UHPC拌合物中，胶凝材料颗粒之间存在一定的摩擦力，水胶比提高时，更多的水分填充在颗粒之间，起到润滑作用，减小了颗粒间的摩擦力，使拌合物在自重力或外力作用下更容易产生流动。

随着水胶比增大，UHPC抗压强度在3d龄期下呈现出整体降低的趋势；7d与28d龄期下，UHPC抗压强度在0.165水胶比下出现小幅提高。是因为水胶比增大使UHPC中水的相对含量增加，胶凝材料的相对含量减少，导致UHPC内部孔隙增多，结构变疏松，从而强度降低。用水量在某个合理区间内时，出现水胶比稍高但UHPC强度增高的现象，是因为适量的水分有助于水泥水化反应的进行，使水泥水化更加充分，生成更多的水化产物，从而在一定程度上提高了混凝土的强度。结合流动度与抗压强度的结果，选取0.165作为最佳水胶比。

2.2减水剂掺量对UHPC性能影响结果分析

从图2中可以看出随减水剂用量增加，UHPC流动度不断提高，且用量越高，UHPC流态出现时间越早；随着减水剂掺量的提高，UHPC的粘度降低，抗压强度随着减水剂掺量的增加也出现小幅度的增加，然后趋于平缓。

出现上述现象是因为聚羧酸减水剂分子中含有羧酸基(-COOH)、羟基(-OH)、氨基(-NH2)和聚氧烷基(-O-R)n等极性基团，这些基团对水具有强亲和力，它们通过吸附、分散、润滑和空间位阻等表面活性作用，赋予水泥颗粒分散性和流动性，这些作用减少了水泥颗粒之间的摩擦阻力，降低了水泥-水界面的自由能，从而改善UHPC的流动性。但是当减水剂掺量过多时，其在UHPC中的分散、润滑和空间位阻作用更为显著，使体系中较重的纤维与骨料沉降，浆体和气体上浮，UHPC匀质性变差。为此选择胶材掺量1.55%作为减水剂最优用量。

2.3正交试验结果分析与讨论

按照设计的正交试验表中规定的因素水平组合进行胶砂试验，试验结果见表8。

分别对3d、7d和28d抗压强度进行直观分析，通过计算极差确定影响因素的主次顺序，将各因素的较优水平组合得到最优方案，正交试验结果分析见表9。

由正交试验的直观分析中可得，3d和7d的性能影响的因素主次为ABC28d的性能影响的因素主次为ACB。根据极差大小分析得到3d最优试验方案为A3B3C27d和28d最优试验方案为A3B2C3。在以28d抗压强度为最终指标及兼顾早期强度的基础上，优先选择掺合料360kg/m3、细骨料1000kg/m3和钢纤维180kg/m3为最优试验方案。

2.4验证与讨论

根据试验结果使用基准组与优选组配比制备胶砂试件与立方体试件，验证UHPC物理力学性能，验证试验配比（未修正）见表10，其中J1、J2为胶砂试件，H1、H2为立方体试件。具体试验结果见表11。

从表11可以看出，优选组流动性优于基准组，这是因为复合掺合料掺量和水胶比的提高，更大程度填充了水泥与砂之间的空隙，减小了颗粒间摩擦，起到润滑增大流动性作用；优选组胶砂J2与基准组胶砂J1相比，力学性能有较高提升，且优选组胶砂试条28d抗压强度均高于正交试验各组，说明正交试验优选结果的准确性；同胶砂J1和J2相比，H1与H2抗压强度增长规律是一致的，优选组H2物理力学性能优于基准组H1与J1、H2与J2相比较，立方体试件抗压强度略小于胶砂试件，但仍能从侧面反映UHPC物理力学性能增长规律，说明可以通过胶砂试验简化试验过程。值得注意的是，试验过程中发现胶砂试件的抗弯拉（抗折）强度无法从侧面反映UHPC实际抗弯拉强度。H2同H1相比，电通量有所降低，说明优化后的UHPC耐久性进一步提高。

表观密度修正后的UHPC120配合比见表12。

3结论

（1）并非拌合水用量越小UHPC强度越高，在合理范围内，适当提高用水量，UHPC强度也会提高。高掺量改性聚羧酸减水剂会使UHPC粘性降低，影响UHPC匀质性。

（2）优选UHPC120配比为：掺合料为总胶材质量34%34%，胶砂比为1.06，钢纤维体积掺量为2.2%，水胶比为0.165，减水剂掺量为1.55%。

（3）相同龄期UHPC胶砂试件抗压强度略高于立方体试件，可以正面反映UHPC抗压强度增长规律，但无法反映UHPC实际抗折强度。