针对既有桥梁墩柱结构性能提升，需研究强度高、施工便捷、耐久性好的专门补强技术措施。桥梁墩柱在水下时，由于水的阻碍难以对其进行修补施工，但在秋冬枯水期桥墩的病害部位会裸露出来，可利用这一窗口期对桥墩进行性能修复。传统的混凝土修补方法施工工期长、工作量繁重。为快速提升桥梁墩柱性能，满足施工便捷性、修补可靠性、经济合理性的需求，拟结合高强混凝土的优良特性与混凝土喷射施工工艺，研究采用喷射高强混凝土进行桥梁下部墩柱结构性能提升的关键技术，研发桥梁墩柱修复用喷射高强混凝土材料。目前喷射用高强混凝土材料方面的研究还比较少，关键技术还未完全成熟，不同影响因素对高混凝土性能的影响还处于研发过程^[1-6]；另外，高强混凝土的水胶比小，流动性差，而喷射混凝土要求流动性大，硬化时间可控，二者之间有不可调和的矛盾^[7]。国外的研究人员还是将普通混凝土或高强混凝土用于喷射，强度一般在C30以上，水胶比在0.5左右，也达不到高强混凝土配合比设计的要求^[8-11]。因此，有必要借鉴国内外喷射混凝土^{[7, 12-15]}和高强混凝土关键技术^[16-18]，得到喷射用高强混凝土配合比设计，形成一套施工便捷快速、性能可靠、经济合理的改扩建工程桥梁墩柱结构性能提升技术。

针对高强混凝土喷射后需要快速凝结硬化、避免流淌的特点和要求^[7]，研究影响高强混凝土流动性和力学性的因素。在提出的基准配合比基础上，采用室内试验对不同水胶比、不同最大粒径骨料以及纤维掺量对高强喷射混凝土工作性能以及抗压、劈拉等力学性能的影响规律进行研究，并提出高强纤维喷射混凝土的最佳配合比方案，以期对京沪高速公路桥梁下部结构喷射高强混凝土的使用技术提供技术支撑。

结合喷射水泥混凝土快速硬化的特点，采用硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥(SAC)，其中普通硅酸盐水泥P.O42.5，满足GB175—2007《通用硅酸盐水泥》规定。水泥主要参数见表 1。

试验采用硅灰符合现行规范GB/T 27690《砂浆和混凝土用硅灰》要求，物理参数见表 2。

试验采用骨料主要是0~2.36 mm，0~4.75 mm粒径河砂，按照最大密实度方法进行配置，0~2.36 mm区间的骨料按照0~0.075，0.075~0.15，0.15~0.3，0.3~0.6，0.6~1.18，1.18~2.36连续级配比例21.2%，7.8%，10.6%，14.5%，19.2%，26.8%进行配置。0~4.75 mm区间的骨料0~0.075，0.075~0.15，0.15~0.3，0.3~0.6，0.6~1.18，1.18~2.36，2.36~4.75 mm按照连续级配比例15.5%，5.7%，7.7%，10.6%，14%，19.6%，27.0%进行配置。

促凝剂是液体无碱速凝剂，推荐掺量为7%，满足《喷射混凝土用速凝剂》(GB/T 35159—2017)指标要求，氧化钠当量含量不大于1.0%，pH值为4~6，含固量30~40%，具有减水、速凝、早强、增强、微膨胀、抗裂抗渗、抗蚀防腐的优良性能。

试验选用聚羧酸系高性能减水剂，由湖南某有限公司生产，白色透明液体，减水率达到30%以上，保坍时间不小于1 h。

本研究选用聚丙烯纤维(PP)，主要性能指标见表 3。

试验采用的配合比见表 4，B组和E组水胶比分别为0.2和0.185的基准配合比，A~J组共10组配合比设计，进行水胶比、骨料最大粒径以及纤维掺量等因素对喷射混凝土工作性能和力学性能的试验研究。

现场试验了桥梁墩柱修复时混凝土的喷射效果，坍落度在160~220 mm之间时，混凝土具有良好的喷射性能，形态呈雾状，同时浇注喷射的混凝土试件。按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)的试验方法，抗压强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试件；劈拉强度试验采用150 mm×150 mm×150 mm立方体试件。水胶比分别为0.2和0.185两种，水胶比为0.2时，聚丙烯纤维的体积掺量分别为0.15%，0.3%，水胶比为0.185时，纤维的体积掺量分别为0.15%，0.3%，0.5%，0.9%和1.5%，一方面，掺入聚丙烯纤维是为了提高喷射混凝土的抗拉强度，另一方面，掺入聚丙烯纤维可提升喷射混凝土的骨架结构，完善其抗裂性能。采用两种最大粒径分别为4.75 mm和2.36 mm的骨料进行配比试验，测试骨料最大粒径对喷射混凝土流动性和强度的影响，具体的配合比见表 4。

A组的坍落度和扩展度分别为225 mm和525 mm，流动性和黏聚性较好，未掺加聚丙烯纤维，可作为基准配合比进行更多的试验研究。在首次测试B组混凝土的坍落度时，水泥砂浆和桶壁黏结强，坍落度试验失败，后续补充试验过程中，保持坍落度桶内壁湿润情况下，测试B组混凝土的坍落度和扩展度分别为210 mm和490 mm。C组混凝土是在B组混凝土基础上掺入了0.15%体积掺量的聚丙烯纤维，坍落度和扩展度分别为180 mm和470 mm，掺加聚丙烯纤维后，增加了混凝土的黏聚性，减小了流动性，为了保持其流动性，后期可通过增加减水剂的方式，增加其流动性，见图 1。在试验过程中发现，掺入纤维后，混凝土的流动性虽然减小，但是混凝土的表面光滑程度增加，如图 2(a)~(d)对比发现，掺入了0.15%体积掺量的纤维后，减少了砂粒在分布表面的质感，增加了混凝土表面的亮度，使其美观，可通过掺入纤维提升喷射混凝土表观，作为调控混凝土配合比的一个影响因素。D组混凝土的坍落度分别为175 mm和450 mm，聚丙烯纤维的体积掺量为0.3%和C组混凝土的流动性和黏聚性相比，相差不大，后期可通过测试混凝土试件的力学性能，对比强度，选取合适的配合比进行现场施工。E组混凝土的水胶比为0.185，未掺加聚丙烯纤维，坍落度为215 mm，扩展度515 mm，流动性和黏聚性较好；F组、G组、H组在E组混凝土基础上分别掺入了0.15%，0.3%，0.5%体积掺量的聚丙烯纤维，混凝土的流动性均减小，黏聚性增加，后期可通过调控减水剂的方式，保证其黏聚性的基础上，增加流动性。I组、J组在E组混凝土基础上分别掺入了0.9%，1.5%体积掺量的聚丙烯纤维，坍落度分别只有65 mm和50 mm，未达到喷射的要求，后期还需要进行配合比设计并优化。

图 1 喷射混凝土工作性能测试 Fig. 1 Working performance test of shotcrete

图选项

图 2 不同纤维掺量混凝土 Fig. 2 Concrete with different fiber contents

图选项

A~J共10组配合比混凝土试件，测试了7，14，28 d抗压强度和劈拉强度，试验结果见表 5。

A~B组分别采用两种最大粒径为4.75 mm和2.36 mm的骨料进行配合比试验，主要是为了测试最大粒径对喷射混凝土流动性和强度的影响，见图 3。A~B组配合比混凝土试件抗压强度和劈拉强度对比，后者大于前者，说明掺入最大粒径2.36 mm骨料的混凝土强度更大，因此，选用最大粒径为2.36 mm骨料的喷射混凝土进行配合比试验。

图 3 A组和B组配合比混凝土力学性能对比 Fig. 3 Comparison of mechanical properties of concrete in group A and B

图选项

B组和E组分别采用水胶比为0.2和0.185的混凝土试件进行配合比试验，测试得到的抗压强度和劈拉强度试验结果，见图 4。B组和E组配合比混凝土试件抗压强度和劈拉强度对比，前者大于后者，说明水胶比为0.2的混凝土强度更大。在喷射试验过程中发现，水胶比为0.185的喷射混凝土黏聚性更好，回弹率低，为保障其良好的可喷性，提高效率，选择水胶比为0.185的配合比进行设计更小的混凝土材料喷射。

图 4 B组和E组配合比混凝土力学性能对比 Fig. 4 Comparison of mechanical properties of concrete in group B and E

图选项

见表 5和图 5，B~D组混凝土水胶比为0.2，纤维掺量依次为0%，0.15%，0.3%，B~D组28 d混凝土抗压强度分别为75.7，51.2，72 MPa，28 d混凝土劈拉强度分别为5.57，5.38，5.72 MPa。试验结果表明，0~0.3%纤维掺量的混凝土劈拉强度增加较少，另随着纤维掺量的增加，抗压强度呈减小的趋势。试验过程中，混凝土试件劈拉后，开裂面存在较多断裂的纤维和小孔，断裂的纤维可增加混凝土的抗拉强度，同时，掺加纤维后，混凝土内部孔隙率增加，影响混凝土试件的抗压能力，另外纤维的掺量较少，抗拉强度增长有限。

图 5 B~D组配合比混凝土力学性能对比 Fig. 5 Comparison of mechanical properties of concrete in group B, C and D

图选项

E~J组共6组混凝土水胶比为0.185，纤维掺量依次为0%，0.15%，0.3%，0.5%，1.5%，28 d抗压强度分别为52.3，58.2，59.2，63.8，58.6，55.6 MPa，28 d劈拉强度分别为5.18，5.50，5.60，5.83，5.72，6.13 MPa，见图 6和表 5。随纤维掺量从0~0.5%的增加，抗压强度呈增长趋势，纤维掺量在0.5%~1.5%范围时，抗压强度呈减小的趋势，主要是由于纤维掺量在0~0.5%范围时，混凝土具有较好的流动性，纤维能够均匀分散，纤维掺量增加到0.5%以后，混凝土的流动性差，从而导致纤维不能均匀分散于混凝土中，从而导致力学性能下降。和抗压强度的发展趋势相同，纤维掺量从0~1.5%变化时，劈拉强度也随着纤维产量的增加呈现先增加后减小的趋势。综上所述，0~0.5%聚丙烯纤维掺量时，混凝土具有良好的可喷性；0.5%~1.5%聚丙烯纤维掺量的混凝土虽然有良好的力学性能，但是工作性能较差，可喷性有待提高。

图 6 不同纤维掺量的混凝土力学性能对比 Fig. 6 Comparison of concrete mechanical properties with different fiber contents

图选项

结合喷射混凝土的工作性能，骨料最大粒径，水胶比以及纤维掺量对高强喷射混凝土性能的影响，对不同配合比的喷射混凝土性能进行综合比较。其中，水胶比为0.185，纤维掺量为0.5%的配合比的各项性能指标达到高强喷射混凝土的要求，具体性能见表 6。选用H组配合比喷射后养护的混凝土试件，在28 d的抗压强度和劈拉强度分别为58.7 MPa和5.54 MPa，比一般的喷射混凝土，强度高，韧性好。

根据桥梁改扩建对喷射高强混凝土的要求，通过抗压强度、劈拉强度试验以及坍落度试验，研究了骨料最大粒径、水胶比、纤维掺量对喷射混凝土性能的影响，得出主要结论如下：

(1) 掺入最大粒径4.75 mm和2.36 mm骨料的混凝土强度相比，后者更大，选用最大粒径为2.36 mm骨料的喷射混凝土进行配合比试验。

(2) 随聚丙烯纤维掺量的增加，喷射混凝土的黏聚性增加，流动性减小，为了保持其流动性，可通过增加减水剂的方式，调控其流动性。

(3) 掺入纤维后混凝土的表面光滑程度增加，减少了砂粒在表面分布的质感，增加了混凝土表面的亮度，使其美观，可通过掺入纤维改善喷射混凝土表面粗糙程度，作为调控混凝土配合比的一个影响因素。

(4) 水胶比0.2时，随纤维掺量增加(0~0.3%)，混凝土劈拉强度增加较少，抗压强度呈减小的趋势；选用0.185水胶比时，0~0.5%纤维掺量的混凝土力学性能呈增长趋势，并且工作性满足可喷性的要求；0.5~1.5%纤维掺量时，混凝土的强度变化不大，工作性能较差，不具有可喷性，因此选用水胶比0.185，纤维掺量0.5%进行喷射混凝土配比设计。

基于室内试验及喷射混凝土相关参数得到最优配合比，由于桥梁扩建过程中桥墩处环境复杂，在具体的使用过程中，应结合京沪高速公路实际施工环境，开展现场试验。