現(xiàn)澆超高性能混凝土在人防工程中的應(yīng)用

周 業(yè) 王禮彬 鄒佳放 寧志強(qiáng) 顧靜飛

中建五局第三建設(shè)有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410004

人防工程是一種有特殊防護(hù)要求的地下建筑，現(xiàn)代人防工程形成了既能滿(mǎn)足戰(zhàn)時(shí)防空需要，又能兼顧平時(shí)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人民生活的建筑特點(diǎn)。但人防工程特殊的防護(hù)要求，使其在采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)存在以下問(wèn)題：結(jié)構(gòu)尺寸大，基坑開(kāi)挖深度大，凈空小，經(jīng)濟(jì)性差。如何采取新工藝，新方法解決上述問(wèn)題，對(duì)人防工程的未來(lái)發(fā)展具有重要意義。

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）相較于普通性能混凝土，具有超高的力學(xué)性能。其不僅具有超高的抗壓強(qiáng)度，通過(guò)增加短纖維，還能使其擁有超高的抗折強(qiáng)度與韌性；此外，UHPC還具有超高的耐久性能，不存在凍融循環(huán)、堿-骨料反應(yīng)等問(wèn)題。與普通混凝土相比，UHPC在抗碳化、抗氯離子滲透等方面，有數(shù)倍或十?dāng)?shù)倍的提高，其結(jié)構(gòu)使用壽命即使在海洋環(huán)境中也可達(dá)到200年。此外，UHPC還具有優(yōu)異的環(huán)保性，屬于最低碳的水泥基材料，其水泥和膠凝材料利用率遠(yuǎn)高于其他水泥。憑借上述優(yōu)異性能，UHPC成為了近年來(lái)土木工程領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外橋梁、建筑工程等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。法國(guó)于2001年建成了世界上最早的UHPC公路橋—Bourg-les-Valence，德國(guó)于2007年建成了世界上首座UHPC-鋼組合橋梁G?rtnerplatz，此外，美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家也已將UHPC應(yīng)用于橋梁工程中[1]。國(guó)內(nèi)UHPC應(yīng)用起步較晚，2018年，丁沙等[2]將預(yù)制的UHPC頂板應(yīng)用于南京某人防工程中。2020年洞庭湖大橋采用UHPC對(duì)橋梁防水鋪裝層進(jìn)行施工[3]，劉飛[4]研究了UHPC在橋梁加固工程中的應(yīng)用，得出了UHPC能使橋梁結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，可加快橋梁維修速度的結(jié)論。史華偉[5]將UHPC應(yīng)用于橋梁的全預(yù)制拼裝施工的連接結(jié)構(gòu)中。高珊[6]通過(guò)試驗(yàn)，研究了高強(qiáng)高性能混凝土在建筑工程中的施工應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)摻入適量粉煤灰可以有效提高混凝土的抗?jié)B性能。目前國(guó)內(nèi)UHPC的應(yīng)用實(shí)例較少，多以預(yù)制為主且用量較少。丁沙等[2]在怒江二橋工程上采用了現(xiàn)澆UHPC澆筑橋梁的鋼混結(jié)合段來(lái)保證其受力要求，但在澆筑完成后并未采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致UHPC強(qiáng)度并未完全發(fā)揮。

綜上所述，在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)UHPC的大面積現(xiàn)澆，采取合理的養(yǎng)護(hù)工藝，將其優(yōu)異的力學(xué)性能與人防工程的高性能設(shè)計(jì)要求相結(jié)合，使其兼具優(yōu)異的使用性與經(jīng)濟(jì)性，不僅響應(yīng)了國(guó)家綠色設(shè)計(jì)、綠色生產(chǎn)的環(huán)保理念，而且對(duì)人防工程的優(yōu)質(zhì)發(fā)展與UHPC的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 工程概況

人防工程的設(shè)計(jì)要求與普通建筑工程不同，其設(shè)計(jì)荷載值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通建筑物的設(shè)計(jì)荷載值，若采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，從而無(wú)法有效利用建筑空間。因此，有必要采用新材料或新的結(jié)構(gòu)形式來(lái)避免上述問(wèn)題。

背景工程為某市大型地下人防工程，建筑總面積約為13.43萬(wàn) m2，共3層，地下1層層高5 m，地下2、3層層高均為3.6 m，結(jié)構(gòu)類(lèi)型為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)通過(guò)在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，從而大大提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受水平力時(shí)，剪力墻與框架共同承擔(dān)水平作用力，兩者相互約束，維持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。針對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在不同程度地震下的防護(hù)效果，存在如下描述[7]：

1）在較小地震下，剪力墻起絕對(duì)主導(dǎo)作用，防止非承重構(gòu)件的損壞。

2）在中等地震作用下，框架將承擔(dān)部分側(cè)向力，與剪力墻協(xié)同變形抵抗外力。

3）在大震作用下，剛性較大的剪力墻受到?jīng)_擊開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段，結(jié)構(gòu)框架開(kāi)始發(fā)揮作用約束變形，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，起到了第2道防線(xiàn)的作用。

由此可以看出，盡管單純框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度與剪力墻結(jié)構(gòu)相比較小，但當(dāng)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)承受較大的側(cè)向力時(shí)，框架部分對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定仍起著至關(guān)重要的作用。本工程根據(jù)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的特性，結(jié)合人防工程高設(shè)計(jì)荷載值的這一要求，擬對(duì)工程特定人防區(qū)域的梁、柱、板使用UHPC進(jìn)行澆筑，既能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載要求，減少構(gòu)件尺寸，有利于設(shè)計(jì)師對(duì)空間的靈活布置，提高空間利用率，又能節(jié)約材料鋼筋用量，降低了碳排放。

2 UHPC性能分析

2.1 材料性能

UHPC包含2個(gè)方面“超高”：

1）超高的力學(xué)性能。UHPC的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與彈性模量較普通混凝土高出了4～10倍不等，在相同的設(shè)計(jì)條件下，將大大減少水泥和鋼筋的用量，具有良好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效應(yīng)。

2）超高的耐久性。UHPC內(nèi)部不存在融凍循環(huán)，超高的抗?jié)B等級(jí)不僅能阻止環(huán)境中氯離子與硫酸鹽離子的滲透作用，保護(hù)構(gòu)件鋼筋，降低建筑完工后的維修風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還具有良好的防水性能，條件允許時(shí)還可以免除結(jié)構(gòu)的防水施工，節(jié)約施工成本。UHPC與普通混凝土材料性能對(duì)比詳見(jiàn)表1。

表1 UHPC與普通混凝土材料性能對(duì)比

本工程所用UHPC為活性粉末混凝土RPC120，主要由核心料、石英砂、鋼纖維、水及高性能減水劑等組成。材料結(jié)合了超細(xì)粒致密材料設(shè)計(jì)理論與纖維增強(qiáng)技術(shù)，是由超細(xì)活性粉末、水泥、高強(qiáng)細(xì)鋼纖維等組成，通過(guò)最優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)，經(jīng)高溫?zé)岷系忍囟üに囍苽涠傻膹?fù)合材料，具有超高強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度100～400 MPa）、高韌性、高耐久性、高體積穩(wěn)定性、高耐腐蝕性、纖薄輕質(zhì)、環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)，是一種最新型的UHPC材料，工程設(shè)計(jì)配合比為水泥∶核心料∶石英砂∶鋼纖維∶水∶外加劑＝1∶0.601∶1.599∶0.236∶0.203∶0.010。

2.2 構(gòu)件性能

以本工程650 mm×650 mm截面矩形偏心受壓柱的抗剪性能為例，根據(jù)DBJ43/T 325—2017《活性粉末混凝結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，UHPC矩形、T形和箱形截面偏心受壓構(gòu)件，其斜截面受剪承載力計(jì)算公式如下：

由式（1）可以看出，UHPC不僅本身具有良好的抗剪能力，摻入其中的鋼纖維也能夠大大提高構(gòu)件的抗剪承載能力。

考慮GB 50038—2005《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》中動(dòng)荷載作用時(shí)材料強(qiáng)度的綜合調(diào)整系數(shù)，本工程UHPC偏心受壓柱抗剪極限承載力Vfc＝694.80 kN。相較于按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中使用C50普通混凝土，計(jì)算得到的抗剪極限承載力Vfc＝467.65 kN，抗剪能力提高了49%，使結(jié)構(gòu)即便經(jīng)歷了高強(qiáng)水平作用力導(dǎo)致剪力墻進(jìn)入彈塑性階段，結(jié)構(gòu)框架仍有足夠的抗剪余量，從而起到第2道抗震防線(xiàn)的作用，使結(jié)構(gòu)的安全性能大大提高。

3 現(xiàn)澆UHPC施工工藝

3.1 施工準(zhǔn)備

1）工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置標(biāo)養(yǎng)室、實(shí)驗(yàn)室，標(biāo)養(yǎng)試塊模具，坍落度桶、溫度計(jì)等計(jì)量器具，每6 h記錄1次溫濕度。

2）澆筑混凝土段的模板、鋼筋、預(yù)埋件及管線(xiàn)等全部安裝完畢后，將模板內(nèi)的垃圾、泥土等及鋼筋上的油污清除干凈，模板內(nèi)不得有積水。墊好鋼筋墊塊、剔除墻柱根部松散混凝土及浮漿。

3）做好后澆帶堵?lián)豕ぷ鳌Ｐｒ?yàn)?zāi)０?、鋼筋、保護(hù)層和預(yù)埋件等的尺寸、規(guī)格、數(shù)量和位置，對(duì)模板支撐體系的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、密封性以及模板垂直度進(jìn)行檢查。

4）因UHPC流動(dòng)性大，在澆筑前必須對(duì)所有模板的接口處進(jìn)行耐候膠填縫處理，確保不外漏。

5）除了必要的施工人員外，現(xiàn)場(chǎng)還需配備專(zhuān)業(yè)蒸養(yǎng)人員以及電焊工等。

此外，遇到冬雨季施工，需要按計(jì)劃進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備好塑料布、保溫被。

3.2 UHPC澆筑

澆筑應(yīng)保證連續(xù)一次澆筑完成，不得出現(xiàn)冷縫，如必須間歇，應(yīng)在前一層混凝土初凝之前，將后一層混凝土澆筑完畢；分層澆筑時(shí)應(yīng)有專(zhuān)人進(jìn)行表面噴霧養(yǎng)護(hù)，防止表面出現(xiàn)硬殼層。如果發(fā)現(xiàn)局部出現(xiàn)表面硬殼層時(shí)，應(yīng)采用工具翻耙表面后再澆筑。澆筑采用前推法施工，避免覆蓋法施工。澆筑時(shí)出料管口混凝土下落的自由傾落高度不宜超過(guò)5 m。從低處開(kāi)始，沿長(zhǎng)邊方向自一端向另一端進(jìn)行澆筑。

框架柱進(jìn)行澆筑時(shí)，使用的UHPC坍落擴(kuò)展度必須達(dá)到650 mm及以上。因UHPC存在較大的浮力，放料時(shí)一定要控制用量，目測(cè)即將放至梁底時(shí)立即停止，等待10 min左右再放料。當(dāng)層高較高且柱配筋率較大時(shí)，為確保澆筑密實(shí)，必須在靠近柱的相鄰板面上留設(shè)施工洞口，使用溜槽將混凝土引入柱內(nèi)?？蚣苤鶟仓戤吅?，須靜停48 h再澆筑梁板混凝土，蒸汽養(yǎng)護(hù)可以與梁板混凝土一并進(jìn)行。

梁板進(jìn)行澆筑時(shí)，使用的UHPC坍落度必須達(dá)到600 mm及以上，由一端向另一端一次澆筑完成。當(dāng)混凝土泵送到澆筑點(diǎn)時(shí)，應(yīng)派人及時(shí)用鐵鍬或鋼耙將其分散，以免集中荷載造成頂模變形，混凝土下料點(diǎn)宜分散布置，間距控制不超過(guò)7 m，不得使用振搗棒鋪攤和振搗混凝土，混凝土上表面模板應(yīng)有抗UHPC浮力的措施。澆筑形狀復(fù)雜或封閉模板空間內(nèi)混凝土?xí)r，應(yīng)在模板上適當(dāng)部位設(shè)置排氣口和澆筑觀察口。

澆筑完成后采用三次抹壓成形工藝，澆筑振搗成形后進(jìn)行第1次抹壓；混凝土收水并開(kāi)始初凝時(shí)（可以踩出腳印但不下陷為準(zhǔn)），用木抹子進(jìn)行第2次抹壓，確保鋼纖維等壓實(shí)不外露；混凝土初凝后終凝前，使用磨光機(jī)進(jìn)行第3次抹壓，封閉其吸水裂縫，最后達(dá)到收光的效果，對(duì)建筑的防水效果起到積極的作用。

3.3 UHPC與普通混凝土的混澆處理

UHPC與普通混凝土混澆，普通混凝土的收縮徐變較大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d，而UHPC蒸養(yǎng)后只需要72 h即可達(dá)到100%強(qiáng)度，所以澆筑時(shí)必須先澆筑普通混凝土，齡期達(dá)到后再澆筑UHPC，這樣才能有效避免混凝土的收縮拉裂。

1）框架柱與剪力墻連接處做法：止水鋼板攔截在剪力墻與框架柱交接處往剪力墻處30～50 cm位置，先澆搗剪力墻普通混凝土，等達(dá)到齡期后再澆筑框架柱UHPC?？蚣苤c剪力墻交接處處理做法如圖1所示。

圖1 框架柱與剪力墻交接處處理做法

2）UHPC與普通混凝土在斜板位置交接處做法：在斜板交接處用止水鋼板攔截，先澆筑普通混凝土，達(dá)到齡期后再澆筑UHPC，如圖2所示。

圖2 斜板處UHPC與普通混凝土做法

3.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)過(guò)程分為靜停、升溫養(yǎng)護(hù)及自然養(yǎng)護(hù)3個(gè)階段。其中，靜停的環(huán)境溫度應(yīng)在10 ℃以上，相對(duì)濕度60%上，靜停時(shí)間不得短于6 h。

由于UHPC的養(yǎng)護(hù)與普通混凝土不同，養(yǎng)護(hù)方式是否合理對(duì)于UHPC的性能發(fā)展有明顯影響。本工程使用UHPC膠凝材料用量高，水化速率快，水化熱高，文獻(xiàn)[2]對(duì)UHPC采用自然養(yǎng)護(hù)的方法，其混凝土強(qiáng)度較沸水養(yǎng)護(hù)降低了近20%。因此，本工程升溫養(yǎng)護(hù)采用蒸養(yǎng)工藝養(yǎng)護(hù)，較高的蒸養(yǎng)溫度可以促進(jìn)膠凝材料的水化硬化過(guò)程，獲得較高的強(qiáng)度發(fā)展速率，使最終強(qiáng)度較高。使用自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)精確控制蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度，蒸汽養(yǎng)護(hù)的升溫速率不大于12 ℃/h，升溫至70 ℃后，保持恒溫（70 ℃±3.5 ℃）72 h，直至同條件養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值，再以不超過(guò)15 ℃/h的降溫速率降至構(gòu)件表面溫度與環(huán)境溫度之差不大于20 ℃。

1）框架柱蒸養(yǎng)，按照柱子的幾何尺寸，定制保溫帆布，澆筑完成后及時(shí)帶模板覆蓋蒸養(yǎng)72 h。采用全自動(dòng)溫度控制，每個(gè)柱子上安裝自動(dòng)溫度表，按規(guī)范要求控制降溫速率。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)柱網(wǎng)布置蒸汽管道至每個(gè)柱邊，定制雙層帶保溫帆布覆蓋?？蚣苤ㄖ普麴B(yǎng)保溫設(shè)施如圖3所示。

圖3 定制蒸養(yǎng)設(shè)施示意

2）梁板蒸養(yǎng)，通過(guò)定制伸縮架、雙層帶保溫帆布的專(zhuān)用保溫設(shè)施覆蓋樓板，留設(shè)高度0.3 m，內(nèi)設(shè)溫度控制系統(tǒng)及控制閥蒸養(yǎng)72 h。蒸養(yǎng)時(shí)，板面上不能堆放任何物料，須在周邊拉設(shè)警戒線(xiàn)，防止人員進(jìn)入。

蒸養(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(rùn)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)采取保溫措施。

3.5 試塊制作與檢測(cè)

同一工作班、同一配比混凝土每100 m3為一取樣單位，每一取樣單位留置試塊3組：1組為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊、1組為同條件養(yǎng)護(hù)試塊、1組為備用試塊。

對(duì)抗壓試塊的制作，依據(jù)GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》留置?；炷涟韬臀锍矶葢?yīng)滿(mǎn)足施工方案的要求。所有同條件試塊必須在下料口制作，在施工現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)，為防止同條件試塊意外破壞，應(yīng)制作鋼筋籠保護(hù)試塊，保證條件與實(shí)際混凝土條件相同，操作面附近必須準(zhǔn)備有振動(dòng)臺(tái)、模具等有關(guān)器具。

UHPC試塊的養(yǎng)護(hù)不同于普通混凝土，必須與現(xiàn)場(chǎng)的蒸汽養(yǎng)護(hù)同步進(jìn)行，即拆模后將試塊放入蒸養(yǎng)棚，同條件養(yǎng)護(hù)。試塊在同條件蒸汽養(yǎng)護(hù)72 h后，送指定檢測(cè)結(jié)構(gòu)檢測(cè)其抗?jié)B與抗壓強(qiáng)度，在抗?jié)B檢測(cè)中，試塊在初始?jí)毫?.1 MPa的情況下，壓力每小時(shí)增加0.1 MPa，7 h后，試件的6個(gè)端面均未出現(xiàn)滲水情況。抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試

從表2可以看出，在同條件蒸汽養(yǎng)護(hù)情況下，試塊抗壓強(qiáng)度均高出設(shè)計(jì)強(qiáng)度10%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

1）由于人防工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用UHPC澆筑人防工程框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的框架部分，不僅能顯著提升結(jié)構(gòu)的豎向承載能力，還能顯著提升整體結(jié)構(gòu)的水平向抗剪能力，在人防工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2）工程采用的UHPC大面積現(xiàn)澆蒸汽養(yǎng)護(hù)方法下，混凝土體現(xiàn)出了良好的抗壓與抗?jié)B性能，養(yǎng)護(hù)方法可行有效。

3）本工程作為UHPC大面積現(xiàn)澆在全國(guó)的首次應(yīng)用，相關(guān)施工工藝與方法對(duì)于UHPC的推廣與應(yīng)用具有重要意義。