ABC-UTC 2024 深入网络培训介绍了超高性能混凝土 (UHPC) 创新的最新发展及其使用示例。
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我们将开始第四模块，即北美第一座长跨度桥梁的超高性能混凝土（UHPC）桥面铺设的设计与施工。我一开始就提到过，55万平方英尺的UHPC铺设工程确实令人惊叹，我期待着看到Michael的演示。Michael McDona加入了我们，他是WSP的副总裁，我现在将演示交给Michael。
谢谢Kathy。这将与Jen的鼓舞人心的演示有所不同，我们将回到更实用的方面，但我认为我也有很多好的图片。我的幻灯片显示了吗？准备好了。好的，我将讨论第一座长跨度桥梁上UHPC桥面铺设的设计和施工，这是特拉华州纪念桥。我稍后会提供一些位置信息。我想简要提及我的合著者或支持作者：首先是来自DRBA（特拉华河湾管理局）的Shaker Cindia，以及Sam Buam和Andrew Foden。
这里有一个简短的议程：我将概述这座桥梁，然后描述为什么需要这个项目，我们将讨论我们早期进行的生命周期成本分析，以及关于项目可持续性的一些内容，然后是完整的项目之前的试点项目，我会简要介绍一下，然后我们将进入整个桥梁桥面铺设的实际施工，以及一些挑战和经验教训，然后总结推荐和结论，最后我会提供一些资源。
正如您在这个议程幻灯片上看到的，这座桥实际上由两座平行的双体结构组成。第一座结构（结构一）建于1951年，您在左侧的地图上可以看到，它连接特拉华州北部和新泽西州南部，位于一条非常重要的走廊上，我稍后会谈到。1968年，交通需求需要第二座结构，因此建成了结构二，然后对结构一进行了重建，以使其更好地适应单向四车道的交通。快进到大约50年后的2018年，桥面状况很差，因此进行了一项评估研究，得出结论需要采取严厉措施，这导致了2020年的试点项目，以及最终在2023年底完成的完整项目。从这里开始，我们将只讨论结构一。再次，您可以看到双体结构，但每个结构，最重要的是结构一，在其长度上由三种结构类型组成。它长约两英里，中间是悬索桥跨，然后在每个引桥上都有一组梁支撑跨和一组桁架支撑跨。这座桥支撑着295号州际公路，这是一条非常重要的交通走廊，是I-95走廊的一部分，我认为它从迈阿密一直延伸到缅因州的某个地方，它不是穿过费城的I-95，但我相信，因为I-95穿过费城，任何不是去费城的交通通常都会走295号公路，然后转入新泽西收费公路，然后直接通往纽约市。每天每座桥梁约有5万辆车，总计约10万辆车。正如Kathy已经提到的，结构一的桥面总面积约为55万平方英尺，它是一个8英寸的传统钢筋混凝土桥面。根据目前的做法，有点不寻常的是，横向钢筋由焊接钢筋桁架组成，其中顶部和底部各有一对钢筋，通过焊接在顶部和底部钢筋上的桁架钢筋连接起来。桥面的总宽度为51英尺（从路缘到路缘）。
为什么需要这个项目？正如我所说，到2018年，桥面状况不佳，DRBA发现他们的维护成本正在上升，实际上是直线上升。因此，他们聘请WSP进行详细的桥面评估研究，时间是2018年。该研究得出结论，桥面需要在五年内更换，或者可以通过一些临时措施推迟到15年。这项研究使用了多种移动式无损检测方法，例如红外热成像、GPR、DEC声学响应以及高分辨率视频，并辅以岩心取样和实验室对岩心的测试。当然，在左边您可以看到一些劣化情况的照片，这只是桥面评估研究中桥面一部分的概述快照，记录了各种无损检测方法的结果。可以这么说，颜色不好。这些都显示了分层或活跃腐蚀之类的东西，所以这并不是一幅很漂亮的图景。氯化物在表面的含量高达3500ppm，下降到钢筋顶部的深度为2英寸，情况没有那么糟糕，但是，仍然有相当一部分桥面的氯化物含量超过500ppm，我们认为这是腐蚀开始的阈值。总体而言，估计约三分之二的桥面板至少有10%的顶部钢筋处于活跃腐蚀状态。另一个问题点是桥面中心线，您可以在右上角的照片中看到。我不太明白为什么，但是即使1968年的桥面是单向四车道，他们仍然在桥面的中心设置了一个纵向伸缩缝，这始终是一个主要的维护问题，我们知道这是一个需要解决的大问题。
因此，管理局意识到他们需要更换桥面，他们需要采取相当迅速的行动，但他们想知道他们想要一个替代方案，因为更换整个桥面将极其昂贵，极其具有破坏性。他们开始听说一种叫做UHPC覆盖层的东西，当时我认为可能只有六个例子在非常小的桥梁上使用过。尽管如此，DRBA是一个非常具有前瞻性的机构，它对新技术持开放态度。因此，他们要求WSP认真研究UHPC，看看它是否可以成为桥面更换的可行替代方案。因此，我们进行了这项研究，其中一个主要部分是生命周期成本分析。最终，我们通过生命周期成本分析比较了新的桥面，我们可以说是力求完美，我们说，如果我们要做，让我们使桥面尽可能耐用。因此，我们说，好的，预制板、不锈钢钢筋，我相信我们甚至包括UHPC连接，试图最大限度地延长使用寿命，或者我们研究了部分深度更换覆盖层的几个变体，因为不可能增加桥面的死载荷，所以我们研究了几种UHPC的配置，以及一些其他传统的覆盖材料。左边的维恩图显示了管理局的目标，以及我们在定性上将各种选项放在第一轮考虑中的位置。他们可以看到，UHPC是唯一真正满足所有这些目标的选项。
这里我们有一个生命周期成本分析结果的快照，它显示所有各种UHPC配置都被认为比预制桥面便宜得多，预制桥面是最低UHPC方法成本的三倍。它是基于净现值，我们将所有成本在50年的时间段内累加起来，直到今天，如果所有这些都需要一次性支付。因此，该方法实际上包括将UHPC移除到顶部钢筋的M以下。当时的设想是，我们想消除钢筋周围受氯离子污染的混凝土，并将其包裹在UHPC中以保护它。这种想法也影响了我们对该方法50年使用寿命的估计。我在这张幻灯片上跳过了很多，但我希望先处理分析内容。但是在完成整个桥面覆盖层之后，我们认为，了解它是否是一个可持续的解决方案会很有趣。这不是我们在2018年考虑的事情，尽管如果我们当时考虑过就好了。因此，我们回去对实际建造的覆盖层进行了快速分析，它只有2英寸的UHPC，我稍后会解释原因。这是一个相当简单的分析，我们只关注材料生产，并将它们与传统的8英寸混凝土桥面（这次使用未涂层钢筋）进行了比较。我们说，这是我们的基线，我们将其使用寿命设定为50年，我们还研究了镀锌钢筋和不锈钢钢筋，对于不锈钢钢筋，我对使用寿命更加乐观，并将其设定为100年，然后是2英寸的UHPC，这就是建造的，我认为，让我们也试试1.5英寸。对于这些，我分别设定了30年和40年的使用寿命。您可以看到，如果我们将材料生产中的碳排放分散在使用寿命上，UHPC选项为96%和93%，它们非常接近100%的基线。
所以它说，它们做得更好，但它们的使用寿命并不完全相同，它们略低一些。但我们没有包括，我认为从定性角度来看很容易做到，我们没有包括施工影响。同样，从定性角度来看，更换桥面与磨掉和移除顶部两英寸的施工影响将是巨大的，您必须拆除整个桥面，您将有更长的持续时间，更多的交通中断等等。因此，我相信我们可以很容易地……
总的来说，包括施工排放量在内，高性能混凝土（HPC）覆盖层是最可持续的方案。
接下来是试点项目，这是第一次尝试真正了解这是否是桥梁的良好选择。该项目于2020年秋季在桥面三个区域进行，分别位于桁架跨度、桁架桥跨度和悬索桥跨度，总面积约25000平方英尺。如前所述，我们去除了3又3/4英寸的UHPC，到达钢筋下方，但我们很快意识到，如果看到右侧图片中斜桁架下方，水下爆破无法去除混凝土，这并非一个切实可行的方案。起初，我们让承包商尽力用人工凿锤清理，但很明显，这样做并不实际。我们在试点项目中对此进行了妥协，这确实是一个重要的经验教训。因此，当我们进行全面项目时，我们决定将UHPC厚度减少到只有2英寸，这样只需露出钢筋顶部即可。此时，更多信息表明，即使混凝土中与钢筋接触的部分存在高氯离子浓度，也不是什么大问题，因为UHPC具有防水性，它切断了水的进入，切断了氧气的通路，它将基本上阻止任何腐蚀，而不管氯离子水平如何。因此，考虑到项目的规模和主管部门愿意关闭桥梁的时间限制，我们对此感觉好多了。项目分为三个阶段：2022年秋季、2023年春季和2023年秋季，基本上避开了不适合混凝土或UHPC施工的冬季和交通量高峰的夏季。这是一个简短的图表，您可以看到桥面哪些区域属于各个阶段。顶部是平面图，底部是立面图。这是从特拉华州一侧观察桥梁。蓝色部分是三个试点区域，它们都在特拉华州一侧。交通是从左向右行驶，特拉华州一侧最右边的车道是第一阶段。您可以看到第二阶段在桥梁左侧的两条车道上。如果我们移到新泽西州一侧，您可以看到最右边的两条车道是第三阶段，黄色部分表示第二阶段延伸了桥梁的全长，即2英里，这可能是最具挑战性的阶段。我将简要介绍一下施工步骤，并附上一些照片，向您展示它是如何进行的。首先要做的是设置交通维护和保护（MPT），其主要内容是在桥梁中心设置屏障，因为分阶段施工一次只占用桥梁宽度的一半。有趣的是，管理部门意识到，我们旁边还有一座四车道的桥梁（结构2），为什么不从中“借用”一条车道，反向该结构上的交通呢？这样，他们能够在整个项目期间维持每个方向三条车道的交通。一旦交通管制到位，承包商就开始准备清除顶部两英寸的混凝土。他们设置了防水围挡，然后进行机械铣削，清除约半英寸到一英寸的混凝土，这是减少水下爆破工作和废水的好方法。接下来是水下爆破，以清除剩余的混凝土，然后放置UHPC，固化，然后研磨和开槽。这是一张照片，您可以看到水下爆破围挡覆盖了左边的路缘和屏障，您可以看到大约一英寸的现有桥面已经被铣削掉了。这是一张水下爆破的照片。他们使用了遥控机器人，我相信他们使用了两个机器人来最大限度地提高产量。这是水下爆破后桥面的状态。您可以看到，只有钢筋的顶部暴露出来，也许还有一些其他的东西。现有的混凝土被很好地粗糙化了。平均而言，他们每天能够处理大约870平方码的桥面。接下来是UHPC。由于项目的规模和严格的时间要求，承包商引进了定制设计和组装的混合设备，以最大限度地提高新鲜UHPC的产量。照片中显示的是一个搅拌厂，他们实际上有两个这样的搅拌厂在大部分时间都在运行。平均而言，他们每天可以生产约100立方码。混合时间存在一些差异，但从开始装料到排出新鲜UHPC大约需要30到40分钟。考虑到大量的材料和桥梁的距离，让我快速回顾一下，大部分搅拌厂都设置在桥外，就在桥台后面。特别是对于第二阶段，他们必须将新鲜的UHPC运送多达2英里到第一个铺设地点。他们使用大型自卸车来运输散装UHPC到铺设地点，通常情况下，他们会将其转移到电动小车上，然后小车会将其放置在铺路机前面。这比一次倾倒一大堆材料更实际一些。一旦材料铺在桥面上，承包商的工人就会用耙子进行人工预平整，然后他们的抹平机或摊铺机就会过去进行最终的精加工。平均而言，他们每天可以铺设约1200平方码的桥面。UHPC铺设完毕后，他们立即使用龙门架喷涂养护剂。与试点项目和美国许多其他UHPC覆盖层不同，他们没有使用塑料薄膜，而是完全依赖于大量养护剂，这成功地消除了开裂和任何养护问题。然后，UHPC需要达到11000 PSI，然后才能进行任何其他操作。一旦达到这个强度，研磨和开槽作业就开始了。这是一台典型的研磨机在桥面上工作。我没有提到，UHPC通常比项目要求的最终标高高出四分之一英寸到3/8英寸，以便整个表面都可以研磨，以确保良好的防滑性能，这也是确保非常高的行驶质量的机会，事实上，我们有一个非常严格的标准，即10英尺内只有八分之一英寸的偏差是允许的。您可以看到这张幻灯片上的内容。这是最终产品，经过研磨和开槽，并通过标准直尺、滚动直尺和轮廓仪的组合进行了验证。一切都进展顺利，但有一些问题和一些经验教训。一个经验教训或一个挑战是水下爆破废水的围挡非常困难。在这张照片中，您可以看到桥梁有一个完全开放的路缘，最大的挑战是密封路缘，尤其是在路缘跨越伸缩缝的地方。该系统需要多层保护，事实上，每个阶段都增加了改进，不幸的是，有一些溢出物，主要的经验教训是，如果发生溢出，尽快清理，并且您不能对围挡系统投入足够的关注，尤其是在像这样的开放式路缘的情况下。另一个重要的经验教训，我相信这是一个对行业知识的贡献，由于几个原因，需要去除UHPC覆盖层。当然，我所说的表面研磨通常应尽快进行，当HPC达到11000到12000 PSI时，因为等待时间越长，材料就越硬越强，越难以去除。多年来我听到过很多次的一个问题是，UHPC覆盖层听起来不错，但是我们不可避免地可能会想要知道它可能会开始崩塌，也许是几十年后，我们该如何在不破坏整个桥面的情况下将其移除？现在，我认为我们可以回答这个问题，并说：是的，你可以移除它。你可以在这张照片中看到一部分已经被移除的部分，我会更详细地解释我们为什么要移除它。首先，不幸的是，在第一次铺设UHPC时发生了一起卡车起火事故，导致UHPC在2022年秋季受损。正如你所看到的，这辆卡车在2023年5月还在那里，所以事后过了六七个月。其后果是UHPC表面大量剥落。有人问我，UHPC是否发生了爆炸，因为这是一种可能发生的情况的理解，因为气体会积聚在UHPC内部，但如果没有连续的孔隙结构，这些气体就无法逸出。正如我所说，有多处剥落，深度约为四分之三英寸，但并没有爆炸的证据，尽管我注意到在女儿墙顶部有一些小的纤维和UHPC碎片，所以可能会有非常小的爆裂声，但我没有听说过现场有任何爆炸。业主想要进行紧急修复，我们只有一天不到的时间来完成。承包商已经使用这种安装在滑移装载机上的带硬质合金齿的铣削滚筒进行典型的研磨，以处理大型机器无法到达的最后六英寸或一英尺的边缘。我们观察到，与大型研磨机不同，它在表面留下了许多良好的纤维，因此，尝试一下似乎是一个不错的选择，而且效果非常好。不幸的是，这进展缓慢，我们确实有一些担忧，即研磨机是否会在UHPC表面留下微裂纹，尽管由于其纤维增强特性，我们比使用传统混凝土时更不担心。尽管如此，它仍然运作良好，我们没有看到任何理由担心这种移除方法。移除后，UHPC只是使用手动设备铺设，你可以看到使用手动动力抹面机或便携式动力抹面机，它只是被修整平整，没有溢出。最终，使用步进式研磨机粗糙化表面。这张照片是在14个月后拍摄的，它运行良好，没有任何问题。我认为我们学习了一些关于UHPC表面紧急修复的好方法。
另一个我们移除一些UHPC的原因是一些纤维球。在第一阶段使用全新的混合设备时，承包商并没有完全校准所有设备，一些纤维球进入了UHPC表面。你可以在右边看到几张照片，在一些区域，它们特别集中。业主说，他想把这些区域挖出来，然后重新铺设，我们那时已经知道这是可以做到的。对于这种移除，承包商选择使用水下爆破手持喷枪。此时，UHPC已经有一岁了，所以它已经远远超过了28天的强度。我们在界面处需要台阶，这样就不会出现直线状的施工接缝，并且在这些台阶上暴露的纤维可以获得良好的粘结，这一切都进行得很顺利。我们不需要完全移除，但在相当大一部分区域最终实现了完全移除，没有任何爆裂或类似情况。这些修复工作使用便携式桁架式抹面机完成，你可以在这张照片中看到，它们是超填的，这样就可以磨削和开槽以获得非常好的表面效果，因为这些被认为是永久性修复，而且效果非常好。你可以看到永久性修复的完成情况，你几乎可以看出已完成修复的轮廓。
第三个教训导致我们移除一些UHPC是行驶质量问题。在桥面的一段，由于某种原因，研磨操作员偏离了通常的做法，即从边缘开始一次通过，然后不断地横跨桥面移动，他们决定跳到另一侧并向内工作，这造成了无法通过重复研磨解决的行驶质量问题。最后，当我们担心是否会有足够的HPC剩余时，如果继续研磨，业主说，我们需要把最上面的一英寸取下，然后重新铺设。在这种情况下，UHPC也大约有一岁了，我们要求移除一英寸的原因是，我们担心如果他们试图移除整个深度，可能会出现爆裂。我们还认为一英寸就足够了。这贯穿了原始铺设桥面接缝的整个宽度，因此不需要任何施工接缝。承包商在这种情况下使用了他们在工作早期使用过的水下爆破机器人，留下了一个非常好的表面。再次，许多纤维暴露在外，我相信这对获得良好的粘结非常重要，并且基材上也有很多纹理。我确实提到过，我们不希望出现爆裂，在一些区域，所有UHPC都被移除，但我们没有任何爆裂，这很好。在这种情况下，新的UHPC使用与原始施工相同的设备铺设，并且成功了。现在，我想指出一些成功之处。对于大部分项目，甚至所有项目，UHPC都是紧邻交通进行铺设的，这确实产生了一些振动，但这并没有造成任何被注意到的问题。此外，承包商在下坡方向，大约四分之一的工作在下坡方向，并且紧邻交通，坡度为4%，所有的一切都成功了。通过这样做，他们能够节省一些时间，而无需重新安置他们的混合设备。也许这项工作中最大的经验教训和成功之处在于，正如该项目所证明的那样，UHPC叠层可以成功地安装在大型桥梁上。
在得出结论之前，我想向其他可能正在考虑为他们的桥梁使用UHPC叠层的工程师和机构提出一些建议。第一个设计建议是将移除和替换厚度限制在混凝土保护层。正如我之前所说，即使在钢筋周围存在高氯离子水平，UHPC也会防水桥面，从而阻止腐蚀。这不仅会降低成本，还会最大限度地提高拆除的环保性。尽可能多地进行铣削，以最大限度地减少水下爆破的量。这不仅会减少水下爆破水的控制问题，还会减少水下爆破移除的可变性，如果你遇到各种不同强度混凝土的旧补丁。如果你有任何漏水，请尽快将其冲洗掉，这样就不会有这种泥浆粘在下面的结构上。作为一个行业，我提倡探索水下爆破的替代方案。我知道喷丸处理传统上被认为是一种不会使表面和地下微裂纹的方法，我认为这需要更多研究和考虑，尤其是在使用UHPC叠层时，特别是如果你在水控制非常困难的城市地区作业。我强烈建议在所有情况下都进行样板测试，越大越好，绝对使用全尺寸的生产设备，使你的样板基材类似于你的桥面准备，然后，通常不会做的一件事是，我建议实际研磨固化样板的表面，我们没有这样做，因为在你这样做之前，你不知道你的最终服务会是什么样子。如果你在桥上研磨UHPC，你应该研磨样板，这可能会暴露出一些隐藏的缺陷，例如纤维球或气孔，然后你就有机会在开始桥梁施工之前纠正它们。至于规范，我建议确保满足修复任何表面缺陷的要求，如果它们还不是你机构标准规范的一部分，则包括行驶质量标准。
结论：在特拉华纪念桥的整个桥面上安装2英寸厚的UHPC叠层是一个绝对的成功。我们估计这将延长桥面的使用寿命40年，甚至可能更长。我们实际上认为这是一个保守的评估。正如我早些时候提到的，生命周期成本分析表明，与桥面更换相比，UHPC叠层是最具成本效益的选择。简化的计算还表明，UHPC叠层是最环保的选择。最后，我们用于叠层临时和永久修复的方法都是成功的。正如我们早些时候所说，我相信这是至少在北美第一座在整个长跨度桥梁上使用UHPC叠层的桥梁，并且是北美迄今为止最大的UHPC叠层，无论是按表面积还是按体积计算。为此，我要感谢你们的关注。我只简要提一下主要参与者，桥梁业主当然是特拉华河湾管理局，WSP是记录在案的工程师，施工检验由WSP和Churchill共同提供，总承包商是UHPC Solutions北美公司。我将再给你一张幻灯片，一些额外的资源，这些资源解决了我在演讲中提到的一些问题。第一份文件是UHPC叠层生命周期成本分析，这些都是联邦公路出版物，但这篇特别的文献实际上是我们为特拉华纪念桥所做的分析的一个版本，我的意思是，它就是分析，只是重新包装了一下。第二个资源是抑制腐蚀的技术，在安装叠层之前。标题并没有完全揭示我为什么把它放在这里的原因，但在这项研究的结论之一是，即使你不采取任何其他措施来阻止叠层下方的腐蚀，UHPC叠层也会大大减少，甚至阻止腐蚀。这确实证实了我们只移除最上面两英寸的方法。
联邦公路也有一份出版物，回顾了不同的叠层施工接缝，我们在该项目中心线使用了这种接缝，因为我们有分阶段施工。
关于基于UHPC的耐久年限计算，它基于工程判断，也结合了其他研究。一项最基础的研究是由已故的迈克尔·托马斯博士进行的，他进行了为期20年的UHPC样本在缅因州海岸海洋环境中的研究。该研究表明，氯离子很难渗透UHPC。他推断，要使氯离子以足够的浓度渗透到2英寸厚的UHPC中从而引发腐蚀，大约需要300到400年。另一个依据是瑞士的一个项目，他们于2004年在桥上铺设了叠层，并在2014年和2024年再次检查了氯离子渗透和水侵入情况，发现没有。综合这些数据以及各种实验室测试数据，表明水和氯离子无法渗透UHPC。结合UHPC的强度和高刚度，它将增强和加固桥面。对于2英寸厚的应用，我们认为40年是合理的最低预期。在寿命周期成本分析中，我们实际上略有差异，我们设定了30年和50年。我认为40年是保守的估计，它可能可以使用100年，但现有的混凝土桥面已有55年的历史，可能会开始老化，这是未知数。
关于是否有无损检测方法来验证纤维分布的均匀性，因为纤维在铺设过程中出现结块。虽然有一些研究，但我认为目前还没有一种可以大规模应用于叠层的方法。由于存在纤维结块问题，我们担心可能还有更多隐藏在表面以下。我们联系了一家测试公司，他们使用红外线和瑞利波层析成像技术进行了试验，但结果并不确定。
关于使用固化剂而不是塑料的方法，主要验证是在项目的样板中进行的。承包商进行了演示，工程师和业主都认为这是一种足够的方法。由于其他项目也使用了这种方法，并且试点项目进展顺利，我们认为这个问题得到了控制，并将此事交由承包商处理。目测可以看出，用量很大。
关于铣削与水下爆破法去除UHPC，我们使用铣削法去除四分之一英寸的超填料。对于更深的去除，我认为水下爆破法更好，生产效率更高。铣削法会使磨削公司的软管堵塞，并磨损磨轮。
关于UHPC叠层是否因相邻活载荷和振动而出现裂缝，早期进行了一些测量，以验证承包商的方法。承包商确信他们能够控制振动，不会出现问题，因此我们批准了他们的方案，最终也没有出现问题。
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