城市立交橋橋墩上部蓋梁UHPC120混凝土實踐

劉燁河，劉福峰

（1.廣州軌道交通建設監理有限公司，廣東 廣州 511400；2.湖南有色金屬職業技術學院，湖南 株洲 412006）

0 引言

因城市地形受限，立交橋橋墩蓋梁需要個性化設計和施工，要求強度高，施工難度大。廣州軌道交通某上蓋項目采用UHPC120 混凝土[1]一次成型制作蓋梁新工藝，現澆超強耐久性、抗侵蝕性、超高強度和超低吸水率的特種混凝土。但蓋梁體積大，一旦內部最高溫度達120 ℃，就會使溫度應力和收縮應力疊加[2]，導致UHPC 實體易出現開裂，甚至廢棄。在本工程應用中，通過對其材料特性、施工過程工藝的控制[3]，使工程質量、費用、進度達到了預期目標。

顆粒之間的緊密堆積是UHPC 材料設計與制備的基本理論前提。1900 年大衛·希爾伯特[4]提出了“如何使用全等多面體構造最密集空間”的問題，為解決混凝土科學中的顆粒堆積問題提供了重要的思路。如圖1 所示，應用數學模型解決顆粒的堆積問題，實現緊密堆積和低孔隙率，可以提高混凝土的強度、耐久性和穩定性，保證顆粒堆積緊密[5]，從而澆制高強的硅酸鹽混凝土。

圖1 等腰多面體空間構型最密實模型Fig.1 The most compact model of isosceles polyhedron spatial configuration

近年來，UHPC 技術從UHPC 的“配方”研究發展到工程實效應用上。許多省份有UHPC 應用的實際工程，包括預制件高強澆接縫[6]、鋼架橋面澆鋪[7]、加固大壩、交通預制件、加固橋梁等，探索UHPC 施工影響因素[8]，找出影響UHPC 施工質量的因素并給出對應的防控措施，總結出UHPC 的低溫、高溫澆筑規范，以及現場對UHPC的檢測和驗收辦法。

1 工程概況

項目為廣州市中部某地新建地鐵項目,總建筑面積約13 萬㎡，地下4.8 萬㎡，地上8.2 萬㎡，建筑最高高度約為105 m（30 層），最大單體建筑面積17 750 ㎡。

項目地塊在A 線（已開通）及在建B 線換乘站正上方。已開通3個出入口，預留4個出入口。范圍內含石崗路和另一規劃主干道，項目含鋼架橋一座、混凝土橋梁一座。

混凝土橋梁沿規劃主干道，采用城市主干道標準，建設雙向8車道，標準寬度為40 m，上跨地鐵站。

2 設計方案研究

2.1 總體施工部署

該蓋梁為UHPC 高強砼預應力蓋梁，為倒T 型，如圖2所示，UHPC強度等級為UC120和UT6。

圖2 蓋梁模板安裝Fig.2 Cover beam formwork installation

采用現場架立攪拌站和泵送的形式將UHPC120混凝土送至澆筑區，采用4 臺專用攪拌機現場攪拌，攪拌機擬設于蓋梁側方，攪拌成料后用叉車配合泵送設備將成品材料運輸至澆筑地點。

本次施工前需要驗收保證：澆筑倉尺寸、平整度、干凈程度符合相關規定；鋼橋面的平整度，鋼板的防銹處理到位，栓釘的焊接合理、牢固。澆筑體積大，蓋梁總澆筑體積為462.8 m3。

2.2 鋼筋準備工作

施工UHPC 混凝土前，應按照設計要求將鋼筋捆扎完畢、模板立好，蓋梁處采用分次澆筑的工藝，用模板對蓋梁處進行分段支模；冷卻控溫水管按照設計要求布置完畢。

1 號柱式墩UHPC 高強砼預應力蓋梁總長為5 310 cm。按左中右平均分為5 段進行澆筑，如圖3所示，每段體積約為100 m3。澆筑順序為①→②→③→④→⑤。

圖3 蓋梁施工分區示意圖Fig.3 Covering beam construction zoning diagram

2.3 混凝土攪拌

擬選擇在溫度適當時正式施工，攪拌機出料0.8 m3/次、每盤攪拌15 min，出料速度3.2 m3/h、地點選擇在蓋梁側端位置、攪拌機數量為4臺1方規格的攪拌機。

本項目采用材料配合比（即質量比）為0.8 方用量，單位kg，m（預混料）∶m（鋼纖維）∶m（水）∶m（減水劑）=1 812.10∶144.11∶154.68∶6.75。

UHPC 生產工藝流程如下：UHPC 各材料就位→攪拌機倉、料斗潤濕→投料→生產攪拌→出料→叉車運輸→吊車布料→布料攤平→收面操作→覆膜養護→后期養護。

UHPC各材料就位：提前將各材料運輸至攪拌機投料口附近，整齊碼放；液料運輸至攪拌機附近。減水劑以及鋼纖維提前用電子秤精準稱量，等待投放。

試拌攪拌：核心粉料計量包裝，倒料入噸包袋，用叉車吊起至攪拌倉內；提前將所需小袋計量包裝鋼纖維運輸至攪拌機層面，鋼纖維由人工從臨時投料口手工投入；稱量系統自動稱取拌合水投入攪拌機；外加劑按水桶容量、配合比加入料倉混合；拌合用水符合自來水要求。

上料后按投料順序加入水和液料攪拌即可。

混凝土試拌流程：核心粉料上料→拌合水及液料投料（分次投放，先投放2/3，預拌1 min 后再次投入剩余的1/3）→無纖維濕混4 min→鋼纖維投料（1.5 min 內完成）→帶鋼纖維濕混3 min→觀察狀態→放料。

放料后用坍落度筒對材料坍落擴展度進行測試，待材料的流動性滿足參數要求（擴展度為500～800 mm）才可以使用。

對于攪拌后不滿足性能要求的，需要進行配比調整，若擴展度過低則需要增加減水劑的摻量，減水劑每次摻量為3‰；若擴展度過高則需要每次減少減水劑的摻量再進行試拌。

投料第1 盤干混料前，需用清水潤濕攪拌倉，并濾盡所有余水后才可投入干混料。先觀察拌合物樣品狀態再放拌合物料，如果流動性不足，就增加外加劑用量，延長1 min攪拌，若始終達不到適宜狀態，則廢棄此拌合物；如果流動性超標，出現離析現象，就作廢此料。每盤卸料完全后再進行下一盤的攪拌。

2.4 混凝土澆筑

UHPC混凝土攪拌完成后，用攪拌罐車運輸到現場，并完成后續的泵送澆筑工序。裝料前應排盡料斗內積水，裝料后應禁止額外加水到成品拌合物內。攪拌UHPC 拌合物時間不宜超過60 min。運輸UHPC拌合物時應保證澆筑施工過程的連續性。

澆筑前，檢查模板是否完好。澆筑施工布料方式最好采用縱向分層澆筑施工，從而使鋼纖維盡量分布于水平平面，可以提高蓋梁整體縱向抗拉強度。蓋梁采用的UHPC 體量大，水化溫升高，為了提升后續養護階段溫控措施的有效性，建議按照大體積混凝土澆筑工藝施工。

采用混凝土布料機進行布料，布料機布料半徑不少于6 m，布置布料機數量需滿足現場施工區各段蓋梁施工所需。

項目選用行星式攪拌機，該攪拌機為自動控制系統，隨開隨停，無快慢檔，本次施工擬選擇在溫度適當時正式施工，每小時出料量為12.8 m3，最長連續施工時間為9 h，中間考慮工人輪換休息降低工效，施工時長按照12 h考慮，保證工人不超負荷運轉。

為保證澆筑過程中澆筑面能均勻上升，需要在現場布置1 臺高壓地泵，將UHPC 材料泵送至澆筑區。

2.5 溫度控制

為解決UHPC 水化溫升和收縮引起的裂縫問題，針對本工程的環境和結構特點，制定下述措施。

具體現場溫控措施與方案分為2點：

（1）優化配合比：在保證UHPC 強度的基礎上，降低水化溫升，適當降低UHPC 早期強度，減小早期收縮。

（2）控制UHPC 生產質量：UHPC 生產采用干混料、水進行拌和，嚴格控制干混料包裝的儲存溫度，每次UHPC 拌和前先測試各原材料溫度，滿足要求后方可進行生產。為保證現場施工需求，現場常備60塊冰塊，冰塊尺寸為20 cm×50 cm×110 cm，冰塊供應地點距離現場2 km以便能及時補充冰塊。

2.6 澆筑質量控制

優化UHPC 拌合物布料方式：UHPC 拌合物適宜應用水平分層整體式連續澆筑。

優化UHPC 拌合物分層澆筑厚度：在溫度和塑性收縮裂縫可控的條件下，盡可能加大分層澆筑厚度。

2.7 UHPC養護

（1）加強UHPC 保溫養護。采用覆蓋保溫材料、使用保溫膜、噴涂養護劑等方式，確保UHPC 內部的溫度穩定。

（2）加強UHPC 保濕養護。通過保濕養護，可以減少硬化過程中UHPC的收縮，從而降低表面應力。

保濕養護可以通過噴水、覆蓋濕布或噴涂養護劑等方式進行。保持適宜的濕度條件，有助于控制UHPC的收縮和開裂。蓋梁UHPC養護措施見表1。

表1 蓋梁UHPC養護措施Tab.1 Cover beam UHPC maintenance measures

在夜間或氣溫驟降期間應避免拆模，拆模應在一天中較高溫度時進行，拆模時同步進行覆蓋養護。

2.8 UHPC蓋梁內部冷凝管埋設

為保證澆筑體內部溫度可控，澆筑前在澆筑體內部安裝冷卻管，采用直徑為30.0 mm、壁厚為2.5 mm 的鋼管作為冷卻管，冷凝管間距不超過1.0 m，最外側的冷凝管距離混凝土邊為0.5 m。冷凝管布置的三維圖如圖4所示。

圖4 冷凝管布置三維圖Fig.4 Condensing pipe layout three-dimensional diagram

冷卻水從高熱部（實體中間）流向邊緣，按區按層排列水管網，同層交替進出冷卻水的管口。

2.9 溫度監控

按照施工進度每晝夜澆筑作業面布置1～2 個測位，對于混凝土澆筑體厚度均勻的情況，測位間距一般建議為10～15 m。

設備：多通道數據采集儀、測溫線應變計。

2.10 收面

接近蓋梁澆筑完成時，材料被布料機均勻分布在蓋梁處，一般模板比澆筑面高，標注的標高線在模板內側。

采用振動尺振平、人工收光后，立即覆蓋薄膜。

材料澆筑后，噴霧保濕，約30 min 內表面可能結皮。局部褶皺起皮部位需帶水收面。過振動機后視情況架設人工操作平臺，保護混凝土表面，方便工人操作。局部補料，使用小型平板振搗器振搗。

3 UHPC檢驗及驗收辦法

3.1 原材料進場檢驗

所有原材料進場時，每批次應提供出廠檢驗報告或材料合格證等質量證明文件。

所有原材料進場檢驗，并隨機抽取檢驗樣品。

所有原材料抽檢頻率宜100 方檢測一次，實際按照管理單位要求進行抽樣，需要增加抽樣頻率則需要明確抽檢頻率。

3.2 質量檢驗

UHPC表面應均勻完好，不應有龜裂現象和收縮裂紋。UHPC經過養護1 d后，要揭開薄膜，然后用土工布覆蓋，并且進行及時灑水養護。注意，土工布始終保持濕潤，養護不少于7 d。在養護過程中，必須在監理見證下進行表觀檢測。

UHPC表面無空洞及蜂窩麻面現象。

邊角、接縫等位置應良好銜接，不出現脫空和臺階現象。

UHPC性能實測項目應滿足設計指標。

4 結論

4.1 施工過程中的難點和重點

4.1.1 施工難點

配合比控制：UHPC的配合比對于其性能和施工過程至關重要。需要控制水灰比、水膠比、砂漿中水泥含量以及添加劑的使用量等因素，確保配合比的穩定性和一致性。

施工溫度控制：UHPC在施工過程中對溫度要求嚴格，需要同步把控混凝土和環境溫度，以防干燥過早或溫度過高使混凝土質量變差。

混凝土澆筑和養護：由于UHPC 的高流動性和高自密實性，對于澆筑和養護工藝要求較高，因此需要采取適當的施工方式和控制養護濕度，確保混凝土的質量。

4.1.2 施工重點

材料準備：UHPC的材料選擇和準備對于施工質量至關重要。需要選擇優質的水泥、礦物摻合料和骨料，以確保原材料的穩定性和一致性。此外，還需要準備合適的添加劑，以提高混凝土的流動性和抗裂性。

攪拌工藝：UHPC 的攪拌工藝應注意攪拌時間、攪拌速度和攪拌順序等因素，確保混凝土的均勻性，并充分激活添加劑的作用。應采用高速攪拌設備，保證混凝土的均勻性和流動性。

澆筑和振搗：在澆筑UHPC 時，應采用合適的澆筑方式和工具，避免過度振搗引起的分層和損傷。振搗應均勻細致，以確保混凝土的致密性和排氣性。

養護措施：UHPC的養護過程需要注意保持適宜的濕度和溫度，以促進混凝土的水化反應和強度發展。養護時間應根據具體情況確定，確保混凝土的早期強度和長期耐久性。

同時，在施工過程中，應合理控制配合比，注意溫度控制和養護工藝，以及材料準備、攪拌工藝、澆筑和振搗等過程的關鍵點，有效解決施工中的問題，保證UHPC的質量和性能。

4.2 建議

纖維在UHPC 制備原料中價格最高，提高其利用率，不僅可以降低UHPC 的成本，還能更好地提升其工作性能。建議：1） 人為調整纖維的取向，在相同配比下，使UHPC 抗彎性能有所提升。2） 澆筑中纖維不斷轉動，最終性能主要取決于凝固時纖維的分布。3） 試驗發現澆筑高度、澆筑距離、體系黏度對纖維的利用率都有影響，找出最佳施工參數，提升纖維利用率，使鋼纖維效能最大化，可以控制成本、提升經濟性。