超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，UHPC)抗压、抗折强度高，耐久性好，被认为是20世纪最具创新性的水泥基工程材料之一^[1]。在桥梁工程和水利工程领域具有独特的优势^[2]。随着超高性能混凝土的出现，国内外一些学者^[3-4]开始提出了钢板+剪力连接件+超高性能混凝土+磨耗层的组合式铺装结构。这种铺装结构中的剪力连接件起到抵抗两者之间拉拔力和剪切力的作用，使钢板与混凝土形成一个整体共同受力，使结构表现出优异的力学性能。

但是另一方面UHPC具有极低的水胶比和大量胶凝材料(水胶比一般不超过0.18)^[5]，因此会表现出高度的自干燥性，而这会引起明显的收缩，不含粗骨料的UHPC收缩应变可以达到1 000 με^[6]，从而可能导致混凝土桥面板开裂^[7]。蒸汽养护虽然能减少UHPC收缩，但后期强度和耐久性不可避免的受到一定影响^[8]。基于UHPC轻质化和低收缩率的目的，在UHPC中以轻集料陶砂取代石英砂，制备以轻集料与钢纤维为骨架，硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰微珠等密实堆积的低收缩轻质超高性能混凝土(Lightweight Ultra-high Performance Concrete，LUHPC)^[9]，考虑配筋及覆膜养护方式的影响，研究LUHPC的收缩特性。另外，钢板与混凝土之间的自然黏结力相对较小，两者的层间剪应力几乎全部由剪力连接件提供，剪力连接件一旦出现破坏，就容易使铺装结构各层出现层间滑移，因此剪力连接件的抗剪承载能力成为一个研究重点。

同时对于诸如斜拉桥、悬索桥等大跨径桥梁，其力学响应对主梁自重敏感度高，因此桥面铺装自重在恒载中的占比愈小愈佳，以降低造价并保证拉索有较大的安全储备，这也就对铺装层材料的密度提出了一定要求。结合大跨度钢箱梁对降低桥面铺装自身恒载的需求，提出了LUHPC组合式钢桥面铺装组合，并针对LUHPC的基本力学性能、收缩性能以及LUHPC铺装组合的抗剪性能进行了试验研究，可为相关工程实践提供参考。

水泥为P·O 52.5水泥(PC)，比表面积为372 m²/kg，标准稠度用水量为26.7%；硅灰(SF)呈灰色粉末状，比表面积为21 500 m²/kg，SiO₂含量为96%；粉煤灰微珠(FA)比表面积为1 300 m²/kg，堆积密度650 kg/m³；外加剂包括膨胀剂和减水剂，减水剂(WRA)为聚羧酸高效减水剂，减水率30%，膨胀剂(EA)为天津豹鸣HCSA型膨胀剂；轻集料(LA)为800级页岩陶粒破碎的连续级配陶砂，饱和吸水率为12.3%，堆积密度为745 kg/m³，表观密度为1 320 kg/m³；钢纤维采用平直型镀铜钢纤维，当量直径0.25 mm；拌和水(W)为自来水。试验设计了6组配合比，所有试件的水胶比(每立方米混凝土用水量与所有胶凝材料用量的比值)均为0.18，胶砂比均为1.8，如表 1所示。

陶砂提前24 h预湿至饱和面干状态，密封存放。LUHPC的拌和工艺：首先将预湿轻集料和胶凝材料干拌2 min，再加入80%的水和减水剂，湿拌4 min形成具有一定流动度的拌和浆体后，均匀撒布式的加入钢纤维，最后加入剩余的水和减水剂。将拌和物入模覆膜养护24 h后拆模, 进行标准养护。

LUHPC的工作性能根据《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》(GB/T50080—2016)进行测试，以此来评价LUHPC的工作性能。

LUHPC的力学性能根据《活性粉末混凝土》(GB/T31387—2015)和《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2019)进行测试，其中，抗压试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。

LUHPC的收缩测试根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)中接触法相关规定进行，试件尺寸采用100 mm×100 mm×400 mm，测试装置为立式混凝土收缩架，试件分组见表 2，试件钢筋布置见图 1。

图 1 LUHPC配筋试件钢筋布置及收缩试件图(单位：mm) Fig. 1 Arrangement of steel bars in reinforced specimens and shrinkage specimens(unit: mm)

图选项

在满足基本力学特性与施工和易性条件的前提下，较低密度的D组材料配合比(表 3)更为符合大跨度钢桥面铺装降低恒载的需求。故在推出试验试件中的LUHPC采用D组配合比制作，LUHPC拌和方式同上，拌和物入模后覆膜养护24 h，然后覆盖土工布自然养护28 d(环境温度约为25 ℃)，养护期间每天早晚洒水两次。

试验共设计了2个尺寸相同的推出试件，试件尺寸的设计参考了《Eurocode 4》中标准推出试件的尺寸，试件构造见图 2。试件中部钢结构为焊接工字钢，材料为Q345D，板厚为16 mm。两侧钢板上焊接梅花状分布的ML15剪力钉，剪力钉间距为200 mm，高度为40 mm，钉身直径为13 mm。在剪力钉上绑扎有纵横向分布的HRB400级钢筋，钢筋间距为100 mm，直径为10 mm。在两侧钢板外侧浇注有50 mm厚的LUHPC。

图 2 推出试件构造与加载图(单位：mm) Fig. 2 Structure of push-out specimen and loading (unit: mm)

图选项

如图 2所示，加载仪器为2 000 kN液压式压力试验机。钢板与LUHPC的界面相对滑移采用8个千分表读取，千分表布置在LUHPC板侧面与剪力钉连线延长线相交处，界面相对滑移量取8个千分表的读数平均值。试验开始前，将千分表轴线调整至铅垂方向，以消除千分表轴线偏移带来的试验误差。试验加载方式为力控制加载，正式试验开始前对试件进行预加载以消除试件偏心和试件与试验机之间的接触不良，预加载最大值为250 kN(预估极限荷载的40%)，循环4次。正式加载时以每级50 kN进行分级加载，直至试件破坏。

本次试验设计的6种配合比的试件试验结果如表 3所示。LUHPC的扩展度及密度见表 3。B组配合比得到的LUHPC扩展度最大，大约为700 mm；C组扩展度最小，大约为450 mm，流动性较差，C组相对B组扩展度下降了约35.7%。D组配合比得到的LUHPC密度最小，大约为2 068 kg/m³；B组密度最大，大约为2 103 kg/m³，B组相对D组密度加了1.7%。

LUHPC的力学性能变化见表 3。6组配合比中LUHPC试件的7 d抗压强度均达到28 d抗压强度的75%以上；E组配合比得到的试件7 d和28 d抗压强度达到最大，分别为93 MPa和123.4 MPa，C组配合比得到的试件28 d抗折强度达到最大，其值为16.2 MPa。

6组配合比得到的LUHPC试件28 d抗压强度在107 ~130 MPa之间，28 d抗折强度则在12~17 MPa范围内。相对于传统UHPC，虽然LUHPC的强度指标稍有下降^[10-11]，但如果基本力学性能与工作性均能满足设计需求，并不影响其使用。另外，从比强度(材料抗压强度与单位质量之比)^[12]的角度分析，课题组^[13]前期试验得到的LUHPC比强度为0.053 5，UHPC比强度为0.051 5，LUHPC比强度相对于UHPC比强度高出3.9%，可见LUHPC具有更佳的轻质，高强综合性能。综合考虑LUHPC的力学性能和施工便利性，在进行收缩试验和推出试验时选取强度，扩展度较高，密度较小的D组进行研究。

UHPC由于水胶比小、胶凝材料占比大，HCSA膨胀剂可以促进水化作用使得混凝土体积膨胀，以补偿收缩，早期效果较为显著^[14]。论文所研究的LUHPC中陶砂具有多孔结构，经过预湿处理(浸水24 h)后这种内养护材料会在混凝土凝结硬化过程中持续释放水分，充分发挥其对LUHPC的补偿收缩作用^[15]，文献[16]也指出在内养护材料等作用下，珊瑚礁砂混凝土的干燥收缩降低了约20%。同时，在LUHPC内掺入8%HCSA膨胀剂，引入Ca(OH)₂和钙矾石两种膨胀源也起到了补偿收缩的作用，试件收缩曲线见图 3。

图 3 LUHPC收缩曲线 Fig. 3 Shrinkage curves of LUHPC

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如图 3所示，根据150 d收缩曲线可以发现，3^#~5^#配筋无覆膜LUHPC试件收缩曲线变化率逐渐变小，与1^#空白对照组收缩曲线变化趋势相似，但是总收缩值均小于1^#空白对照组，且随着截面配筋率的增大，收缩值逐渐变小。2^#覆膜无配筋组前3 d出现了轻微膨胀，随后呈现收缩趋势，7 d后变化趋势与1^#空白对照组变化趋势相似，究其原因，薄膜的保水作用使试件内部水分几乎无法逸出，加之内养护轻集料的持续释水作用，使得水泥浆体中毛细孔失水负压作用减弱，达到抑制收缩的效果。

正式加载阶段，荷载从250 kN加载到300 kN的过程中，试件开始发出轻微的钢纤维被拔出的“滋滋”声；加载至450 kN时，从一侧发现肉眼可见的钢-LUHPC界面分离；荷载从800 kN加载到850 kN的过程中，伴随着一声巨响，一侧LUHPC板与试件主体脱离，试件完全破坏。取下试件观察断口，发现破坏模式为焊缝被剪断，焊缝周围LUHPC有轻微剥落。试验现象如图 4所示。

图 4 试验现象 Fig. 4 Testing phenomena

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推出试验的荷载-滑移曲线见图 5。观察图中曲线发现，加载初期荷载-滑移曲线近似呈线性发展。当荷载达到450 kN时，随着一侧钢-LUHPC界面分离，滑移量有较快增长，此时刚度有细微下降。荷载-滑移曲线从400 kN开始进入非线性区，直到850 kN左右试件破坏。

图 5 荷载-滑移曲线 Fig. 5 Load-slip curves

图选项

根据试验荷载-滑移曲线，拟合得到钢-LUHPC抗剪能力荷载-滑移计算公式(1)

(1)

式中，F为外荷载值；δ为钢-LUHPC界面滑移量。

剪力连接件的作用是传递钢板与混凝土之间的剪力，约束两者之间的界面滑移，而抗剪刚度则反映了构件的抗滑移能力。根据连接件在受剪时的工作特性，可将其抗剪模型分为3阶段^[17]：第1阶段为剪力钉和混凝土都处于弹性范围；第2阶段为剪力钉根部进入屈服状态，剪力钉根部混凝土出现裂缝；第3阶段为剪力钉根部混凝土被压碎退出工作，剪力钉根部形成塑性区。本研究参考各国规范和文献[18]对抗剪刚度进行了比较，如表 4所示。

从表 4中可以看出，根据规范和文献计算得到的抗剪刚度计算值离散性较大，其中按GB 50017和文献[18]计算的结果较小，日本规范计算结果最大。本研究中LUHPC组合铺装结构抗剪刚度可以偏安全地认定约为3 750 kN/mm，结合图 5分析，大致对应为剪力钉进入塑性阶段后的抗剪刚度。

我国《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中给出了圆柱头焊钉连接件的受剪承载力计算公式：

(2)

式中，E_c为混凝土的弹性模量；f_c为混凝土抗压强度设计值；A_s为焊钉钉身横截面积；f_u为焊钉极限抗拉强度设计值。

美国AASHTO规范给出的剪力钉承载能力计算公式为：

(3)

式中f′_c为混凝土圆柱体抗压强度。

欧洲Eurocode 4规范给出的剪力钉抗剪承载能力计算公式为：

(4)

式中，γ_v为分项系数；d为剪力钉直径；α为与剪力钉长径比有关的系数。

日本道路桥示方书给出的高径比较小时剪力钉承载能力计算公式为：

(5)

式中，h_s为焊钉高度；σ_ck为焊钉标准设计强度。

图 6为本次试验得到的剪力钉极限承载力与上述规范的计算结果对比图，本次实测值为70.83 kN，大于各国规范的计算值，满足工程规范设计要求。

图 6 推出试验单钉承载力与各国规范计算结果对比 Fig. 6 Comparison of single nail bearing capacity obtained by push-out test with calculated values obtained according to foreign specifications

图选项

通过上述试验研究发现，LUHPC桥面铺装材料的试验结果均满足某大跨度钢箱梁桥面铺装的设计要求(已考虑安全系数)，如表 5所示。

(1) 轻集料-陶砂的加入使得LUHPC的密度达到2 100 kg/m³以下，轻集料的释水作用、覆膜保水作用以及膨胀剂的加入均可以显著降低LUHPC的收缩量，试验组LUHPC的150 d收缩应变均在300 με以下，满足设计要求。其中覆膜保水结合膨胀剂共同作用，可使LUHPC的150 d收缩应变控制在150 με以下。但LUHPC的收缩调控工艺要求较为精细，在各阶段均需精准把握控制。

(2) 本次静力推出试验表明，钢-LUHPC界面滑移破坏存在脆性破坏，破坏模式均为焊缝剪断，钢板及LUHPC铺层界面性状保持良好。实测单钉极限抗剪承载力为70.83 kN，满足设计要求。LUHPC组合结构推出试验得到了连接件的荷载-滑移曲线，根据试验数据对荷载-滑移曲线进行了拟合，并据此分析得到了抗剪刚度，可以为相关研究或工程实践提供参考。

(3) LUHPC组合式钢桥面铺装在高温高湿环境下的耐久性、车辆动力荷载与温度耦合作用下疲劳性能尚需进一步深入研究。