基于普通混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線改造生產(chǎn)粗骨料UHPC橋面板的應(yīng)用*

肖廣生,徐英喧,羅玉龍,張世豪

(1.中交一公局集團有限公司,北京 100020;2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司,北京 100120)

0 引言

超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)具有超高強度、高韌性、高耐久性等優(yōu)異性能。與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比,利用UHPC優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能,可實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的輕量化、性能提升、耐久耐用,大幅提高混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命[1-4]。UHPC已應(yīng)用于全球1 000多座橋梁,我國約有120座橋梁使用了UHPC材料,集中于鋼-UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)、全UHPC橋梁結(jié)構(gòu)、橋梁加固和橋梁接縫位置等[5-6]。

目前國內(nèi)UHPC預(yù)制構(gòu)件制造絕大多數(shù)是新建專用生產(chǎn)線,通過專用攪拌站及蒸汽養(yǎng)護等設(shè)備完成UHPC預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)[7-9],導(dǎo)致工廠原有的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線設(shè)備沒有得到充分利用,且UHPC工程總體用量偏低,單項工程多數(shù)在幾十至數(shù)百方,新建專用攪拌站和配套生產(chǎn)線成本過高。因此,通過對現(xiàn)有普通混凝土生產(chǎn)線進行優(yōu)化改造,使其滿足UHPC生產(chǎn)要求,可提高設(shè)備使用率,大幅降低生產(chǎn)成本。采用不同設(shè)備、不同攪拌工藝,UHPC的性能差異明顯,需根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備實際情況調(diào)整生產(chǎn)工藝。現(xiàn)有研究表明,采用適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝,利用常規(guī)攪拌設(shè)備可生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的UHPC[10]。

1 工程概況

貴州德江—余慶高速公路烏江特大橋工程位于烏江中下游,正交上跨烏江,橋梁全長 1 832.58m,如圖1所示。主梁采用跨徑33.6m槽型鋼箱梁+C150粗骨料UHPC預(yù)制橋面板連續(xù)組合雙梁結(jié)構(gòu),如圖2所示。預(yù)制橋面板厚0.17m,按縱橋向、橫橋向分塊預(yù)制,板塊縱橋向長度分2.1,2.5m兩種,橫橋向分為4塊,板塊縱向長度分5.75,6.25m兩種,最大吊重約78kN。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸及配筋區(qū)別,預(yù)制橋面板有16種類型,共652塊,預(yù)制總量1 688.6m3,此橋為目前世界上跨度最大的上承式鋼管混凝土拱橋。

圖1 烏江特大橋

圖2 烏江特大橋橋面結(jié)構(gòu)

2 生產(chǎn)線改造方式

項目構(gòu)件廠擁有雙120普通混凝土攪拌站和制管機配套120普通混凝土攪拌站,直接對雙120普通混凝土攪拌站改造對構(gòu)件廠現(xiàn)有生產(chǎn)任務(wù)影響較大。考慮對制管機配套120普通混凝土攪拌站結(jié)合預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)線設(shè)備進行加裝改造。

2.1 粗骨料UHPC制備工藝研究

粗骨料UHPC室內(nèi)試驗采用配合比如表1所示。實測坍落擴展度如圖3所示,粗骨料UHPC擴展度可達到500mm左右,施工性能較好,滿足設(shè)計要求,但其在基于普通混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線條件下的制備工藝及工作性能需進一步研究。因此,在改造前首先利用制管機配套120普通混凝土攪拌站及產(chǎn)線設(shè)備進行小方量試拌。

表1 粗骨料UHPC配合比

圖3 粗骨料UHPC擴展度

制備工藝研究的主要目的是基于現(xiàn)有設(shè)備確定原材料投料順序和粗骨料UHPC實際生產(chǎn)時的合理攪拌時間。通過研究原材料投料順序,以提高生產(chǎn)效率。根據(jù)現(xiàn)有UHPC制備工藝的研究[11-13],確定不同制備工藝如表2所示,其中硅灰、粉煤灰微珠和鋼纖維材料采用人工投料。

表2 粗骨料UHPC制備工藝

1)J-1工藝 攪拌站攪拌機啟動后先投入粗細(xì)骨料,然后投入鋼纖維干混(鋼纖維和粗細(xì)骨料通過提升料斗同時投入攪拌機),隨后投入水泥及礦物摻合料攪拌1min,再加水和外加劑攪拌4min后出機,進入混凝土罐車,卸料查看發(fā)現(xiàn)混凝土勻質(zhì)性差,鋼纖維結(jié)團現(xiàn)象嚴(yán)重,成型試件抗折強度小于18MPa,該攪拌工藝無法滿足設(shè)計施工要求。

2)J-2工藝 攪拌站攪拌機啟動后先投入粗細(xì)骨料,然后投入礦物摻合料(粗細(xì)骨料和摻合料分別使用提升料斗投入攪拌機),隨后投入水和外加劑攪拌1min,一次性投入鋼纖維攪拌3min后出機,進入混凝土罐車,卸料查看發(fā)現(xiàn)粗骨料UHPC離析,提升料斗礦物摻合料殘留較多,同時粗骨料UHPC伴有鋼纖維結(jié)團現(xiàn)象,該攪拌工藝無法滿足設(shè)計施工要求。

3)J-3工藝 攪拌站攪拌機啟動后先投入粗細(xì)骨料,然后投入水泥和礦物摻合料,隨后投入水和外加劑攪拌1min,最后人工使用篩網(wǎng)緩慢投入剩余鋼纖維,再攪拌3min后出機,進入混凝土罐車,卸料查看鋼纖維結(jié)團現(xiàn)象消失,但該攪拌工藝生產(chǎn)效率過低,無法滿足實際生產(chǎn)要求。

經(jīng)過小方量試拌,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有生產(chǎn)線設(shè)備主要存在以下問題。

1)粗骨料UHPC原材料含有硅灰、粉煤灰微珠等礦物摻合料,與普通混凝土相比種類較多。工廠制管機攪拌站配套粉料倉僅有水泥料倉,無法滿足粗骨料UHPC生產(chǎn)儲料要求,且受攪拌站場地限制,無法通過新增立式粉罐倉的方式改造。攪拌站骨料料倉較多,考慮利用骨料料倉進行礦物摻合料供料存在以下問題:①骨料料倉精度不足,為±3%,不滿足規(guī)范GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》中±2%的規(guī)定;②礦物摻合料密度低,比表面積大,若不進行處理,生產(chǎn)過程中粉塵較多,環(huán)境污染嚴(yán)重;③粉塵靜電吸附效應(yīng)強,在計量、給料過程中易堵塞管道或吸附在倉壁上,影響實際計量精度和生產(chǎn)效率。

2)為保證粗骨料UHPC抗折設(shè)計強度,使用φ0.22×14 端鉤型鋼纖維,與平直型鋼纖維相比,可分散性更差。鋼纖維的分散效率對UHPC的工作性能和力學(xué)性能有重要影響。若人工向攪拌站提斗直接投放鋼纖維,投料效率過低,鋼纖維分散效果難以控制,一旦鋼纖維在投料過程中沒有充分分散,會導(dǎo)致粗骨料UHPC出現(xiàn)鋼纖維結(jié)團現(xiàn)象,嚴(yán)重影響混凝土均質(zhì)性和抗折強度[14-15]。

3)制管機普通混凝土攪拌站與混凝土澆筑車間分離,間距約800m,混凝土單程運輸需10～15min,花費時間較長,為保證粗骨料UHPC的均質(zhì)性,需使用混凝土攪拌運輸車進行粗骨料UHPC的運輸,但混凝土攪拌運輸車無法直接向布料機內(nèi)卸料。

4)粗骨料UHPC預(yù)制橋面板收面后,需及時進行保濕養(yǎng)護,一般采取覆膜養(yǎng)護或蒸汽養(yǎng)護來保證環(huán)境濕度。新增專業(yè)覆膜整平設(shè)備受澆筑車間場地限制難以實現(xiàn),成本過高。由于預(yù)制橋面板面積較大,采用人工覆膜養(yǎng)護的方式難以使保濕薄膜和橋面板頂面充分貼附,且UHPC橋面板在養(yǎng)護過程中放熱量較大,薄膜和橋面板之間往往會因此產(chǎn)生空隙,最終導(dǎo)致養(yǎng)護結(jié)束后橋面板頂面存在一定數(shù)量的坑洼,影響頂面觀感。

在充分考慮構(gòu)件廠現(xiàn)有設(shè)備及粗骨料UHPC橋面板生產(chǎn)工藝要求的基礎(chǔ)上,進行生產(chǎn)線改造。

2.2 混凝土攪拌站改造

1)骨料料倉外設(shè)置高精度計量設(shè)備,礦物摻合料通過大直徑螺旋輸料器將粉料送至倉內(nèi);骨料料倉露天部分使用彩鋼板進行全包圍封閉,減少粉塵污染;骨料倉及提升斗內(nèi)側(cè)貼附聚四氟乙烯板,防止粉塵大量吸附影響計量精度。骨料料倉改造前后如圖4所示。

圖4 骨料料倉改造

2)新增鋼纖維振動投料系統(tǒng),為了保證端鉤型鋼纖維充分分散,在內(nèi)部原有雙層篩網(wǎng)的基礎(chǔ)上新設(shè)兩層篩網(wǎng),共4層,篩網(wǎng)孔徑為5cm,間距10cm,振動頻率設(shè)定為50Hz。鋼纖維經(jīng)振動充分分散后,通過傳送帶直接投入攪拌機內(nèi)。通過調(diào)整傳送帶轉(zhuǎn)速及振動強度,可將鋼纖維總投料時間控制在5min內(nèi)。

2.3 布料及振搗系統(tǒng)改造

1)在布料機旁新設(shè)1臺3m3提升料斗及配套行走支架,混凝土攪拌運輸車在卸料位將粗骨料UHPC卸入提升料斗后,提升料斗可先提升至預(yù)定高度,再平移至布料機振搗工位上方,將混凝土卸入布料機內(nèi),提升料斗提升至平移結(jié)束全過程耗時約60s。

2)利用生產(chǎn)線原3.5m3混凝土布料機,并在布料機上增設(shè)排插式振搗棒,間距20cm,振搗頻率200Hz。

2.4 養(yǎng)護系統(tǒng)改造

在預(yù)養(yǎng)護窯內(nèi)加裝噴霧系統(tǒng),霧化噴嘴間隔100cm,噴嘴距地面70cm。噴霧間隔15min,單次噴霧持續(xù)時間30s,可保證預(yù)養(yǎng)護窯內(nèi)濕度大于95%。粗骨料UHPC橋面板收面完成后立即推入預(yù)養(yǎng)護窯內(nèi),完成橋面板的早期不覆膜養(yǎng)護。

3 粗骨料UHPC橋面板生產(chǎn)工藝及力學(xué)性能

基于改造后的生產(chǎn)線設(shè)備提出J-4攪拌工藝:攪拌站攪拌機啟動后先投入細(xì)骨料,然后投入礦物摻合料,再投入粗骨料(粗細(xì)骨料和礦物摻合料通過提升料斗一次性投入攪拌機,提升料斗中的送料順序為:粗骨料→礦物摻合料→細(xì)骨料),隨后投入水和外加劑攪拌1min,通過鋼纖維傳送帶投入鋼纖維,鋼纖維投料時間為5min,投料完成后繼續(xù)攪拌1min出機,卸料查看粗骨料UHPC有無結(jié)團現(xiàn)象,當(dāng)粗骨料 UHPC 拌合物轉(zhuǎn)運至預(yù)制構(gòu)件綜合生產(chǎn)線時仍具有很好的工作性與勻質(zhì)性,攪拌工藝滿足設(shè)計施工要求。

輸送料斗接料后將混凝土轉(zhuǎn)運至布料機內(nèi),布料機內(nèi)設(shè)有強制攪拌軸,布料量均勻可控。采用排插振搗與變頻振動臺相結(jié)合的振搗方式,排插振搗遵循快插慢拔的原則,插入深度距橋面板底面約15mm時,留振8s,拔出8s;排插振搗完成后,變頻振動臺分兩次振搗,初次振搗頻率為45Hz,振搗10s,第2次振搗頻率為50Hz,繼續(xù)振搗15s。澆筑過程中,輔助人員使用噴壺對構(gòu)件表面混凝土進行噴灑,防止起皮。

振搗結(jié)束后使用面層抹光機收面,保證橋面板表面的平整度。收面后直接推入預(yù)養(yǎng)護窯保濕養(yǎng)護24h后起吊鑿毛,最后運至堆場保濕養(yǎng)護30d。

留樣試塊與橋面板同條件養(yǎng)護,28d齡期時測試其力學(xué)性能,結(jié)果及性能指標(biāo)如表3所示。

表3 UHPC性能指標(biāo)

可見采用J-4工藝生產(chǎn)的粗骨料UHPC滿足設(shè)計指標(biāo)。通過進一步大量留樣數(shù)據(jù)實測,粗骨料UHPC強度變異系數(shù)較小,力學(xué)性能穩(wěn)定,在滿足規(guī)范要求的同時具備較高的富裕系數(shù)[6]。

4 經(jīng)濟效益分析

通過對普通混凝土攪拌站及預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線改造達到了預(yù)期粗骨料UHPC預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)效果,建立全新的UHPC攪拌站及配套設(shè)備需花費200萬元左右,本次設(shè)備改造花費45萬元,且實現(xiàn)了粗骨料UHPC橋面板生產(chǎn)自動化、機械化的要求。

5 結(jié)語

1)通過對構(gòu)件廠普通混凝土制管機配套攪拌站和生產(chǎn)線相關(guān)設(shè)備進行技術(shù)改造,低成本、高質(zhì)量地完成粗骨料UHPC預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn),取得了預(yù)期效果。本次改造案例對行業(yè)普通混凝土攪拌站改造生產(chǎn)UHPC有一定的示范作用,有利于UHPC在工程中的進一步推廣應(yīng)用。

2)橋面板同條件養(yǎng)護試塊28d齡期實測抗壓強度為183.7MPa,抗折強度為19.7MPa,彈性模量56.8GPa,滿足設(shè)計指標(biāo),且具備較高的富裕系數(shù)。

3)合理的鋼纖維投料順序及投料速度是保證粗骨料UHPC勻質(zhì)性的關(guān)鍵因素,否則易導(dǎo)致粗骨料UHPC出現(xiàn)鋼纖維結(jié)團現(xiàn)象,影響其力學(xué)性能。