UHPC預制Ⅰ型梁的工藝研究

龍誠璧 覃譽瑤

摘要：文章依托某高速公路主線上跨車行天橋工程，從模具設計、澆筑及養護技術等方面，闡述了超高性能混凝土（UHPC）Ⅰ型梁預制施工的關鍵技術及控制要點。質量檢測結果表明，28 d齡期下，UHPC試塊平均抗壓強度為162.9 MPa、平均抗折強度為27.3 MPa、平均彈性模量為53.6 GPa，均大于設計要求，由此證明采用該方法制備的Ⅰ型梁質量可靠，可為同類橋梁設計施工提供參考。

關鍵詞：橋梁工程；超高性能混凝土；預制梁；施工技術

中圖分類號：U445.47??文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0099-03

0 引言

伴隨著我國基礎建設的發展，對橋梁工程的質量與耐久性等的要求不斷提高，傳統裝配式預應力混凝土橋梁耐久性差，運營過程中梁體開裂和過度下撓的問題日益突出。在此背景下，超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，以下簡稱UHPC）作為擁有極佳力學性能與耐久性的新一代水泥基復合材料［1］，逐漸成為土木行業熱點并逐步應用于橋梁工程領域。

UHPC最早應用于20世紀90年代初［2］，1997年加拿大建成的跨徑60 m的“Sherbrooke”橋，是世界首座UHPC橋梁［3］。1999年，覃維祖等［4］正式將UHPC概念引入國內并拉開了國內研究序幕。2006年，國內建成了首座UHPC梁橋——灤柏干渠大橋［5］，UHPC在橋梁工程領域進入實用階段。隨后，河北修建了一座4×30 m先簡支后UHPC小箱梁跨線橋；福州修建了一座橋寬2.1 m、跨徑10 m的UHPC拱橋［6］；長沙修建了一座主跨36.8 m，采用單箱三室箱梁的UHPC天橋［7］。此外，UHPC也應用于橋面結構、橋梁加固等領域，黎棟家等［8］提出“倒T型鋼+UHPC”組合橋面結構，通過ANSYS軟件分析發現該結構能大幅提高承載力并抑制結構震動；左照坤等［9］通過靜載試驗和疲勞試驗模擬，證實UHPC橋面鋪裝體系在鐵路橋梁中具有良好的適用性；王洋、曹君輝等［10-11］分別將UHPC材料應用于武漢軍山長江大橋和宜昌長江公路大橋的橋面加固中，取得了良好效果。

UHPC材料在橋梁工程中發揮著越來越重要的作用，但現階段對UHPC預制梁生產工藝技術的相關研究極少。本文以某車行天橋為對象，從模板設計、UHPC澆筑、養護等方面介紹了UHPC預制Ⅰ型梁的制備工藝。

1 工程概況

某高速公路主線上跨車行天橋采用簡支預應力梁橋體系。該橋主梁采用UHPC（抗壓強度120 MPa、抗折強度20 MPa）預制，主梁長度50 m，梁截面為“Ⅰ”型，其端部高195 cm、跨中梁高320 cm；Ⅰ型梁上、下馬蹄寬60 cm，支點附近腹板厚度為60 cm，橋跨中部腹板寬度為10 cm；此外，梁片沿跨徑方向每5 m設置一道豎向加勁肋，加勁肋厚度60 cm。Ⅰ型梁結構構造設計如圖1所示?？紤]梁體過長，為降低生產及運輸難度，將其分3個節段預制，依次為16 m、18 m、16 m，節段接縫采用膠拼并設計榫卯結構對接，配合4束體內預應力索實現節段連接。如圖2所示。

2 制梁關鍵技術

2.1 模具設計

普通混凝土Ⅰ型梁常采用梁頂布料、分層澆筑的方式進行預制，多使用無頂部模板的側面合模模具進行施工，與預制T梁施工方法一致。但UHPC不同于普通混凝土，其入模后表層會快速失水結皮，分層澆筑會導致梁體形成冷縫，因此需采用全封閉式模板并一次澆筑成型。UHPC優異的力學性能使Ⅰ型梁設計得更為輕薄，該橋主梁最大梁高為3.2 m，而腹板厚度僅有0.1 m，極窄的腹板厚度加上腹板鋼筋網片的阻擋，若使用傳統模具從頂端布料，易出現混凝土向下流動困難和振搗困難，輕則出現蜂窩麻面，影響預制梁外觀質量，重則出現空包、空鼓，威脅預制梁結構安全。由此，主梁考慮采用平臥方式進行預制。

因主梁分段預制，主梁模板分為16 m段、18 m段制作。由于主梁平臥預制，故模板設計時不考慮預拱度的影響，且由于梁體兩側對稱，故而頂、底模采用相同設計，模具構造如下頁圖3所示。

為保證梁體外表面光滑，模板采用6 mm整塊冷軋鋼板；側模、端頭模由∠6.3角鋼豎肋支撐；頂、底模則由［10槽鋼橫肋與［16a槽鋼豎肋共同支撐，保證結構強度并防止梁體下撓。上馬蹄側模開有吊環口，用以安裝預埋吊環，吊環供節段預制完成后的翻轉使用；模具采用全封閉設計，因此頂、底模上開設有澆筑口用于混凝土施工，澆筑口設置于主梁上、下馬蹄與豎向加勁肋連接處，16 m段、18 m段各設置8個澆筑口，當頂、底模用作底模時，澆筑口安裝蓋板進行封閉。模板使用前需進行試拼檢查，試拼合格后用紅油漆在模板外側進行編號，保證后續拼裝施工快速準確進行。

2.2 UHPC攪拌及運輸

UHPC不含粗骨料，由水泥、石英砂、硅灰、鋼纖維、水等組成，其中纖維摻量2.0%。為獲得高強度，UHPC水膠比較普通混凝土低，多添加高效減水劑且不采用引氣劑，從而避免氣體對材料強度的不利影響。較大的鋼纖維摻入量和較小的水膠比增加了攪拌機的工作阻力，且鋼纖維的分布均勻性對材料力學性能也存在較大影響，因而UHPC需要大功率攪拌機進行充分攪拌。

該項目UHPC拌制采用STC3000型專用攪拌機，單次可攪拌2 m3，攪拌時間20 min，由一臺500 kW發電機供電。攪拌時，將水泥、核心料、石英砂計量倒入料斗，卸入攪拌缸，干混30 s～1 min；隨后開始加水濕拌2 min，流化之后開始篩入鋼纖維，鋼纖維全部篩完之后攪拌2 min即可出料。UHPC坍落度控制在600～700 mm。

UHPC采用混凝土罐車運輸，Ⅰ型梁最大節段UHPC混凝土方量為17.19 m3，因此采用3臺8 m3混凝土罐車接料、儲料、運料和入模，運輸設備內必須清理干凈，無積水。運輸過程中，混凝土罐車拌筒保持2～4 r/min低速轉動，控制混凝土運至澆搗地點后不發生離析、漏漿、嚴重泌水及坍落度損失過多等現象，任何情況下均禁止向裝有混凝土拌和物的拌筒內加水。

2.3 UHPC澆筑

相較于普通混凝土，UHPC含水量較低（1 m3UHPC料含水量在200～220 kg）、質地黏稠，當其表層水分蒸發后會快速凝固進而結皮，使得澆筑性能大大降低。現場實測表明，在晴天、氣溫25 ℃、微風氣候條件下，UHPC暴露于陽光下1.5～2 min流動性即明顯下降，3 min后表層開始結皮，結皮后混凝土流動性大大降低，其表面粗糙也使得后續澆筑混凝土難以擴散。實際施工發現，當先澆UHPC表層結皮后，后澆UHPC會在堆積一定高度后，受自重和卸料沖擊荷載共同作用刺破表層結皮進入下方擴散，并頂起表層硬皮，最終使得拆模后的梁體上表層質地松散且粗糙難看。

為解決此問題，UHPC澆筑應選擇在合適的氣候條件下施工，避免陽光直射，且入模溫度不可過高。夏秋季節應選擇清晨或傍晚澆筑，澆筑之前，若模板溫度較高，則間歇、多次灑水給模板降溫。澆筑需配置2～3個小型手持噴霧水壺，澆筑間歇時在UHPC表層噴灑水霧以保持其流動性。

在UHPC流動性較好時完成預制同樣是避免其表層結皮的關鍵。該橋中梁方量17.2 m3、邊梁方量15.2 m3，因而安排3臺混凝土罐車配合澆筑，每臺車運輸5～6 m3，要求拌和站出料全部結束且所有罐車均到達現場后才可開始澆筑施工。澆筑采用直卸方式，3臺罐車均進入指定位置后再同時卸料，澆筑過程應快速、連續，罐車卸料完成后再改用吊車吊料斗進行局部補料，保證澆筑密實，單片梁澆筑時間控制在1 h內，以最大程度抑制結皮情況，保證梁體外觀質量。

2.4 UHPC養護

UHPC基于緊密堆積理論配制，因此其材料組成不含粗骨料而替換成硅灰。大量的水泥和硅灰等膠凝材料摻入，使得UHPC水化發熱量和體積收縮量較大，無粗骨料則導致對水泥漿體等的收縮約束能力弱，因此UHPC早齡期易受環境溫度變化影響，開裂風險較高。

為抑制早齡期溫度裂縫產生，混凝土澆筑完成后及時覆蓋厚實篷布保溫，控制混凝土凝結過程中表面溫度的下降速率，保證混凝土表面的溫度和中心溫度的溫度梯度在合理范圍內，從而降低混凝土內外溫差應力，減少溫度裂縫的發生?；炷两K凝后，進行梁體蒸汽養護（蒸養制度如圖4所示），架設蒸養棚的同時撤出篷布，最大程度減少混凝土的暴露時間。蒸養結束、停止輸送蒸汽后，不得立刻拆卸蒸養棚，應延遲1～2 d再拆除，通過蒸養棚的保溫作用延長散熱時間，使混凝土經過長時間的化學反應達到一定的強度和收縮應力，利用混凝土的抗拉強度提高混凝土承受外約束應力時的抗裂能力；蒸養棚拆除后，對梁體覆蓋土工布并定時灑水，使混凝土表面一直處于濕潤狀態，持續3～5 d。

2.5 Ⅰ型梁翻轉

Ⅰ型梁采用臥式預制的方式，梁片移存時要先進行翻轉。Ⅰ型梁翻轉由4臺汽車吊配合進行，利用預埋吊環進行翻轉作業。梁片預制時即在梁頂和下馬蹄側緣部位埋設吊環，吊環布置如下頁圖5所示。

當梁體混凝土抗壓強度和彈性模量達到設計值的90%后，進行梁片翻轉和轉移，梁片翻轉施工需緩慢進行，防止碰撞，同時保證各吊點受力均勻，避免梁體產生裂縫。

梁片翻轉步驟：（1）將2臺汽車吊利用鋼絲繩吊住上馬蹄側吊環，另外2臺吊吊住下馬蹄側緣位置吊環；（2）4臺汽車吊同時起吊，將梁片水平吊至離地面50 cm處，吊車穩定后，施工技術人員上前觀察，確認梁片完好無裂縫、吊鉤無變形后繼續施工；（3）上馬蹄側汽車吊緩緩收緊鋼絲繩、提起梁片，待梁片提起后緩慢放松下馬蹄側緣吊鉤，使梁片完成空中翻轉；（4）由2臺汽車吊將翻轉后的Ⅰ型梁移至存梁區。如圖6所示。

翻轉施工過程中，安排測量人員全程觀測或通過使用紅外線水平儀的方式確保吊車操作同步，梁片兩端始終位于同一水平面，若出現偏斜則立即停下糾偏，防止主梁節段出現受力不均和扭轉等情況。梁片吊放到位后，采用手拉葫蘆進行固定，防止主梁發生傾覆，每片梁由兩組手拉葫蘆固定，安裝于梁體兩側端部。

2.6 Ⅰ型梁質量檢測

Ⅰ型梁澆筑時，即從灌注初、中、后期隨機取樣制作試塊，試塊隨梁養護，養護完成后送至專業機構進行質量檢測，部分檢測結果如表1所示。

由表1可以看出，28 d期下，UHPC試塊平均抗壓強度為162.9 MPa、平均抗折強度為27.3 MPa、平均彈性模量為53.6 GPa，所有指標均明顯大于設計要求，由此證明采用本文方法制備的Ⅰ型梁質量可靠。

3 結語

本文結合具體工程實例，探究了UHPC預制Ⅰ型梁的制備工藝技術，所得結論如下：

（1）對于尺寸大而腹板厚度薄的Ⅰ型梁，采用平臥預制的方法可以有效保證澆筑質量，避免蜂窩、空鼓；同時，UHPC材料為Ⅰ型梁提供了極佳的韌性及延性，翻轉作業不會損傷梁體，不會產生裂縫。

（2）UHPC材料性質和工作性能對Ⅰ型梁的預制提出了嚴苛的要求，澆筑需快速進行，養護需細致到位，稍有疏忽即會影響預制梁質量。

（3）UHPC作為新型材料，在橋梁工程中具有良好的應用前景和推廣價值，但其相關研究尚未成熟，UHPC梁制備工藝復雜、施工要求高，其替代普通混凝土橋梁的可行性還需多方綜合考慮。

參考文獻

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作者簡介：龍誠璧（1995—），碩士，研究方向：橋梁工程。