預制UHPC 裝配式平臺排水溝設計與應用

楊凱翔 YANG Kai-xiang

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，蘭州 730000；甘肅交設智遠實業有限公司，蘭州 730000）

0 引言

排水結構作為公路工程中的主要結構物，主要作用是將路基范圍內的所有水源引入到路基工程以外，以減少水流對路基和路面的危害，避免路面結構對行車造成的危害。排水結構在我國公路結構中數量大、分布范圍廣等特點，結構的質量好壞將直接決定道路行車的安全性[1-2]。由于傳統預制普通混凝土排水溝和砌筑排水溝結構存在自重大、施工不便和耐久性差等缺陷，采用現澆排水溝工序較為復雜，棱角多側壁薄，在現場架設模板無法保證工程質量，易造成排水溝側面粗糙、裂縫缺角、排水溝浪窩等問題，故現場架設模板存在施工效率低，工程質量差，工期長等[3-4]。同時，我國西北和東北地區存在多年凍土區，由于普通混凝土耐久性差，排水結構損壞更加嚴重，使用周期壽命較短，后期需要投入大量的人力、物力和財力進行維修加固，為此，為解決上述問題為目標，以UHPC 超高性能混凝土為原材料，該材料依據最大緊密堆積密度理論設計，并摻入鋼纖維提高抗拉強度，利用其優異的力學性能和耐久性能作為底層邏輯，進行新型結構設計，形成工業化生產流水線，解決排水結構質量差、效率低下等問題。

綜上所述，為改善傳統混凝土排水結構自重大、施工安裝困難、接縫滲水等病害，引入最具創造性的水泥基工程材料——超高性能混凝土（UHPC），該材料具有超高的力學性能和耐久性能。提出一種輕質、安全、美觀的預制UHPC 排水結構。

1 傳統混凝土排水溝病害

1.1 混凝土板塊裂縫

傳統的U 型槽和梯型槽，施工時，在渠道基底鋪設土工布、10cm 砂漿墊層以及在混凝土預制槽之間砂漿填縫構成。根據調查，以上兩種型式的預制構件均表現出不同的破壞，如U 型槽易出現水平裂縫，導致部分斷面坍塌，使得排水系統整體癱瘓；梯型槽由于混凝土耐久性差，易出現掉塊導致倒塌現象。

1.2 排水溝積水、導致滲水

由于渠道底部土體發生凍融破壞導致構件不均勻沉降，產生的現象為混凝土槽上下錯動、鼓起，故溝槽接縫處發生開裂，使得排水溝縱向坡度發生變化，因此，出現雨水沿溝槽接縫處下滲或基底融沉較大處渠道內部發生局部積水。

2 預制UHPC 排水溝結構設計

傳統排水溝通常包括砌筑排水溝和普通混凝土預制排水溝，傳統結構存在施工難度大，邊緣處瀝青層攤鋪較困難，攤鋪不平整易出現積水，且蓋板平整度難以控制、預制結構側面蜂窩麻面嚴重等問題[5]。

針對傳統混凝土排水溝存在的問題，依據實際工程，設計了一種無筋新型預制UHPC 排水溝，采用企口搭接的方式進行連接，保證排水溝結構外觀尺寸不變，利用UHPC 優異的力學性能，將截面尺寸進行優化。

通過有限元數值模擬（如圖1 所示）與荷載試驗（如圖2 所示）相結合的方法，以結構安全可靠、性能優異為前提，以構件方便施工安裝為目標。擬定如圖3 所示的UHPC 平臺排水溝結構，與傳統結構相比，側壁板厚由10cm 減小為2.5cm，底板壁厚由10cm 減小為2cm，企口縫長度由5cm 減小為1.5cm，構件每延米重量由272kg 減小為66kg，一塊預制C25 混凝土排水溝質量為68kg，一塊預制RPC 排水溝質量為33kg。

圖1 UHPC 排水溝數值分析

圖3 UHPC 平臺排水溝

3 UHPC 排水溝結構性能

3.1 原材料

UHPC 超高性能混凝土原材料由水泥、粉煤灰、礦粉、硅灰、石英砂、纖維、減水劑、水等材料組成。

水泥采用P O 42.5R 水泥，指標滿足規范《GB 175-2007 通用硅酸鹽水泥》性能要求；石英砂采用純度較高的石英巖破碎而成，粒徑范圍0.3mm~1.1mm，二氧化硅含量＞99.5%；纖維長12mm~14mm、直徑0.2mm；減水劑：采用減水率較高的聚羧酸系減水劑，減水率＞35%；水：采用自來水。

3.2 試件制作及養護

3.2.1 試件制作

采用立軸行星式攪拌機先將干混料攪拌3min~5min，加入減水劑和水攪拌4min，后將纖維分散均勻的加入進行攪拌，形成流態UHPC 混凝土，出料時對其工作性能進行測試，合格后澆筑模具成型。

3.2.2 試件養護

試件成型后采用初期養護24h 后進行編號、拆模，在將拆除的構件置于蒸養室進行高溫蒸汽養護，恒溫（60±2）℃、濕度90%保持72h。

3.3 性能測試

預制UHPC 排水溝構件成型拆模后結構外觀輪廓分明，表面外觀平整、色澤自然，無氣泡、裂縫、纖維外漏和水印等缺陷存在，預制構件外觀質量合格。

對標準試件進行工作性能、基本力學性能試驗，主要檢測數據和性能結論如下。

3.3.1 工作性能測試（表1）

表1 UHPC 工作性能

3.3.2 力學性能測試

如表2 所示為材料和預制構件結構的性能指標，由表可知，UHPC 抗壓強度已超過100MPa，遠遠超過普通混凝土25MPa 的力學性能。其次，邊板頂最小變形值為1.2mm，邊板頂最大承載力1.4kN/m，預制構件結構力學性能優異。

表2 材料、結構性能要求

4 UHPC 排水溝結構生產及施工工藝

4.1 預制生產工藝

預制UHPC 排水溝具體生產工藝要點如下：

①模具。

根據設計圖紙，制作ABS 材質模具，考慮到鋼制模具自重大脫模困難，預制構件外觀存在氣泡，影響質量，故選用聚氨酯塑料模具，確保模具精度準確、結構剛度大、可循環多次使用。

②模具清理。

在模具循環使用時，模具表面混凝土殘塊易造成構件殘損破壞，應及時采用刮刀對模具進行清理，模具外表的水泥凈漿為堿性物質，采用稀鹽酸溶液清理外表，而后采用清水對其表面進行沖洗，為了使得模具外觀光潔靚麗，采用水皂液進行清洗，便于模具的重復多次使用。

③UHPC 澆筑。

UHPC 設計強度為100MPa，UHPC 材料攪拌設備采用強制式攪拌機，材料在澆筑前應確保工作性能滿足設計要求，避免由于工作性能達不到設計要求而造成的外觀氣泡，力學性能不達標等，澆筑完成后采用附著式振動平臺進行振搗，確保構件均質。

④預制UHPC 排水溝構件養護。

預制構件振搗后，采用塑料薄膜或土工布覆蓋，將預制構件置于初養室（養護條件：溫度40℃、濕度70%）1d，待預制構件UHPC 強度達到設計強度75%后進行脫模，脫模后將構件置于終養室（養護條件：溫度60℃、濕度90%）3d 待預制構件強度達到設計強度。

⑤構件堆放與運輸。

預制UHPC 排水溝構件堆放場地應平整，按照排水溝構件型號分類堆放。構件易采用3 層堆放和運輸，為避免構件掉角，在每一層接觸面上采用毛氈或塑料泡沫作為隔離層。

4.2 安裝施工注意事項

①基槽土方開挖。

將排水溝路基側土方壓實整平后，參照間距設定預制混凝土排水溝，依據設計圖紙測量放線，測量高程需要預留墊層高度5cm，基槽開挖寬度宜大于排水溝頂寬20cm，在開挖排水溝槽時，由于橫向開挖量少可采用人工開挖；縱向排水溝可采用小型挖掘機開挖。

②預制UHPC 排水溝安裝。

基槽成型后，在基槽底部均勻澆筑一層厚度5cm 的砂漿墊層；鋪筑排水溝應從最低處沿逆水流方向鋪筑，鋪筑時注意將接縫處雜物清理干凈；排水溝接縫砂漿凝固后，在3d 后回填夯實兩側土方。構件安裝過程中采用小型機械搬運吊裝，為確保安裝的精確度，在安裝前現場進行測量放樣；排水溝安裝完畢后對坡度、里程以及接縫等進行檢查。

5 工程應用實例

當前，預制UHPC 排水溝已成功在G312 傅家窯至苦水公路3#標段進行了工程應用，應用量為1682m，如圖4所示。同時，UHPC 排水溝結構已納入傅苦，慶陽244 改造，太華，清傅，豐馬等項目圖紙，該結構的應用對于打造百年品質工程具有重要意義。

圖4 預制UHPC 排水溝在實際工程中的應用

6 工程效果分析比較

預制UHPC 排水溝與普通混凝土預制排水溝、砌石排水溝等綜合比較如下。

6.1 節約工程投資

預制UHPC 排水溝其優異的材料力學性能使得結構斷面減小，施工中減小土方開挖量，同時，排水構件采用流水線批量生產安裝，減小勞動力的投入，采用預制C25 混凝土平臺排水溝綜合造價為189 元/m，砌石排水溝造價為364.8 元/m，預制UHPC 排水溝造價為186.9 元/m。平均來講可節約投資40%。

6.2 保證了工程質量

根據以往實際工程情況，預制普通混凝土排水溝易出現物理破壞和化學侵蝕，如凍融、流水沖刷、碳化等破壞，砌石排水溝易發生模面沖刷脫皮等現象。而預制UHPC 排水溝采用工廠化流水線批量生產，嚴格按照UHPC 配合比，使用初期蒸養室+終期高溫蒸養室確保材料性能和結構性能達到設計要求，其次，UHPC 材料優異的耐久性能降低全周期壽命成本。

6.3 便于施工，縮短工期

預制排水結構多使用于交通不便的山區溝壑地區，存在材料運輸和澆筑困難，而采用傳統的砌石排水溝施工工期增加，工序繁瑣難度大；采用UHPC 預制構件，結構整體質量減小，便于運輸與安裝，使得施工快捷簡便。同時，采用UHPC 預制排水溝結構外觀新穎，具有美化作用。

7 結語

預制混凝土排水溝的應用，通過引進新材料和結構形式的改變，解決了傳統現澆排水溝質量難以控制的缺點，改善了現場施工環境和工程進度，提升了工程表觀質量，節省了后期養護和管理成本，具有較好的社會和經濟效益，應用前景廣泛。