UHPC預(yù)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(shè)計、澆筑及養(yǎng)護(hù)技術(shù)等方面，闡述了超高性能混凝土（UHPC）Ⅰ型梁預(yù)制施工的關(guān)鍵技術(shù)及控制要點。質(zhì)量檢測結(jié)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(shè)計要求，由此證明采用該方法制備的Ⅰ型梁質(zhì)量可靠，可為同類橋梁設(shè)計施工提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；超高性能混凝土；預(yù)制梁；施工技術(shù)

中圖分類號：U445.47??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0099-03

0 引言

伴隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，對橋梁工程的質(zhì)量與耐久性等的要求不斷提高，傳統(tǒng)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁耐久性差，運營過程中梁體開裂和過度下?lián)系膯栴}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(xué)性能與耐久性的新一代水泥基復(fù)合材料［1］，逐漸成為土木行業(yè)熱點并逐步應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域。

UHPC最早應(yīng)用于20世紀(jì)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(nèi)并拉開了國內(nèi)研究序幕。2006年，國內(nèi)建成了首座UHPC梁橋——灤柏干渠大橋［5］，UHPC在橋梁工程領(lǐng)域進(jìn)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?qū)?.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(yīng)用于橋面結(jié)構(gòu)、橋梁加固等領(lǐng)域，黎棟家等［8］提出“倒T型鋼+UHPC”組合橋面結(jié)構(gòu)，通過ANSYS軟件分析發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)能大幅提高承載力并抑制結(jié)構(gòu)震動；左照坤等［9］通過靜載試驗和疲勞試驗?zāi)M，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(yīng)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(fā)揮著越來越重要的作用，但現(xiàn)階段對UHPC預(yù)制梁生產(chǎn)工藝技術(shù)的相關(guān)研究極少。本文以某車行天橋為對象，從模板設(shè)計、UHPC澆筑、養(yǎng)護(hù)等方面介紹了UHPC預(yù)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(yù)應(yīng)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(yù)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(shè)置一道豎向加勁肋，加勁肋厚度60 cm。Ⅰ型梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計如圖1所示?？紤]梁體過長，為降低生產(chǎn)及運輸難度，將其分3個節(jié)段預(yù)制，依次為16 m、18 m、16 m，節(jié)段接縫采用膠拼并設(shè)計榫卯結(jié)構(gòu)對接，配合4束體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索實現(xiàn)節(jié)段連接。如圖2所示。

2 制梁關(guān)鍵技術(shù)

2.1 模具設(shè)計

普通混凝土Ⅰ型梁常采用梁頂布料、分層澆筑的方式進(jìn)行預(yù)制，多使用無頂部模板的側(cè)面合模模具進(jìn)行施工，與預(yù)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(jié)皮，分層澆筑會導(dǎo)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(yōu)異的力學(xué)性能使Ⅰ型梁設(shè)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(wǎng)片的阻擋，若使用傳統(tǒng)模具從頂端布料，易出現(xiàn)混凝土向下流動困難和振搗困難，輕則出現(xiàn)蜂窩麻面，影響預(yù)制梁外觀質(zhì)量，重則出現(xiàn)空包、空鼓，威脅預(yù)制梁結(jié)構(gòu)安全。由此，主梁考慮采用平臥方式進(jìn)行預(yù)制。

因主梁分段預(yù)制，主梁模板分為16 m段、18 m段制作。由于主梁平臥預(yù)制，故模板設(shè)計時不考慮預(yù)拱度的影響，且由于梁體兩側(cè)對稱，故而頂、底模采用相同設(shè)計，模具構(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)強度并防止梁體下?lián)?。上馬蹄側(cè)模開有吊環(huán)口，用以安裝預(yù)埋吊環(huán)，吊環(huán)供節(jié)段預(yù)制完成后的翻轉(zhuǎn)使用；模具采用全封閉設(shè)計，因此頂、底模上開設(shè)有澆筑口用于混凝土施工，澆筑口設(shè)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(shè)置8個澆筑口，當(dāng)頂、底模用作底模時，澆筑口安裝蓋板進(jìn)行封閉。模板使用前需進(jìn)行試拼檢查，試拼合格后用紅油漆在模板外側(cè)進(jìn)行編號，保證后續(xù)拼裝施工快速準(zhǔn)確進(jìn)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(jī)的工作阻力，且鋼纖維的分布均勻性對材料力學(xué)性能也存在較大影響，因而UHPC需要大功率攪拌機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?/p>

該項目UHPC拌制采用STC3000型專用攪拌機(jī)，單次可攪拌2 m3，攪拌時間20 min，由一臺500 kW發(fā)電機(jī)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(jié)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(shè)備內(nèi)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(zhuǎn)動，控制混凝土運至澆搗地點后不發(fā)生離析、漏漿、嚴(yán)重泌水及坍落度損失過多等現(xiàn)象，任何情況下均禁止向裝有混凝土拌和物的拌筒內(nèi)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(zhì)地黏稠，當(dāng)其表層水分蒸發(fā)后會快速凝固進(jìn)而結(jié)皮，使得澆筑性能大大降低。現(xiàn)場實測表明，在晴天、氣溫25 ℃、微風(fēng)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(jié)皮，結(jié)皮后混凝土流動性大大降低，其表面粗糙也使得后續(xù)澆筑混凝土難以擴(kuò)散。實際施工發(fā)現(xiàn)，當(dāng)先澆UHPC表層結(jié)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(jié)皮進(jìn)入下方擴(kuò)散，并頂起表層硬皮，最終使得拆模后的梁體上表層質(zhì)地松散且粗糙難看。

為解決此問題，UHPC澆筑應(yīng)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(jié)應(yīng)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(yù)制同樣是避免其表層結(jié)皮的關(guān)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(jié)束且所有罐車均到達(dá)現(xiàn)場后才可開始澆筑施工。澆筑采用直卸方式，3臺罐車均進(jìn)入指定位置后再同時卸料，澆筑過程應(yīng)快速、連續(xù)，罐車卸料完成后再改用吊車吊料斗進(jìn)行局部補料，保證澆筑密實，單片梁澆筑時間控制在1 h內(nèi)，以最大程度抑制結(jié)皮情況，保證梁體外觀質(zhì)量。

2.4 UHPC養(yǎng)護(hù)

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(fā)熱量和體積收縮量較大，無粗骨料則導(dǎo)致對水泥漿體等的收縮約束能力弱，因此UHPC早齡期易受環(huán)境溫度變化影響，開裂風(fēng)險較高。

為抑制早齡期溫度裂縫產(chǎn)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(jié)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(nèi)，從而降低混凝土內(nèi)外溫差應(yīng)力，減少溫度裂縫的發(fā)生?；炷两K凝后，進(jìn)行梁體蒸汽養(yǎng)護(hù)（蒸養(yǎng)制度如圖4所示），架設(shè)蒸養(yǎng)棚的同時撤出篷布，最大程度減少混凝土的暴露時間。蒸養(yǎng)結(jié)束、停止輸送蒸汽后，不得立刻拆卸蒸養(yǎng)棚，應(yīng)延遲1～2 d再拆除，通過蒸養(yǎng)棚的保溫作用延長散熱時間，使混凝土經(jīng)過長時間的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到一定的強度和收縮應(yīng)力，利用混凝土的抗拉強度提高混凝土承受外約束應(yīng)力時的抗裂能力；蒸養(yǎng)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(tài)，持續(xù)3～5 d。

2.5 Ⅰ型梁翻轉(zhuǎn)

Ⅰ型梁采用臥式預(yù)制的方式，梁片移存時要先進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。Ⅰ型梁翻轉(zhuǎn)由4臺汽車吊配合進(jìn)行，利用預(yù)埋吊環(huán)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)作業(yè)。梁片預(yù)制時即在梁頂和下馬蹄側(cè)緣部位埋設(shè)吊環(huán)，吊環(huán)布置如下頁圖5所示。

當(dāng)梁體混凝土抗壓強度和彈性模量達(dá)到設(shè)計值的90%后，進(jìn)行梁片翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)移，梁片翻轉(zhuǎn)施工需緩慢進(jìn)行，防止碰撞，同時保證各吊點受力均勻，避免梁體產(chǎn)生裂縫。

梁片翻轉(zhuǎn)步驟：（1）將2臺汽車吊利用鋼絲繩吊住上馬蹄側(cè)吊環(huán)，另外2臺吊吊住下馬蹄側(cè)緣位置吊環(huán)；（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(wěn)定后，施工技術(shù)人員上前觀察，確認(rèn)梁片完好無裂縫、吊鉤無變形后繼續(xù)施工；（3）上馬蹄側(cè)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(cè)緣吊鉤，使梁片完成空中翻轉(zhuǎn)；（4）由2臺汽車吊將翻轉(zhuǎn)后的Ⅰ型梁移至存梁區(qū)。如圖6所示。

翻轉(zhuǎn)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(xiàn)偏斜則立即停下糾偏，防止主梁節(jié)段出現(xiàn)受力不均和扭轉(zhuǎn)等情況。梁片吊放到位后，采用手拉葫蘆進(jìn)行固定，防止主梁發(fā)生傾覆，每片梁由兩組手拉葫蘆固定，安裝于梁體兩側(cè)端部。

2.6 Ⅰ型梁質(zhì)量檢測

Ⅰ型梁澆筑時，即從灌注初、中、后期隨機(jī)取樣制作試塊，試塊隨梁養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完成后送至專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢測，部分檢測結(jié)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(biāo)均明顯大于設(shè)計要求，由此證明采用本文方法制備的Ⅰ型梁質(zhì)量可靠。

3 結(jié)語

本文結(jié)合具體工程實例，探究了UHPC預(yù)制Ⅰ型梁的制備工藝技術(shù)，所得結(jié)論如下：

（1）對于尺寸大而腹板厚度薄的Ⅰ型梁，采用平臥預(yù)制的方法可以有效保證澆筑質(zhì)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(zhuǎn)作業(yè)不會損傷梁體，不會產(chǎn)生裂縫。

（2）UHPC材料性質(zhì)和工作性能對Ⅰ型梁的預(yù)制提出了嚴(yán)苛的要求，澆筑需快速進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)需細(xì)致到位，稍有疏忽即會影響預(yù)制梁質(zhì)量。

（3）UHPC作為新型材料，在橋梁工程中具有良好的應(yīng)用前景和推廣價值，但其相關(guān)研究尚未成熟，UHPC梁制備工藝復(fù)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(xiàn)

［1］邵旭東，邱明紅，晏班夫，等.超高性能混凝土在國內(nèi)外橋梁工程中的研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報，2017，31（23）：33-43.

［2］LARRARD F，SEDRAN T. Optimization of Ultra-High-Performance Concrete by the Use of a Packing Model［J］.Cement and Concrete Research，1994，24（6）：997-1 009.

［3］GRAYBEAL B，CRANE C K，PERRY V，et al.Advancing Ultra-High-Performance Concrete［J］.Concrete International，2019，41（4）：41-45.

［4］覃維祖，曹 峰.一種超高性能混凝土—活性粉末混凝土［J］.工業(yè)建筑，1999（4）：16-18.

［5］檀軍鋒.活性粉末混凝土（RPC）在鐵路預(yù)制梁工程中的應(yīng)用［J］.上海鐵道科技，2007（2）：54-55.

［6］陳寶春，黃卿維，王遠(yuǎn)洋，等.中國第一座超高性能混凝土（UHPC）拱橋的設(shè)計與施工［J］.中外公路，2016，36（1）：67-71.

［7］Zheng H，Su J，F(xiàn)ang Z.The first precast segmental box-girder roadbridge in China［C］.Changsha：lst International Conference on UHPC Mate-rials and Structures，2016.

［8］黎棟家，楊盼杰，曾有鳳.倒T型鋼+UHPC橋面結(jié)構(gòu)研究［J］.西部交通科技，2022（11）：153-156.

［9］左照坤，鞠曉臣，趙欣欣，等.新型超高性能混凝土鐵路鋼橋面鋪裝體系適用性研究［J］.鐵道建筑，2021，61（6）：1-5.

［10］王 洋，邵旭東，陳 杰，等.重度疲勞開裂鋼橋橋面的UHPC加固技術(shù)［J］.土木工程學(xué)報，2020，53（11）：92-101，115.

［11］曹君輝，楊碧川，邵旭東，等.在役大跨徑懸索橋鋼橋面UHPC加固新結(jié)構(gòu)實橋試驗與理論分析［J］.湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023（5）：1-14.

作者簡介：龍誠璧（1995—），碩士，研究方向：橋梁工程。