超高性能混凝土UHPC在鐵路節(jié)段梁施工中的應用

王鵬 范向東

摘要：高性能混凝土有較高的抗壓強度和耐久性，可以解決普通混凝土結構存在的自重大、耐久性低的缺點。文章介紹國鐵集團以蘭張鐵路三四線中川機場至武威段作為試點項目，在十八里堡橋梁首次采用了超高性能混凝土UHPC節(jié)段箱梁結構，試驗預制UHPC節(jié)段梁選取橋梁腹板和底板最薄處的標準節(jié)段，分析檢驗超高性能混凝土UHPC拌合物工作性能、物理力學性能，對模板、鋼筋制作安裝、拆模時間、混凝土澆筑工藝、養(yǎng)護、預應力管道安裝等各環(huán)節(jié)進行監(jiān)控與總結。UHPC高性能混凝土節(jié)段梁的試制成功必將進一步推動UHPC在鐵路橋梁結構的運用與發(fā)展。

[作者簡介]王鵬（1980—），男，本科，高級工程師，研究方向為鐵路基本建設管理。

隨著 21 世紀混凝土工程的大型化、工程環(huán)境的復雜化以及應用領域的不斷擴大，人們對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世紀混凝土科學和工程技術發(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、配合比設計、微觀結構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，實現工程材料性能的大跨越。它之所以稱為超高性能混凝土，主要體現在兩個“超高”[2]：超高的力學性能和超高的耐久性能。在力學性能方面，抗壓強度可達 100～180 MPa，抗折強度高達 20～40 MPa，抗壓強度是普通高性能混凝土的2～3倍，抗折強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等級及超低的氯離子擴散系數，56 d 抗氯離子滲透系數僅為 1.2～12 m2/s。另外，在施工、干縮、抗疲勞也表現出了良好性能優(yōu)勢，比如：在施工性能方面，能自密實成型，自然養(yǎng)護，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，不容許出現裂紋的疲勞強度為10 MPa以上，容許出現裂紋但不容許斷裂的疲勞強度在12 MPa以上。

1 工程概況

蘭張鐵路三四線中川機場至武威段，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)基本地震動峰值加速度為0.3g，基本地震動加速度反映譜特征周期為0.45 s，下部結構墩柱全部為空心墩，最大墩高52 m;上部結構采用2×56 mT構現澆轉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級超高性能混凝土節(jié)段法集中預制，通過200 t龍門吊提梁平移上橋，運梁車運至中承式造橋機尾部喂梁逐孔拼裝。

2 超高性能混凝土UHPC的應用

2.1 試驗梁試制

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，對R120級UHPC簡支梁配合比的工作性能及混凝土澆注、養(yǎng)護工藝提出了更高要求，為確保節(jié)段梁預制施工質量，選取橋梁腹板和底板最薄處的標準節(jié)段作為試驗預制節(jié)段，通過1∶1全截面節(jié)段預制試驗，分析檢驗超高性能混凝土UHPC拌合物工作性能、物理力學性能，對模板、鋼筋制作安裝、拆模時間、混凝土澆筑工藝、養(yǎng)護、預應力管道安裝等各環(huán)節(jié)進行監(jiān)控與總結。通過節(jié)段試制工程技術經驗，取得相關技術參數，確定可行性施工方案，全面客觀分析影響工程質量各種原因，對各項工藝技術和質量指標進行綜合評價，從而得到更加科學、合理的施工工藝。

本次節(jié)段試驗梁，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;底板預應力管道設置12根，兩側腹板各設置7根;剪力鍵左右側腹板各設置5個、底板設置3個、頂板設置3個;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、模板拆除、鋼筋骨架綁扎與入模、混凝土施工、混凝土養(yǎng)護、質量驗收等六部分。

2.2.1 模板系統

模板系統配置液壓千斤頂與頂伸螺桿裝置，包括底模、側模、固定端模和內模。底模面板采用10 mm厚鋼板，縱、橫向設加勁肋。側模采用8 mm厚優(yōu)質鋼板，配縱、橫向肋，通過鋼結構支架支撐，支架上設螺旋調節(jié)系統，可進行水平和豎向調整。內模由6 mm鋼板制成，設加勁肋，主要由頂板底模、腹板內模及角模組成，各模板之間采用螺栓連接，由可調撐桿支撐，整個內模系統固定在滑梁上，可由液壓系統完成豎直方向伸縮及橫向開啟、閉合，并通過專用臺車移動，利用卷揚機牽引。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，固定端模上設剪力鍵，由于預制梁段所處位置不同，剪力鍵位置也會出現差異，因此對需要更換的部分剪力鍵設計為螺栓固定，便于拆卸和調整位置，其余部分則采用焊接固定。端模安裝要加強中線控制、垂直度控制和水平度控制，如圖2所示。

2.2.2 模板拆除

為消除模板體系對混凝土的應力約束，同條件養(yǎng)護試件強度達到4～10 MPa之間應松動內模。箱梁混凝土經養(yǎng)護強度達到40 MPa，開始拆除模板，按照端模、內模拆除、外側模拆除的順序進行。

2.2.3 鋼筋骨架綁扎與入模

主要工作內容包括：鋼筋骨架綁扎、預應力管道安裝及定位、預埋件安裝及定位、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性能參數確定、混凝土拌制與運輸，混凝土運輸和泵送，混凝土澆注，混凝土養(yǎng)護等五大方面。本次節(jié)段試驗梁原材料由水泥、石英砂、硅灰、鋼纖維、固態(tài)減水劑等干混料組成，現場采用專用拌合站摻水攪拌生產混凝土。混凝土攪拌采用2組4臺1 m3的強制式攪拌機，攪拌機轉速不低于45 r/min，1組拌和設備理論拌和能力為8 m3/h，嚴格控制混凝土攪拌時間，每盤混凝土攪拌時間10 min，拌合物應均勻，顏色一致，不得有離析、沁水現象，攪拌機設有防止鋼纖維結團的裝置。超高性能混凝土流動性滿足自密實混凝土要求，坍落度擴展度不低于（650±50） mm，30 min后延時擴展度不小于550 mm，擴展時間T500小于2 s，離析率小于15 %。混凝土通過混凝土罐車運輸，卸料至輸送泵送入模。混凝土的澆注首先要加強對模板、鋼筋、預應力孔道、預埋件、鋼筋保護層墊層、電線路、拌合機設備等檢查;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混凝土為自密實混凝土，且梁體鋼筋和預應力管道對混凝土的影響，采用模外附著式振動器振搗。最后要注意頂板混凝土收面，頂板面積較大且橫向設計不同的橫向坡度，施工時在模板四周設置標高帶，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

試驗梁混凝土養(yǎng)護采用蒸汽養(yǎng)護。養(yǎng)護過程分為靜停、初養(yǎng)、終養(yǎng)及自然養(yǎng)護四個階段。蒸汽養(yǎng)護時的溫度控制采用全自動控制系統。其中：靜停時環(huán)境溫度應在10 ℃以上、相對濕度60 %以上，靜停時間不得短于6 h。靜停完畢的構件應進行蒸汽養(yǎng)護，升溫速度應不大于12 ℃/h，升溫至40 ℃后，保持恒溫（40±3） ℃ 24 h或直至同條件養(yǎng)護試件的抗壓強度達到40 MPa。再以不超過15 ℃/h的降溫速度降至構件表面溫度與環(huán)境溫度之差不大于20 ℃。初養(yǎng)過程的環(huán)境相對濕度應保持在70 %以上。終養(yǎng)采用高溫蒸汽養(yǎng)護，通過蒸汽鍋爐、蒸汽管道和蒸汽養(yǎng)護棚等設施實現。養(yǎng)護過程中的溫度和濕度宜通過傳感器調整蒸汽量的大小實現。養(yǎng)護溫度恒定（80±5） ℃，養(yǎng)護時間不少于72 h。升溫速度應不大于12 ℃/h，達到養(yǎng)護時間后，再以不超過15 ℃/h的降溫速度降至構件表面溫度與環(huán)境溫度之差不大于10 ℃。養(yǎng)護結束后，撤除保溫設施。終養(yǎng)過程的環(huán)境相對濕度應保持在95 %以上。構件終養(yǎng)結束后可進行自然養(yǎng)護，環(huán)境平均氣溫應高于10 ℃，構件表面應保持濕潤不少于7 d。當環(huán)境平均氣溫低于10 ℃或最低氣溫低于5 ℃時，應按冬季施工過程處理，采取保溫措施如圖3所示。

2.2.6 質量驗收

質量驗收標準主要包括模板安裝尺寸偏差、鋼筋安裝尺寸偏差、預埋件安裝尺寸偏差、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目，主要檢查內容包括：平整密實、整潔、不露筋、無空洞、無石子堆壘、橋面流水暢通。對空洞、蜂窩、漏漿、硬傷掉角等缺陷，需修整并養(yǎng)護到規(guī)定強度。蜂窩深度不大于5 mm，長度不大于10 mm，不多于5 個/m3，剪力鍵破損率不大于MAX（5 %，1）。在預制表面裂紋項目，主要檢查橋面保護層、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 試驗梁試驗檢測

2.3.1 試件留置要求

澆注節(jié)段梁時應放置同條件試塊，在UHPC材料的澆注地點隨機抽樣制作，其試件的取樣與留置應符合立方體抗壓強度、抗折強度、彈性模量、氯離子滲透系數、抗凍融性能、抗硫酸鹽侵蝕等規(guī)定。其中：蒸養(yǎng)條件下R120級超高性能能混凝土的立方體抗壓強度不低于120 MPa，相應的棱柱體軸心抗壓強度不小于80 MPa。高溫養(yǎng)護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、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符合GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》的規(guī)定。

2.3.2 試驗節(jié)段梁檢測

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

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

3 試驗評價

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

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

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

（4）從試驗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實驗立方體抗壓強度，終養(yǎng)（高溫蒸養(yǎng)）28天后能夠達到158.5 MPa，滿足設計值120 MPa要求，試件抗折強度21.8 MPa，滿足設計值18 MPa;混凝土彈性模量53.2 GPa，滿足設計值43 GPa要求。

（5）從外觀質量來看，節(jié)段預制梁表面無漏筋、不密實、空洞等質量缺陷，結構尺寸滿足設計要求。

4 結束語

工程材料的發(fā)展是工程結構創(chuàng)新的重要驅動力，而結構創(chuàng)新也是新材料能否有生命力與競爭力的關鍵所在。與普通混凝土相比，UHPC 強度更高、更耐久;與鋼結構相比，UHPC 結構抗疲勞能力更強。當前 UHPC 材料與結構已成為了熱點研究方向，在我國工程院戰(zhàn)略咨詢中心等單位發(fā)布的《全球工程前沿報告2018》[3]中，超高性能混凝土位列土木、水利與建筑工程領域前沿發(fā)展第2位。我國鐵路建設正處在大規(guī)模建設向建養(yǎng)并重轉移階段，UHPC已經在新建高性能結構和既有結構加固改造中得到了應用，且呈現快速發(fā)展趨勢。UHPC混凝土節(jié)段梁的試制成功必將進一步推動UHPC在鐵路橋梁結構的運用與發(fā)展。

參考文獻

[1] 馮乃謙.高性能混凝土與超高性能混凝土技術[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[2] 黃政宇，沈蒲生，蔡松柏.200MPa 超高強鋼纖維混凝土試驗研究[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.