用于修复和保存的可喷射 UHPC

由于具有优异的性能，包括卓越的耐久性，超高性能混凝土（UHPC）越来越多地用于北美交通基础设施，用于新建工程以及现有结构的保护和修复。大多数UHPC的应用都采用浇筑法成型——或使用自密实UHPC，或使用触变性UHPC，在浇筑后用振动抹面板密实和整平。现有的UHPC某些应用如梁端、墙体和墩柱的修复和保护，以及新应用或未来潜在应用如桥面拱腹维修、涵洞维修或改造等，则期望UHPC可进行喷射施工。在这些应用中，由于不需要模板，喷射UHPC通常比浇筑UHPC的成本更低。此外，喷射可以从任何方向将UHPC分布成型在结构上，而不是只能从结构上方浇筑并依靠重力来分布和成型，如果上方有桥面等障碍物则很难进行浇筑施工。

喷射UHPC于1980年代后期首次出现在欧洲，用于加固和修复各种结构。然而，与今天常见的UHPC组成不同，当时使用的UHPC包含粒径超过0.02英寸(0.5mm)的细骨料颗粒，并不总是含有钢纤维（Buitelaar 2018）。近年来，采用现代配合比设计，喷射UHPC已在欧洲多个基础设施项目应用。然而，在美国只有少数示范或研究项目使用了喷射UHPC。本技术笔记（Technote）介绍了欧洲和美国一些成功喷射UHPC案例，讨论了其中的挑战，旨在激励和促进这项技术在美国应用。喷射UHPC技术有望降低施工成本，能在更多工程上应用并受益于UHPC的性能优点，应用前景良好。

有关UHPC材料特性和其他常见应用的更多信息，请参阅Design and Construction of UHPC-Based Bridge Preservation (基于UHPC的桥梁保护与修复方案设计和施工) 和Design and Construction of Field-Cast UHPC Connections (现场浇筑UHPC连接的设计和施工) (Haber等2022, Graybeal2019)。

喷射混凝土（Sprayed concrete或shotcrete ，也称为喷浆gunite）是传统混凝土常用的一种成型施工技术，主要应用是稳定开挖的洞室和边坡，用作隧道、涵洞和渠道等的保护衬砌，以及用于混凝土结构维修，特别是大型垂直表面和仰面，如桥墩、墙壁和桥面板底面。喷射混凝土在这些应用中有许多优势，优点包括：

为了成功喷射，混凝土的骨料最大粒径通常为0.5英寸(12.7mm)或更小，使用多种外加剂如速凝剂、高效减水剂和助泵剂等改性。大多数喷射混凝土施工都依靠安装在成型区域的钢筋网或钢丝网帮助固定喷射混凝土。该金属网还增强了硬化混凝土。

喷射混凝土可以使用湿法或干法喷射。在干法中，干混合原料被气力推到喷嘴，当干混合物从喷嘴喷出时，在喷嘴处加入水和液体外加剂。在湿法中，混凝土和液体组分预先混合，然后泵送到喷嘴，在喷嘴处通入压缩空气喷射出混凝土。

成功的混凝土喷射在很大程度上取决于喷射操作工的技能。由于这个原因，美国混凝土协会ACI（2023a，2023b）有两个喷射混凝土喷射工认证程序——一个针对湿法，一个针对干法。   

喷射混凝土的上述所有优点也适用于喷射UHPC，包括固化速率比常规UHPC更快。由于没有粗骨料，喷射UHPC的回弹也比喷射传统混凝土少，所以浪费的材料更少。

目前，喷射UHPC的方法通常采用湿法。在合适的搅拌机中将水加到UHPC干混料中，一旦达到适当的稠度，就将钢纤维加到拌合物中。当纤维分散均匀时，UHPC拌合物被泵送到喷嘴，在那里通入压缩空气喷射UHPC。

由于UHPC具有优异的性能，与传统混凝土相比，使用喷射UHPC进行修复的材料用量通常较少。这对于涵洞修复尤为重要，因为修复的同时要保持涵洞水流容量（截面积）。图1示例显示涵洞修复喷射UHPC的好处。

用于修复的、相对较薄的UHPC层具有较高强度，通常可以不需要依靠涵洞现在剩余的钢结构而独立承受涵洞载荷。在这种情况下，可以不必担忧原金属涵洞的状态会持续恶化。此外，UHPC外壳较薄，允许弯曲，能如同原来的金属涵洞一样适应周围的土壤。最后，欧洲的经验表明，与传统修复波纹金属涵洞的方案相比，使用喷射 UHPC的成本大致相同，但具有多种优势（Huynh, Petit, and Derimay 2019）：

2016年，欧洲一家UHPC供应商开展了系列试验，使其UHPC材料适应传统活塞驱动混凝土泵进行泵送和喷射，重点关注材料的流变性。与其典型的自流平UHPC配合比设计相比，喷射UHPC配比有较大修改（Trucy、Dobrusky, and Bonnet 2017; Doiron 2019）。

一个承包商在2017年与该UHPC供应商合作，对喷射UHPC进行了多次测试，用于修复波纹钢涵洞，验证 UHPC 配合比设计、设备和施工程序，制定质量控制计划。UHPC喷层厚度介于1.2英寸(30.5mm)到2.4英寸(61mm)（Huynh et al，2017）。在试验测试成功后，承包商得出结论，喷射 UHPC 是修复劣化金属涵洞极好的方法，随后继续使用喷射UHPC修复了许多其他涵洞。

自2018年以来，欧洲开展了多个喷射UHPC项目，修复波纹钢涵洞（Gluzicki 2020; EGIS 2021; République Française 2022; Huynh, Petit, and Derimay 2019; Picaud 2019; Ministère Chargé des Transports [法国交通部] 2019 ），修复两座大坝（Floquet and Teply 2022），以及为采矿设备增加耐磨表面（Riedigers 2022）。这些项目使用了至少两种不同的商用 UHPC 产品，一种是专门针对喷射进行改进的；另一种使用标准的自密实产品，仅调整一种外加剂的用量来改变流动特征。

迄今为止，在北美，喷射UHPC仅限于美国的一些试验和研究项目。一个承包商使用商业化UHPC和传统活塞驱动混凝土泵进行的试验取得了成功，但遇到的挑战是泵不能很好地适应UHPC。一个未参与该试验的UHPC供应商，最近宣布提供定制设计和制造的设备用于泵送和喷射UHPC ，并开展了一些成功试验和一个研究项目（Hays 2022; Kulish and McDonagh 2022）。   

喷射UHPC要面对一些传统喷射混凝土所没有的、UHPC较难克服的挑战。

UHPC的工作性对热高度敏感。保持新拌UHPC的工作性，通常认为温度的上限为 80°F（27°C），当然也有一些UHPC拌合物可以承受更高的温度（Graybeal 2019）。搅拌过程的水化和摩擦会在内部产生热，UHPC通常会被加热。UHPC在温暖或炎热天气中搅拌时，许多UHPC供应商会用冰代替部分拌合水，以保持新拌UHPC的温度低于上限，即使是不泵送的拌合物也是如此。

泵送的挑战之一是大多数混凝土泵会加热新拌UHPC，因为传统混凝土泵的活塞推拉混凝土会产生大量内摩擦。阳光照射，尤其是泵管较长，会进一步增加热量。供应商可在UHPC入泵之前调整拌合物，补偿被加热而损失的工作性。但经验表明，随着环境温度的升高，这种做法所要应对的挑战也越来越大（McDonagh and Foden 2019）。

泵送UHPC的另一个挑战是钢纤维掺量相对较高，以及钢纤维的尺寸。UHPC的最小纤维含量通常为2%（按体积计），比传统纤维增强混凝土常用的纤维含量要高很多。此外，UHPC用的纤维比传统纤维增强混凝土常用的纤维小得多，为针状及尺寸；纤维容易粘附在软管内部，导致堵塞；并且在泵送UHPC后清洁泵和软管比泵送传统混凝土后更困难、更耗时。

一个欧洲公司和一个美国公司已成功喷射UHPC，并通过不同的方法解决了泵送问题。这个欧洲公司试用了多种传统混凝土泵，确认市场上一特定型号的混凝土泵可以最大限度地减少加热，适合用来喷射UHPC（Doiron 2019）。之后，该公司定制了一套UHPC搅拌、泵送和喷射机，其中包含这个混凝土泵以保持施工过程拌合物稠度（Huynh et al. 2017; Huynh, Petit, and Derimay 2019）。美国公司定制了两套UHPC 搅拌、泵送和喷射机。该美国公司没有采用传统的活塞式混凝土泵，而是使用挤压泵技术，几乎消除了摩擦热（Kulish and McDonagh 2022）；其定制的软管接头，降低了纤维堵塞的可能性。

上述与泵送相关的挑战表明，泵设备的选择对于成功喷射UHPC至关重要。简单地选择任何可用的混凝土泵来喷射UHPC，成功的机会似乎很低。由于现有泵的选择有限，合适可用的泵不多。在短期内，可能最好是与拥有成功喷射UHPC设备的公司合作。

欧洲试验项目使用活塞驱动泵，所确定的一些泵设备和操作要求如下（Doiron 2019）：

UHPC材料配方可为成功喷射UHPC发挥作用。至少有两种已成功喷射的商业化 UHPC产品，没有或仅对标准配方进行了微小修改：一种使用定制专利设备，其中包含挤压泵技术；另一种使用传统的活塞驱动泵（Kulish and McDonagh 2022）。然而，另一家商业UHPC供应商对其标准UHPC材料配方进行了重大修改，能够使用传统混凝土泵成功喷射（Trucy, Dobrusky, and Bonnet 2017）。

UHPC搅拌需要专业知识，通常由UHPC供应商直接操作或监督。在泵送和喷射 UHPC时，搅拌的专业知识更为关键，因为UHPC可能经常需要调整以保持所需的工作性。此外，与喷射传统混凝土一样，成功的UHPC喷射在很大程度上取决于喷嘴操作工的技能。

试验室测试数据表明，UHPC的渗透性极低，这是其被用于修复桥面的原因之一，因为可以有效地为桥面防水（Haber et al. 2018）。然而，在可能存在恒定静水压力的涵洞和隧道中施工，必须特别关注水密性，这是质量的关键。早期应用UHPC修复的隧道，有些已经有渗水迹象，尽管专家们还不知道水是通过 UHPC渗透，还是通过接缝或是通过UHPC中潜在裂缝渗透。

法国道路和高速公路下的多个波纹金属涵洞已使用喷射UHPC进行了修复，以下介绍两个首批修复的涵洞项目。法国使用喷射UHPC修复的其他涵洞（本技术笔记未讨论），包括法国Tarbes的A64高速公路，计划修复和扩建Palinges附近中欧大西洋路线（Route Centre-Europe Atlantique , RCEA）高速公路涵洞，修复里昂附近A450高速公路涵洞（Gluzicki 2020; EGIS 2021; République Française 2022）。基础设施业主还使用喷射UHPC修复了Sauveterre和 Caderousse镇罗纳河上的两座大坝（Floquet and Teply 2022）。承包商选择喷射UHPC进行大坝修复，因为施工速率比浇筑UHPC高，也因为耐久性比传统喷射混凝土好（Picaud 2019）。    

第一个使用喷射UHPC修复的项目，是法国Ciry-le-Noble的RCEA高速公路（RN 70）供牛通行的涵洞（Huynh, Petit, and Derimay 2019; Picaud 2019）。涵洞长61英尺(18.6m)，内部高度为12.1英尺(3.7m)，于2018年进行了修复。涵洞（波纹钢）有大量的锈蚀区域，因此需要修复以保持其结构完整性。该项目的限制之一：要避免内部净空的减少超过1.2英寸(30.5mm)。使用传统钢筋混凝土方案将使净空减少6英寸(152mm)以上。该项目另一个设计修复的目标：不依靠波纹钢，（喷射UHPC层）可以独立承担所有恒载和活载。

选定的修复方案包括一层喷射的UHPC，该UHPC层在波纹钢波峰处的厚度为1.2英寸(30.5mm)，（在波谷处更厚）。图2显示在波纹钢上喷射的UHPC。钢筋仅设置在钢节段连接处，确保连接之间的机械连续性。共喷射了约27yd3(20.7m3) 的UHPC。喷射后，用大直尺将UHPC抹平。固化后，在涵洞侧面做砂浆饰面层，使表面平整并覆盖突出的纤维。涵洞修复完成后见图3。

第二个项目是修复Briis-sous-Forges的A10高速公路涵洞，这是公路业主法国交通部在2019年开展的试点项目（Ministère Chargé des Transports [法国交通部]2019年; Huynh, Petit and Derimay 2019）。 

涵洞内部长154.5英尺 (47m)，宽12.1英尺(3.7m)，高10.5英尺(3.2m)。该涵洞需要修复是因为其上面高速公路的交通量很大，而涵洞上方埋深只有4英尺(1.22m)。该项目在波纹钢涵洞的内表面增加一层UHPC，设计为不依靠原始钢结构能够独立支撑所有恒载和活载。图4显示喷射到涵洞内部的UHPC。喷射UHPC层的平均厚度为3.0英寸(76mm)，波峰处厚度为1.8英寸(46mm)，波谷处厚度为4.1英寸(104mm)，与传统解决方案相比，大幅减小了净空的降低。因是喷射UHPC，不需要模板。

与之前的RCEA高速公路涵洞修复相比，该项目有些变化。纤维体积用量从2.0%增加到2.5%，UHPC 的抗压强度从18.9ksi(130MPa)增加到22.8ksi(157MPa)。此外，从泵到喷嘴的距离增加到了200英尺(61m)。

迄今为止，瑞士已经完成了两个使用喷射UHPC修复公路隧道的项目，讨论如下。

瑞士连接Saint-Brais镇和Glovelier镇的de la Roche岩石隧道于2021年进行了修复和扩建，正好是该隧道初次建成后的200年。大约平均每周都会有一次卡车被卡在这个40英尺(12.2m)长的隧道中，因此该项目将隧道宽度从19.6英尺(6m)增加到23.6英尺(7.2m)，将顶部高度从15.7英尺(4.8m)增加到18英尺(5.5m)（Holcim 2022; RFJ 2021; République et Canton du Jura 2021）。承包商因为UHPC的强度和抗水渗透性能，选择喷射UHPC来衬砌扩大的隧道，最大限度地减少了需要清除的岩石量并缩短了施工时间。喷射UHPC后，承包商用1.2英寸(30.5mm)厚的常规喷射混凝土层、5/32英寸(4mm)厚的喷射防水层和4英寸(102mm)厚的常规纤维增强喷射混凝土层完成隧道衬砌。图5显示了修复前后的de la Roche隧道。 

位于瑞士Frinvillier镇上坡的N16公路上约400英尺长(122m)的T5隧道，也在 2021年使用130yd3(100m3)喷射UHPC进行了修复（Marti Arc Jura 2021）。需要修复的原因是该地区有大量泉眼和小溪，水渗入了钢筋混凝土隧道衬砌，随着时间的推移导致衬砌混凝土劣化（Péry La Heutte n.d.）。承包商用 UHPC 替换隧道衬砌，泵送UHPC现浇16.4英尺(5m)长、3英寸到4英寸(76mm到102mm)厚的板。为了减少16.4英尺(5m)长板之间连接处渗水的可能性，承包商在每个板连接位置的基材上挖了3.3英尺(1m)宽的环形带，并在泵送浇筑UHPC板之前用 UHPC填充。最初，承包商在连接处用模板成型第一个UHPC环形带，但在进行了一些喷射UHPC试验后，承包商转而喷射UHPC环形带以节省时间。随后，连接处的大部分环形带都使用喷射UHPC完成，如图6所示。

在撰写本文时，美国尚未使用喷射UHPC完成任何商业工程项目。然而，至少有两家美国公司已经完成了喷射UHPC的试验。一些交通部门也开始考虑使用喷射UHPC，因为它有很多好处。 

2019年，一家美国承包商在天然岩壁（如图7所示）和倾斜的木质表面上进行了喷射UHPC的试验。承包商使用了来自欧洲的商业UHPC产品，该产品经过专门改进，可使用传统混凝土泵进行喷射。尽管泵UHPC的出料速率比预期要快，但试验仍然被认为是成功的。

2022年，爱荷华州立大学与加州交通部合作，成功泵送和喷射UHPC，制作了全尺寸桩帽壳和全尺寸柱壳（Hays 2022）。研究人员使用一个商业化标准UHPC产品，并使用供应商定制设计的设备泵送，该设备结合了挤压泵技术（Kulish and McDonagh 2022）。UHPC泵送到桩帽模板的顶部，喷射在桩帽模板的侧面和柱模板上。UHPC成型如图8所示。

研究人员选择喷射UHPC预制成型壳原型，以展示如何在工地现场或工厂快速生产制作。并且，由于重量轻，预制外壳容易运输并用小型设备安装就位，然后填充传统混凝土。这样，UHPC的耐久性优势可以以经济的、高效率的方式应用于新的桩帽和柱子。

喷射UHPC正在成为欧洲修复涵洞的有效施工方法，基础设施业主正在考虑对隧道和水坝等更多项目进行修复。喷射UHPC结合了UHPC的所有优点，包括极高的强度和耐久性，以及经济高效且快速的施工过程，消除了模板和重力的限制。这些限制以前阻碍了在一些结构部位成型UHPC或经济高效地施工。喷射UHPC的优点也适用于其他基础设施，例如修复桥台和挡土墙、柱子和桥墩、桥面拱腹等等。此外，正如爱荷华州立大学的研究项目所证明的那样，喷射UHPC是一种为新工程提供UHPC耐久性保护的简单方法。这种保护可以采用预制UHPC外壳再填充传统混凝土来实现，或在新浇筑的传统混凝土构件上喷射UHPC来实现。

美国至少有两家商业公司成功进行了喷射UHPC的试验，至少有一家美国公司设计和制造了用于UHPC搅拌、泵送和喷射的定制集成设备。结合从欧洲获得的成功经验与教训，这项技术具有坚实的基础。喷射UHPC已成为一种工程结构保护和修复的解决方案，可供希望利用其众多优势的基础设施业主使用。 

Freyssinet和Holcim公司拥有图1原图版权，可访问网址：

https://www.iastatedigitalpress.com/uhpc/article/9725/galley/9846/view/（Doiron 2019）。本文对原图进行了修改，将公制单位更改美国标准单位的显示方式，将“ductal”替换为“UHPC”，将“Concrete culvert axis”替换为“Culvert axis”，并去除了横截面视图左侧的无关内容。 

参考文献见原文，原文下载地址：

https://highways.fhwa.dot.gov/sites/fhwa.dot.gov/files/FHWA-HRT-24-118.pdf