超高性能混凝土UHPC在鐵路節(jié)段梁施工中的應(yīng)用

王鵬 范向東

摘要：高性能混凝土有較高的抗壓強(qiáng)度和耐久性，可以解決普通混凝土結(jié)構(gòu)存在的自重大、耐久性低的缺點(diǎn)。文章介紹國鐵集團(tuán)以蘭張鐵路三四線中川機(jī)場至武威段作為試點(diǎn)項(xiàng)目，在十八里堡橋梁首次采用了超高性能混凝土UHPC節(jié)段箱梁結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)預(yù)制UHPC節(jié)段梁選取橋梁腹板和底板最薄處的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，分析檢驗(yàn)超高性能混凝土UHPC拌合物工作性能、物理力學(xué)性能，對(duì)模板、鋼筋制作安裝、拆模時(shí)間、混凝土澆筑工藝、養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力管道安裝等各環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控與總結(jié)。UHPC高性能混凝土節(jié)段梁的試制成功必將進(jìn)一步推動(dòng)UHPC在鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)用與發(fā)展。

[作者簡介]王鵬（1980—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殍F路基本建設(shè)管理。

隨著 21 世紀(jì)混凝土工程的大型化、工程環(huán)境的復(fù)雜化以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)混凝土提出了更高的要求，混凝土材料的高性能化和高功能化是21世紀(jì)混凝土科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的重要方向。超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，簡稱 UHPC）[1]是一種從材料組成、配合比設(shè)計(jì)、微觀結(jié)構(gòu)等各方面均不同于普通高性能混凝土的一種新型水泥基材料，是近30年來最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料，實(shí)現(xiàn)工程材料性能的大跨越。它之所以稱為超高性能混凝土，主要體現(xiàn)在兩個(gè)“超高”[2]：超高的力學(xué)性能和超高的耐久性能。在力學(xué)性能方面，抗壓強(qiáng)度可達(dá) 100～180 MPa，抗折強(qiáng)度高達(dá) 20～40 MPa，抗壓強(qiáng)度是普通高性能混凝土的2～3倍，抗折強(qiáng)度是普通高性能混凝土的3～8倍。在耐久性方面，有超高的抗凍和抗?jié)B等級(jí)及超低的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，56 d 抗氯離子滲透系數(shù)僅為 1.2～12 m2/s。另外，在施工、干縮、抗疲勞也表現(xiàn)出了良好性能優(yōu)勢，比如：在施工性能方面，能自密實(shí)成型，自然養(yǎng)護(hù)，無需蒸養(yǎng);在體積穩(wěn)定性方面，早期抗裂性能優(yōu)良，長齡期干燥收縮僅為普通C50高性能混凝土的50 %;在抗疲勞性能方面，不容許出現(xiàn)裂紋的疲勞強(qiáng)度為10 MPa以上，容許出現(xiàn)裂紋但不容許斷裂的疲勞強(qiáng)度在12 MPa以上。

1 工程概況

蘭張鐵路三四線中川機(jī)場至武威段，十八里堡特大橋位于甘肅省武威市古浪縣十八里堡鄉(xiāng)，橋梁全長644.86 m，橋址區(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.3g，基本地震動(dòng)加速度反映譜特征周期為0.45 s，下部結(jié)構(gòu)墩柱全部為空心墩，最大墩高52 m;上部結(jié)構(gòu)采用2×56 mT構(gòu)現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體梁跨越既有蘭新鐵路，9-56 m節(jié)段拼裝UHPC簡支梁跨越G312國道、X141鄉(xiāng)道及古浪河。9-56 m節(jié)段拼裝UHPC簡支梁采用R120級(jí)超高性能混凝土節(jié)段法集中預(yù)制，通過200 t龍門吊提梁平移上橋，運(yùn)梁車運(yùn)至中承式造橋機(jī)尾部喂梁逐孔拼裝。

2 超高性能混凝土UHPC的應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)梁試制

因UHPC節(jié)段梁具有梁體截面大，腹板和底板厚度薄、配筋密的特點(diǎn)，對(duì)R120級(jí)UHPC簡支梁配合比的工作性能及混凝土澆注、養(yǎng)護(hù)工藝提出了更高要求，為確保節(jié)段梁預(yù)制施工質(zhì)量，選取橋梁腹板和底板最薄處的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段作為試驗(yàn)預(yù)制節(jié)段，通過1∶1全截面節(jié)段預(yù)制試驗(yàn)，分析檢驗(yàn)超高性能混凝土UHPC拌合物工作性能、物理力學(xué)性能，對(duì)模板、鋼筋制作安裝、拆模時(shí)間、混凝土澆筑工藝、養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力管道安裝等各環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控與總結(jié)。通過節(jié)段試制工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，取得相關(guān)技術(shù)參數(shù)，確定可行性施工方案，全面客觀分析影響工程質(zhì)量各種原因，對(duì)各項(xiàng)工藝技術(shù)和質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而得到更加科學(xué)、合理的施工工藝。

本次節(jié)段試驗(yàn)梁，其梁頂寬12.2 m，底寬6 m，梁高5.3 m，腹板厚度25 cm，底板厚度25 cm，頂板厚30 cm;底板預(yù)應(yīng)力管道設(shè)置12根，兩側(cè)腹板各設(shè)置7根;剪力鍵左右側(cè)腹板各設(shè)置5個(gè)、底板設(shè)置3個(gè)、頂板設(shè)置3個(gè);R120UHPC混凝土42.9 m3，鋼筋11.24 t。

施工工藝流程見圖1。

2.2 施工方法

超高性能混凝土UHPC節(jié)段梁施工具體包括模板系統(tǒng)、模板拆除、鋼筋骨架綁扎與入模、混凝土施工、混凝土養(yǎng)護(hù)、質(zhì)量驗(yàn)收等六部分。

2.2.1 模板系統(tǒng)

模板系統(tǒng)配置液壓千斤頂與頂伸螺桿裝置，包括底模、側(cè)模、固定端模和內(nèi)模。底模面板采用10 mm厚鋼板，縱、橫向設(shè)加勁肋。側(cè)模采用8 mm厚優(yōu)質(zhì)鋼板，配縱、橫向肋，通過鋼結(jié)構(gòu)支架支撐，支架上設(shè)螺旋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可進(jìn)行水平和豎向調(diào)整。內(nèi)模由6 mm鋼板制成，設(shè)加勁肋，主要由頂板底模、腹板內(nèi)模及角模組成，各模板之間采用螺栓連接，由可調(diào)撐桿支撐，整個(gè)內(nèi)模系統(tǒng)固定在滑梁上，可由液壓系統(tǒng)完成豎直方向伸縮及橫向開啟、閉合，并通過專用臺(tái)車移動(dòng)，利用卷揚(yáng)機(jī)牽引。固定端模由10 mm鋼板做面板，加勁后與固定在地面的支撐錨固支架連接，固定端模上設(shè)剪力鍵，由于預(yù)制梁段所處位置不同，剪力鍵位置也會(huì)出現(xiàn)差異，因此對(duì)需要更換的部分剪力鍵設(shè)計(jì)為螺栓固定，便于拆卸和調(diào)整位置，其余部分則采用焊接固定。端模安裝要加強(qiáng)中線控制、垂直度控制和水平度控制，如圖2所示。

2.2.2 模板拆除

為消除模板體系對(duì)混凝土的應(yīng)力約束，同條件養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度達(dá)到4～10 MPa之間應(yīng)松動(dòng)內(nèi)模。箱梁混凝土經(jīng)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度達(dá)到40 MPa，開始拆除模板，按照端模、內(nèi)模拆除、外側(cè)模拆除的順序進(jìn)行。

2.2.3 鋼筋骨架綁扎與入模

主要工作內(nèi)容包括：鋼筋骨架綁扎、預(yù)應(yīng)力管道安裝及定位、預(yù)埋件安裝及定位、混凝土墊塊安裝、鋼筋骨架吊環(huán)安裝。

2.2.4 混凝土施工

具體包括混凝土技術(shù)性能參數(shù)確定、混凝土拌制與運(yùn)輸，混凝土運(yùn)輸和泵送，混凝土澆注，混凝土養(yǎng)護(hù)等五大方面。本次節(jié)段試驗(yàn)梁原材料由水泥、石英砂、硅灰、鋼纖維、固態(tài)減水劑等干混料組成，現(xiàn)場采用專用拌合站摻水?dāng)嚢枭a(chǎn)混凝土?；炷翑嚢璨捎?組4臺(tái)1 m3的強(qiáng)制式攪拌機(jī)，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速不低于45 r/min，1組拌和設(shè)備理論拌和能力為8 m3/h，嚴(yán)格控制混凝土攪拌時(shí)間，每盤混凝土攪拌時(shí)間10 min，拌合物應(yīng)均勻，顏色一致，不得有離析、沁水現(xiàn)象，攪拌機(jī)設(shè)有防止鋼纖維結(jié)團(tuán)的裝置。超高性能混凝土流動(dòng)性滿足自密實(shí)混凝土要求，坍落度擴(kuò)展度不低于（650±50） mm，30 min后延時(shí)擴(kuò)展度不小于550 mm，擴(kuò)展時(shí)間T500小于2 s，離析率小于15 %?；炷镣ㄟ^混凝土罐車運(yùn)輸，卸料至輸送泵送入模。混凝土的澆注首先要加強(qiáng)對(duì)模板、鋼筋、預(yù)應(yīng)力孔道、預(yù)埋件、鋼筋保護(hù)層墊層、電線路、拌合機(jī)設(shè)備等檢查;其次要注意混凝土澆注順序，先澆注梁體“U”型部分（腹板和底板），再澆注頂板;再次要注意混凝土振搗方式，考慮到UHPC混凝土為自密實(shí)混凝土，且梁體鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道對(duì)混凝土的影響，采用模外附著式振動(dòng)器振搗。最后要注意頂板混凝土收面，頂板面積較大且橫向設(shè)計(jì)不同的橫向坡度，施工時(shí)在模板四周設(shè)置標(biāo)高帶，采用刮尺收面保證頂板混凝土面的平整度，收面完成后采用保持膜覆蓋。

2.2.5 混凝土養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)梁混凝土養(yǎng)護(hù)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)過程分為靜停、初養(yǎng)、終養(yǎng)及自然養(yǎng)護(hù)四個(gè)階段。蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度控制采用全自動(dòng)控制系統(tǒng)。其中：靜停時(shí)環(huán)境溫度應(yīng)在10 ℃以上、相對(duì)濕度60 %以上，靜停時(shí)間不得短于6 h。靜停完畢的構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，升溫速度應(yīng)不大于12 ℃/h，升溫至40 ℃后，保持恒溫（40±3） ℃ 24 h或直至同條件養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到40 MPa。再以不超過15 ℃/h的降溫速度降至構(gòu)件表面溫度與環(huán)境溫度之差不大于20 ℃。初養(yǎng)過程的環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)保持在70 %以上。終養(yǎng)采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，通過蒸汽鍋爐、蒸汽管道和蒸汽養(yǎng)護(hù)棚等設(shè)施實(shí)現(xiàn)。養(yǎng)護(hù)過程中的溫度和濕度宜通過傳感器調(diào)整蒸汽量的大小實(shí)現(xiàn)。養(yǎng)護(hù)溫度恒定（80±5） ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于72 h。升溫速度應(yīng)不大于12 ℃/h，達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，再以不超過15 ℃/h的降溫速度降至構(gòu)件表面溫度與環(huán)境溫度之差不大于10 ℃。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，撤除保溫設(shè)施。終養(yǎng)過程的環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)保持在95 %以上。構(gòu)件終養(yǎng)結(jié)束后可進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，環(huán)境平均氣溫應(yīng)高于10 ℃，構(gòu)件表面應(yīng)保持濕潤不少于7 d。當(dāng)環(huán)境平均氣溫低于10 ℃或最低氣溫低于5 ℃時(shí)，應(yīng)按冬季施工過程處理，采取保溫措施如圖3所示。

2.2.6 質(zhì)量驗(yàn)收

質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)主要包括模板安裝尺寸偏差、鋼筋安裝尺寸偏差、預(yù)埋件安裝尺寸偏差、節(jié)段外觀及尺寸偏差。特別是節(jié)段及封錨混凝土外觀項(xiàng)目，主要檢查內(nèi)容包括：平整密實(shí)、整潔、不露筋、無空洞、無石子堆壘、橋面流水暢通。對(duì)空洞、蜂窩、漏漿、硬傷掉角等缺陷，需修整并養(yǎng)護(hù)到規(guī)定強(qiáng)度。蜂窩深度不大于5 mm，長度不大于10 mm，不多于5 個(gè)/m3，剪力鍵破損率不大于MAX（5 %，1）。在預(yù)制表面裂紋項(xiàng)目，主要檢查橋面保護(hù)層、檔砟墻、端隔墻等，不允許有寬度大于02 mm的表面裂紋，其它部位節(jié)段表面不允許有裂紋。

2.3 試驗(yàn)梁試驗(yàn)檢測

2.3.1 試件留置要求

澆注節(jié)段梁時(shí)應(yīng)放置同條件試塊，在UHPC材料的澆注地點(diǎn)隨機(jī)抽樣制作，其試件的取樣與留置應(yīng)符合立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量、氯離子滲透系數(shù)、抗凍融性能、抗硫酸鹽侵蝕等規(guī)定。其中：蒸養(yǎng)條件下R120級(jí)超高性能能混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度不低于120 MPa，相應(yīng)的棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度不小于80 MPa。高溫養(yǎng)護(hù)后超高性能混凝土需做28d后的彈性模量不小于43 GPa。氯離子滲透系數(shù)、抗凍融性能、抗硫酸鹽侵蝕超高性能混凝土材料的耐久性應(yīng)符合GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》的規(guī)定。

2.3.2 試驗(yàn)節(jié)段梁檢測

R120級(jí)UHPC高性能混凝土試件立方體抗壓強(qiáng)度同條件養(yǎng)護(hù)22 h、7 d、11 d、17 d、28 d強(qiáng)度平均值分別為42.2 MPa、65.4 MPa、131.6 MPa、160.1 MPa、158.5 MPa。標(biāo)養(yǎng)1 d、11 d、17 d強(qiáng)度平均值分別為39.2 MPa、94.2 MPa、110.3 MPa、116.2 MPa，如圖4所示。

R120級(jí)UHPC高性能混凝土試件同條件28 d抗折強(qiáng)度平均值為21.8 MPa，同條件28 d彈性模量為53.2 GPa。

3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)

（1）從混凝土工作性能看，拌合物出機(jī)后擴(kuò)展度700 mm、30 min后720 mm、60 min后750 mm，拌合物無沁水現(xiàn)象，滿足技術(shù)條件要求。

（2）從澆注工藝來看，試驗(yàn)梁先澆注梁體“U”型部分（腹板和底板）再澆注頂板，“U”型部分從一側(cè)入模壓入另一側(cè)腹板，距離頂板僅剩余不到1.5 m，再加以附著式振動(dòng)器輔助振搗，解決了底板、預(yù)應(yīng)力管道及鋼筋密集部位容易出現(xiàn)空洞問題。

（3）從施工組織來看，準(zhǔn)備工作到位，混凝土開始澆筑至結(jié)束僅用了165 min，有效保證了混凝土澆筑質(zhì)量。

（4）從試驗(yàn)梁試件留置及檢測情況來看，UHPC混凝土超高性能混凝土材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)立方體抗壓強(qiáng)度，終養(yǎng)（高溫蒸養(yǎng)）28天后能夠達(dá)到158.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)值120 MPa要求，試件抗折強(qiáng)度21.8 MPa，滿足設(shè)計(jì)值18 MPa;混凝土彈性模量53.2 GPa，滿足設(shè)計(jì)值43 GPa要求。

（5）從外觀質(zhì)量來看，節(jié)段預(yù)制梁表面無漏筋、不密實(shí)、空洞等質(zhì)量缺陷，結(jié)構(gòu)尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

工程材料的發(fā)展是工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重要驅(qū)動(dòng)力，而結(jié)構(gòu)創(chuàng)新也是新材料能否有生命力與競爭力的關(guān)鍵所在。與普通混凝土相比，UHPC 強(qiáng)度更高、更耐久;與鋼結(jié)構(gòu)相比，UHPC 結(jié)構(gòu)抗疲勞能力更強(qiáng)。當(dāng)前 UHPC 材料與結(jié)構(gòu)已成為了熱點(diǎn)研究方向，在我國工程院戰(zhàn)略咨詢中心等單位發(fā)布的《全球工程前沿報(bào)告2018》[3]中，超高性能混凝土位列土木、水利與建筑工程領(lǐng)域前沿發(fā)展第2位。我國鐵路建設(shè)正處在大規(guī)模建設(shè)向建養(yǎng)并重轉(zhuǎn)移階段，UHPC已經(jīng)在新建高性能結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)加固改造中得到了應(yīng)用，且呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢。UHPC混凝土節(jié)段梁的試制成功必將進(jìn)一步推動(dòng)UHPC在鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)用與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2] 黃政宇，沈蒲生，蔡松柏.200MPa 超高強(qiáng)鋼纖維混凝土試驗(yàn)研究[J].混凝土，1993（3）：3-7.

[3] 中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心，高等教育出版社，科睿唯安.全球工程前沿2018[R].北京：中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心，2018.