城市立交橋橋墩上部蓋梁UHPC120混凝土實踐

劉燁河，劉福峰

（1.廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 511400；2.湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006）

0 引言

因城市地形受限，立交橋橋墩蓋梁需要個性化設(shè)計和施工，要求強(qiáng)度高，施工難度大。廣州軌道交通某上蓋項目采用UHPC120 混凝土[1]一次成型制作蓋梁新工藝，現(xiàn)澆超強(qiáng)耐久性、抗侵蝕性、超高強(qiáng)度和超低吸水率的特種混凝土。但蓋梁體積大，一旦內(nèi)部最高溫度達(dá)120 ℃，就會使溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力疊加[2]，導(dǎo)致UHPC 實體易出現(xiàn)開裂，甚至廢棄。在本工程應(yīng)用中，通過對其材料特性、施工過程工藝的控制[3]，使工程質(zhì)量、費(fèi)用、進(jìn)度達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

顆粒之間的緊密堆積是UHPC 材料設(shè)計與制備的基本理論前提。1900 年大衛(wèi)·希爾伯特[4]提出了“如何使用全等多面體構(gòu)造最密集空間”的問題，為解決混凝土科學(xué)中的顆粒堆積問題提供了重要的思路。如圖1 所示，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型解決顆粒的堆積問題，實現(xiàn)緊密堆積和低孔隙率，可以提高混凝土的強(qiáng)度、耐久性和穩(wěn)定性，保證顆粒堆積緊密[5]，從而澆制高強(qiáng)的硅酸鹽混凝土。

圖1 等腰多面體空間構(gòu)型最密實模型Fig.1 The most compact model of isosceles polyhedron spatial configuration

近年來，UHPC 技術(shù)從UHPC 的“配方”研究發(fā)展到工程實效應(yīng)用上。許多省份有UHPC 應(yīng)用的實際工程，包括預(yù)制件高強(qiáng)澆接縫[6]、鋼架橋面澆鋪[7]、加固大壩、交通預(yù)制件、加固橋梁等，探索UHPC 施工影響因素[8]，找出影響UHPC 施工質(zhì)量的因素并給出對應(yīng)的防控措施，總結(jié)出UHPC 的低溫、高溫澆筑規(guī)范，以及現(xiàn)場對UHPC的檢測和驗收辦法。

1 工程概況

項目為廣州市中部某地新建地鐵項目,總建筑面積約13 萬㎡，地下4.8 萬㎡，地上8.2 萬㎡，建筑最高高度約為105 m（30 層），最大單體建筑面積17 750 ㎡。

項目地塊在A 線（已開通）及在建B 線換乘站正上方。已開通3個出入口，預(yù)留4個出入口。范圍內(nèi)含石崗路和另一規(guī)劃主干道，項目含鋼架橋一座、混凝土橋梁一座。

混凝土橋梁沿規(guī)劃主干道，采用城市主干道標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)雙向8車道，標(biāo)準(zhǔn)寬度為40 m，上跨地鐵站。

2 設(shè)計方案研究

2.1 總體施工部署

該蓋梁為UHPC 高強(qiáng)砼預(yù)應(yīng)力蓋梁，為倒T 型，如圖2所示，UHPC強(qiáng)度等級為UC120和UT6。

圖2 蓋梁模板安裝Fig.2 Cover beam formwork installation

采用現(xiàn)場架立攪拌站和泵送的形式將UHPC120混凝土送至澆筑區(qū)，采用4 臺專用攪拌機(jī)現(xiàn)場攪拌，攪拌機(jī)擬設(shè)于蓋梁側(cè)方，攪拌成料后用叉車配合泵送設(shè)備將成品材料運(yùn)輸至澆筑地點。

本次施工前需要驗收保證：澆筑倉尺寸、平整度、干凈程度符合相關(guān)規(guī)定；鋼橋面的平整度，鋼板的防銹處理到位，栓釘?shù)暮附雍侠怼⒗喂獭仓w積大，蓋梁總澆筑體積為462.8 m3。

2.2 鋼筋準(zhǔn)備工作

施工UHPC 混凝土前，應(yīng)按照設(shè)計要求將鋼筋捆扎完畢、模板立好，蓋梁處采用分次澆筑的工藝，用模板對蓋梁處進(jìn)行分段支模；冷卻控溫水管按照設(shè)計要求布置完畢。

1 號柱式墩UHPC 高強(qiáng)砼預(yù)應(yīng)力蓋梁總長為5 310 cm。按左中右平均分為5 段進(jìn)行澆筑，如圖3所示，每段體積約為100 m3。澆筑順序為①→②→③→④→⑤。

圖3 蓋梁施工分區(qū)示意圖Fig.3 Covering beam construction zoning diagram

2.3 混凝土攪拌

擬選擇在溫度適當(dāng)時正式施工，攪拌機(jī)出料0.8 m3/次、每盤攪拌15 min，出料速度3.2 m3/h、地點選擇在蓋梁側(cè)端位置、攪拌機(jī)數(shù)量為4臺1方規(guī)格的攪拌機(jī)。

本項目采用材料配合比（即質(zhì)量比）為0.8 方用量，單位kg，m（預(yù)混料）∶m（鋼纖維）∶m（水）∶m（減水劑）=1 812.10∶144.11∶154.68∶6.75。

UHPC 生產(chǎn)工藝流程如下：UHPC 各材料就位→攪拌機(jī)倉、料斗潤濕→投料→生產(chǎn)攪拌→出料→叉車運(yùn)輸→吊車布料→布料攤平→收面操作→覆膜養(yǎng)護(hù)→后期養(yǎng)護(hù)。

UHPC各材料就位：提前將各材料運(yùn)輸至攪拌機(jī)投料口附近，整齊碼放；液料運(yùn)輸至攪拌機(jī)附近。減水劑以及鋼纖維提前用電子秤精準(zhǔn)稱量，等待投放。

試拌攪拌：核心粉料計量包裝，倒料入噸包袋，用叉車吊起至攪拌倉內(nèi)；提前將所需小袋計量包裝鋼纖維運(yùn)輸至攪拌機(jī)層面，鋼纖維由人工從臨時投料口手工投入；稱量系統(tǒng)自動稱取拌合水投入攪拌機(jī)；外加劑按水桶容量、配合比加入料倉混合；拌合用水符合自來水要求。

上料后按投料順序加入水和液料攪拌即可。

混凝土試拌流程：核心粉料上料→拌合水及液料投料（分次投放，先投放2/3，預(yù)拌1 min 后再次投入剩余的1/3）→無纖維濕混4 min→鋼纖維投料（1.5 min 內(nèi)完成）→帶鋼纖維濕混3 min→觀察狀態(tài)→放料。

放料后用坍落度筒對材料坍落擴(kuò)展度進(jìn)行測試，待材料的流動性滿足參數(shù)要求（擴(kuò)展度為500～800 mm）才可以使用。

對于攪拌后不滿足性能要求的，需要進(jìn)行配比調(diào)整，若擴(kuò)展度過低則需要增加減水劑的摻量，減水劑每次摻量為3‰；若擴(kuò)展度過高則需要每次減少減水劑的摻量再進(jìn)行試拌。

投料第1 盤干混料前，需用清水潤濕攪拌倉，并濾盡所有余水后才可投入干混料。先觀察拌合物樣品狀態(tài)再放拌合物料，如果流動性不足，就增加外加劑用量，延長1 min攪拌，若始終達(dá)不到適宜狀態(tài)，則廢棄此拌合物；如果流動性超標(biāo)，出現(xiàn)離析現(xiàn)象，就作廢此料。每盤卸料完全后再進(jìn)行下一盤的攪拌。

2.4 混凝土澆筑

UHPC混凝土攪拌完成后，用攪拌罐車運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，并完成后續(xù)的泵送澆筑工序。裝料前應(yīng)排盡料斗內(nèi)積水，裝料后應(yīng)禁止額外加水到成品拌合物內(nèi)。攪拌UHPC 拌合物時間不宜超過60 min。運(yùn)輸U(kuò)HPC拌合物時應(yīng)保證澆筑施工過程的連續(xù)性。

澆筑前，檢查模板是否完好。澆筑施工布料方式最好采用縱向分層澆筑施工，從而使鋼纖維盡量分布于水平平面，可以提高蓋梁整體縱向抗拉強(qiáng)度。蓋梁采用的UHPC 體量大，水化溫升高，為了提升后續(xù)養(yǎng)護(hù)階段溫控措施的有效性，建議按照大體積混凝土澆筑工藝施工。

采用混凝土布料機(jī)進(jìn)行布料，布料機(jī)布料半徑不少于6 m，布置布料機(jī)數(shù)量需滿足現(xiàn)場施工區(qū)各段蓋梁施工所需。

項目選用行星式攪拌機(jī)，該攪拌機(jī)為自動控制系統(tǒng)，隨開隨停，無快慢檔，本次施工擬選擇在溫度適當(dāng)時正式施工，每小時出料量為12.8 m3，最長連續(xù)施工時間為9 h，中間考慮工人輪換休息降低工效，施工時長按照12 h考慮，保證工人不超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

為保證澆筑過程中澆筑面能均勻上升，需要在現(xiàn)場布置1 臺高壓地泵，將UHPC 材料泵送至澆筑區(qū)。

2.5 溫度控制

為解決UHPC 水化溫升和收縮引起的裂縫問題，針對本工程的環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點，制定下述措施。

具體現(xiàn)場溫控措施與方案分為2點：

（1）優(yōu)化配合比：在保證UHPC 強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，降低水化溫升，適當(dāng)降低UHPC 早期強(qiáng)度，減小早期收縮。

（2）控制UHPC 生產(chǎn)質(zhì)量：UHPC 生產(chǎn)采用干混料、水進(jìn)行拌和，嚴(yán)格控制干混料包裝的儲存溫度，每次UHPC 拌和前先測試各原材料溫度，滿足要求后方可進(jìn)行生產(chǎn)。為保證現(xiàn)場施工需求，現(xiàn)場常備60塊冰塊，冰塊尺寸為20 cm×50 cm×110 cm，冰塊供應(yīng)地點距離現(xiàn)場2 km以便能及時補(bǔ)充冰塊。

2.6 澆筑質(zhì)量控制

優(yōu)化UHPC 拌合物布料方式：UHPC 拌合物適宜應(yīng)用水平分層整體式連續(xù)澆筑。

優(yōu)化UHPC 拌合物分層澆筑厚度：在溫度和塑性收縮裂縫可控的條件下，盡可能加大分層澆筑厚度。

2.7 UHPC養(yǎng)護(hù)

（1）加強(qiáng)UHPC 保溫養(yǎng)護(hù)。采用覆蓋保溫材料、使用保溫膜、噴涂養(yǎng)護(hù)劑等方式，確保UHPC 內(nèi)部的溫度穩(wěn)定。

（2）加強(qiáng)UHPC 保濕養(yǎng)護(hù)。通過保濕養(yǎng)護(hù)，可以減少硬化過程中UHPC的收縮，從而降低表面應(yīng)力。

保濕養(yǎng)護(hù)可以通過噴水、覆蓋濕布或噴涂養(yǎng)護(hù)劑等方式進(jìn)行。保持適宜的濕度條件，有助于控制UHPC的收縮和開裂。蓋梁UHPC養(yǎng)護(hù)措施見表1。

表1 蓋梁UHPC養(yǎng)護(hù)措施Tab.1 Cover beam UHPC maintenance measures

在夜間或氣溫驟降期間應(yīng)避免拆模，拆模應(yīng)在一天中較高溫度時進(jìn)行，拆模時同步進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)。

2.8 UHPC蓋梁內(nèi)部冷凝管埋設(shè)

為保證澆筑體內(nèi)部溫度可控，澆筑前在澆筑體內(nèi)部安裝冷卻管，采用直徑為30.0 mm、壁厚為2.5 mm 的鋼管作為冷卻管，冷凝管間距不超過1.0 m，最外側(cè)的冷凝管距離混凝土邊為0.5 m。冷凝管布置的三維圖如圖4所示。

圖4 冷凝管布置三維圖Fig.4 Condensing pipe layout three-dimensional diagram

冷卻水從高熱部（實體中間）流向邊緣，按區(qū)按層排列水管網(wǎng)，同層交替進(jìn)出冷卻水的管口。

2.9 溫度監(jiān)控

按照施工進(jìn)度每晝夜?jié)仓鳂I(yè)面布置1～2 個測位，對于混凝土澆筑體厚度均勻的情況，測位間距一般建議為10～15 m。

設(shè)備：多通道數(shù)據(jù)采集儀、測溫線應(yīng)變計。

2.10 收面

接近蓋梁澆筑完成時，材料被布料機(jī)均勻分布在蓋梁處，一般模板比澆筑面高，標(biāo)注的標(biāo)高線在模板內(nèi)側(cè)。

采用振動尺振平、人工收光后，立即覆蓋薄膜。

材料澆筑后，噴霧保濕，約30 min 內(nèi)表面可能結(jié)皮。局部褶皺起皮部位需帶水收面。過振動機(jī)后視情況架設(shè)人工操作平臺，保護(hù)混凝土表面，方便工人操作。局部補(bǔ)料，使用小型平板振搗器振搗。

3 UHPC檢驗及驗收辦法

3.1 原材料進(jìn)場檢驗

所有原材料進(jìn)場時，每批次應(yīng)提供出廠檢驗報告或材料合格證等質(zhì)量證明文件。

所有原材料進(jìn)場檢驗，并隨機(jī)抽取檢驗樣品。

所有原材料抽檢頻率宜100 方檢測一次，實際按照管理單位要求進(jìn)行抽樣，需要增加抽樣頻率則需要明確抽檢頻率。

3.2 質(zhì)量檢驗

UHPC表面應(yīng)均勻完好，不應(yīng)有龜裂現(xiàn)象和收縮裂紋。UHPC經(jīng)過養(yǎng)護(hù)1 d后，要揭開薄膜，然后用土工布覆蓋，并且進(jìn)行及時灑水養(yǎng)護(hù)。注意，土工布始終保持濕潤，養(yǎng)護(hù)不少于7 d。在養(yǎng)護(hù)過程中，必須在監(jiān)理見證下進(jìn)行表觀檢測。

UHPC表面無空洞及蜂窩麻面現(xiàn)象。

邊角、接縫等位置應(yīng)良好銜接，不出現(xiàn)脫空和臺階現(xiàn)象。

UHPC性能實測項目應(yīng)滿足設(shè)計指標(biāo)。

4 結(jié)論

4.1 施工過程中的難點和重點

4.1.1 施工難點

配合比控制：UHPC的配合比對于其性能和施工過程至關(guān)重要。需要控制水灰比、水膠比、砂漿中水泥含量以及添加劑的使用量等因素，確保配合比的穩(wěn)定性和一致性。

施工溫度控制：UHPC在施工過程中對溫度要求嚴(yán)格，需要同步把控混凝土和環(huán)境溫度，以防干燥過早或溫度過高使混凝土質(zhì)量變差。

混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)：由于UHPC 的高流動性和高自密實性，對于澆筑和養(yǎng)護(hù)工藝要求較高，因此需要采取適當(dāng)?shù)氖┕し绞胶涂刂起B(yǎng)護(hù)濕度，確保混凝土的質(zhì)量。

4.1.2 施工重點

材料準(zhǔn)備：UHPC的材料選擇和準(zhǔn)備對于施工質(zhì)量至關(guān)重要。需要選擇優(yōu)質(zhì)的水泥、礦物摻合料和骨料，以確保原材料的穩(wěn)定性和一致性。此外，還需要準(zhǔn)備合適的添加劑，以提高混凝土的流動性和抗裂性。

攪拌工藝：UHPC 的攪拌工藝應(yīng)注意攪拌時間、攪拌速度和攪拌順序等因素，確保混凝土的均勻性，并充分激活添加劑的作用。應(yīng)采用高速攪拌設(shè)備，保證混凝土的均勻性和流動性。

澆筑和振搗：在澆筑UHPC 時，應(yīng)采用合適的澆筑方式和工具，避免過度振搗引起的分層和損傷。振搗應(yīng)均勻細(xì)致，以確保混凝土的致密性和排氣性。

養(yǎng)護(hù)措施：UHPC的養(yǎng)護(hù)過程需要注意保持適宜的濕度和溫度，以促進(jìn)混凝土的水化反應(yīng)和強(qiáng)度發(fā)展。養(yǎng)護(hù)時間應(yīng)根據(jù)具體情況確定，確保混凝土的早期強(qiáng)度和長期耐久性。

同時，在施工過程中，應(yīng)合理控制配合比，注意溫度控制和養(yǎng)護(hù)工藝，以及材料準(zhǔn)備、攪拌工藝、澆筑和振搗等過程的關(guān)鍵點，有效解決施工中的問題，保證UHPC的質(zhì)量和性能。

4.2 建議

纖維在UHPC 制備原料中價格最高，提高其利用率，不僅可以降低UHPC 的成本，還能更好地提升其工作性能。建議：1） 人為調(diào)整纖維的取向，在相同配比下，使UHPC 抗彎性能有所提升。2） 澆筑中纖維不斷轉(zhuǎn)動，最終性能主要取決于凝固時纖維的分布。3） 試驗發(fā)現(xiàn)澆筑高度、澆筑距離、體系黏度對纖維的利用率都有影響，找出最佳施工參數(shù)，提升纖維利用率，使鋼纖維效能最大化，可以控制成本、提升經(jīng)濟(jì)性。