裝配式橋梁用灌注型UHPC技術(shù)探究

摘要 灌注式超高性能混凝土（UHPC）以超高性能混凝土特性為基礎(chǔ)，融合裝配式施工理念，兼具灌注型自密實施工特點，且采用常溫養(yǎng)護，具備高效、低收縮、符合雙碳原則和具備降能減排的優(yōu)勢。從混凝土原材料選配、配合比設(shè)計理念、配比工作性能和力學(xué)性能評價、施工工藝、養(yǎng)護辦法及應(yīng)用方式角度，多層次綜合論述裝配式橋梁用灌注型UHPC技術(shù)，擬為該特種配比工藝推廣應(yīng)用做技術(shù)鋪墊。

關(guān)鍵詞 灌注；常溫養(yǎng)護；自密實；UHPC；抗壓強度；收縮性能

中圖分類號 TU528 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0081-03

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）的技術(shù)發(fā)展，逐步從熱養(yǎng)生/蒸汽養(yǎng)生轉(zhuǎn)向自然養(yǎng)生，具有自密實性的UHPC應(yīng)用也越來越多。裝配式施工理念，已經(jīng)由建筑領(lǐng)域逐步擴展到鐵路和公路領(lǐng)域。其重要受力部位的結(jié)構(gòu)需要短時間內(nèi)形成強有力連接，實現(xiàn)快速施工，但無法通過熱養(yǎng)生提升早期強度和28 d強度。除了強度外，對收縮等性能也有較高要求。灌注型UHPC，拌和物狀態(tài)類似自流平砂漿和灌漿料，綜合性能優(yōu)異，適用于結(jié)構(gòu)受力部位的連接，可采取灌注、非振搗和自然養(yǎng)生方式施工。

1 灌注型UHPC的材料組成

1.1 水泥

通常選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥，42.5、52.5強度等級[1]。

1.2 礦物摻合料

常用硅灰，主要成分活性SiO2，可以與水化產(chǎn)物中的Ca（OH）2反應(yīng)生產(chǎn)水化硅酸鈣，增強水泥石的致密性和強度。

礦渣粉，通過磨細(xì)提高活性，建議比表面積≥600 m2/kg[2-3]。

粉煤灰，Ⅰ級，可減少水泥用量并降低膠材的拌和需水量。

1.3 骨料

石英砂：常用20-40目、40-70目、70-120目，也可使用10-20目。

石英粉：400目、SiO2占99.25%、Fe2O3占0.75%。

1.4 高強纖維

直絲或端鉤形鍍銅微細(xì)鋼纖維，可與PVA、芳綸、聚丙烯、聚乙烯等有機纖維復(fù)摻。

1.5 外加劑

高性能減水劑，主要采用聚羧酸系，液體或粉劑均可，減水率一般不低于35%。

消泡劑，用于消除拌和過程中引入的氣泡，提高拌和物的密實性。常用的消泡劑有聚醚型、有機硅型兩種。

膨脹劑，是抑制收縮變形的有效措施，部分型號對強度有降低作用，應(yīng)謹(jǐn)慎選用。

1.6 水

飲用水。

2 配比設(shè)計

2.1 設(shè)計方法

現(xiàn)行規(guī)范未規(guī)定UHPC的設(shè)計方法，已有資料方法包括體積法、緊密堆積法、半經(jīng)驗法、基于性能的方法和響應(yīng)面法等，其中最常用的是緊密堆積法，可以對粉體材料和骨料進行顆粒級配設(shè)計，符合連續(xù)級配的改進Andreasen、Andersen和Dinger-Funk模型。

2.2 材料用量

2.2.1 膠凝材料

（1）膠材總量。常溫養(yǎng)護條件下，不同抗壓強度等級下的UHPC膠材總量歸納如下[3-4]：

UC120，約為900～1 100 kg/m3；

UC130，約為1 000～1 200 kg/m3；

UC150，約為1 200～1 400 kg/m3；

UC180，約為1 300～1 500 kg/m3；

UC200，約為1 500～1 800 kg/m3。

而《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）對膠材總量進行了限制，其中：

RPC100，≤850 kg/m3；

RPC120，≤900 kg/m3；

RPC140，≤950 kg/m3；

RPC160，≤1 000 kg/m3；

RPC180，≤1 000 kg/m3。

常溫養(yǎng)護的UHPC膠材總量明顯要比熱養(yǎng)護的RPC要多。

（2）礦物摻合料的用量。硅灰用量約占到水泥的10%～30%。粉煤灰摻量，通常不超過水泥的30%[1-3]。礦渣粉，可達到水泥的50%。

2.2.2 骨料的用量

砂膠比取值范圍大致為0.75～1.15[1-4]。

2.2.3 纖維摻量

鋼纖維摻量通常為1%～3%。

2.2.4 高效減水劑摻量

通常在3%以下。

2.2.5 用水量

水膠比取值范圍大致為0.14～0.25。

3 灌注型UHPC的使用性能

3.1 工作性能

3.1.1 評價方法與技術(shù)要求

工作性評價方法與技術(shù)要求如表1所示。

3.1.2 改善流動性、降低黏度的措施

降低UHPC拌和物黏度的技術(shù)措施有[5]：

（1）飽和摻量之下，增加減水劑摻量。

（2）降黏型外加劑和消泡劑搭配。

（3）高摻量惰性材料可降低黏度。

（4）適當(dāng)增加骨料粒徑，可降低UHPC黏度。

（5）短纖維部分替代長纖維，可提高拌和物流動性，降低黏度。

3.2 力學(xué)性能

3.2.1 評價方法與技術(shù)要求

力學(xué)性能評價方法與技術(shù)要求如表2所示。

美國聯(lián)邦公路局的FHWA-HRT-12-064研究報告，環(huán)境溫度對UHPC強度的形成影響非常大，應(yīng)用時需要引起重視，見圖1。

3.2.2 提升力學(xué)性能的措施

（1）飽和摻量之下，減水劑摻量的增加有助于增加基體的抗壓強度，過量引起緩凝且降低早期強度。

（2）在保證新拌漿體能夠澆模的情況下，流動性越低，抗壓強度越高。

（3）不管是直絲單用還是直絲和端鉤混摻，鋼纖維摻量達到2.0%時，極限抗拉強度才能夠滿足不低于9 MPa[6]。

3.3 收縮性能

3.3.1 評價方法與技術(shù)要求

T/CECS 10107—2020 超高性能混凝土（UHPC）技術(shù)要求如表3。

3.3.2 提升抑制收縮性能的措施

與熱養(yǎng)護相比，自然養(yǎng)護條件下的UHPC收縮較大，宜采取抑制措施。

（1）膠材體系采用緊密堆積理論設(shè)計。

（2）超細(xì)鋼渣粉和復(fù)合膨脹劑搭配，可有效抑制收縮[7]。

（3）摻入鋼纖維能抑制UHPC自收縮，摻量上限約為2.5%[7]。

（4）預(yù)濕多孔骨料、高吸水性樹脂等材料，通過改善UHPC內(nèi)部相對濕度，實現(xiàn)內(nèi)養(yǎng)護[8]。

（5）膨脹劑和內(nèi)養(yǎng)護劑的復(fù)摻效果，優(yōu)于分別單摻[9]。

（6）單摻減縮劑，可有效降低收縮，但與膨脹劑復(fù)摻效果不明顯[10]。

（7）添加粗骨料[11]。

3.4 長期性能和耐久性能

3.4.1 評價方法與技術(shù)要求

耐久性能評價方法與技術(shù)要求如表4。

3.4.2 提升耐久性能的措施

（1）摻入超細(xì)活性粉末，發(fā)揮填充作用和二次水化反應(yīng)，優(yōu)化骨料的粒徑，提高內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密性。

（2）低水膠比降低UHPC內(nèi)部毛細(xì)孔，提高抗?jié)B性。

（3）鋼纖維、有機纖維等高強纖維的摻入。

4 工程應(yīng)用

UHPC配料多，為提高現(xiàn)場生產(chǎn)的準(zhǔn)確性，宜采用干混料，現(xiàn)場添加鋼纖維、水和減水劑，采用行星式攪拌機拌和，通過儲料罐和漏斗向結(jié)構(gòu)連接部位灌注。

5 應(yīng)用前景分析

常溫養(yǎng)護和自密實，極大地提高了UHPC的施工便捷性，其應(yīng)用場景包括但不限于：

（1）構(gòu)件的工廠化預(yù)制。

（2）裝配式構(gòu)件現(xiàn)場連接。

（3）輕型橋面鋪裝。

（4）結(jié)構(gòu)物修補加固。

（5）建筑裝飾。

（6）國防設(shè)施。

6 結(jié)語

使用水泥的兩個生態(tài)效率指標(biāo)（碳濃度指數(shù)和膠凝材料濃度指數(shù)）來評價UHPC，發(fā)現(xiàn)UHPC屬于低碳的水泥基材料，其水泥或膠凝材料的利用率最高。相同承載力作用下，UHPC的等效體積最小，加之能夠在結(jié)構(gòu)中承受更高的剪切荷載作用，從而可以減少梁中的輔助配筋。所以，采用UHPC替代普通混凝土用于裝配式工程結(jié)構(gòu)中，可顯著減小結(jié)構(gòu)尺寸，同時還可減少材料消耗。

參考文獻

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