輕型組合梁UHPC施工技術研究

劉國明 何良玉 胡龍泳 汪晶晶 劉 志 徐 耀

(1.湖北交投十堰高速公路建設管理有限公司 十堰 442000;2.湖北省路橋集團有限公司 武漢 430000)

0 前言

超高性能混凝土具有超高強、高韌性、高耐久等性能[1-3],和傳統普通混凝土材料相比,其抗壓、抗拉、抗折、抗沖擊性能更加優異[4-6],常被用于大跨度橋涵隧道、核工程和超高層建筑等的關鍵部位[7-9]。

現以湖北省鄂西北某跨水庫特大橋橋面鋪裝工程為依托,從原材料選擇、配合比設計、施工準備、現場拌合生產、混合料運輸、攤鋪、成型、成品養護等方面對橋面鋪裝的施工技術進行研究,以為UHPC施工技術的推廣應用提供技術支撐。

1 工程概況

鄂西北某特大橋為雙塔地錨式輕型組合梁斜拉橋,橋跨布置為:45.8m(橋臺)+(106.2+760+106.2)m(斜拉橋)+45.8m(橋臺),全橋長1076m。為減輕主跨重量、增強主梁抗彎承載力,中跨760m主梁采用輕型組合梁結構,由分離式雙邊箱斷面鋼梁+正交異性鋼—UHPC組合橋面板組成,全橋共48節組合梁(包括鋼—混結合段),標準梁段長16m,橋面全寬31.6m,梁高3.8m(組合梁中心線處),橋面設2%的雙向橫坡。橋面采用80mm超高性能混凝土(UHPC),寬度為26.29m(沿兩側邊箱主梁外腹板中心線之間設置),長度為15.2m。

2 原材料

工程采用UHPC140,由專業廠家在工廠將固體原材料預拌成預混料,計量包裝后,運至現場,加水進行二次拌合。UHPC預混料包括水泥、石英砂、鋼纖維、硅灰、高效減水劑等。

3 UHPC配合比設計

UHPC配合比按最大密度堆料理論進行設計[10]。UHPC性能對原材料的規格、場地、摻配比例等較敏感,易受外界因素影響。項目的UHPC由廠家提供合格的UHPC預混料在現場加水拌合制成。

3.1 UHPC配合比目標值的確定

根據設計技術指標,UHPC的配制強度:

fcu,0=1.1fcu,k

(1)

(1)式中:fcu,0為UHPC的配制強度(MPa);fcu,k為UHPC設計立方體抗壓強度(MPa)。

3.2 原材料確定

生產廠家根據自身的技術儲備、國家標準《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)等確定原材料的技術要求及相應供應商,進行UHPC試配[11]。

3.3 基準配合比確定

由廠家根據目標值進行UHPC試配,確定2～3個滿足技術指標要求的基準配合比,并進行UHPC預混料樣品生產;然后對UHPC預混料樣品進行性能檢驗,選擇最優的基準配合比作為施工配合比。

3.4 施工配合比確定

由UHPC預混料生產廠家委托第三方檢測單位進行預混料樣品的性能檢驗,經檢驗合格后才能組織UHPC預混料生產。

4 施工準備

4.1 技術準備

施工前,對現場管理人員及施工班組進行技術培訓及交底;施工前根據設計圖紙及規范規定的UHPC性能要求,進行配合比設計及驗證。

4.2 施工準備

(1)原材料進場并檢測;

(2)UHPC智能攪拌機、智能布料機、桁車、龍門吊等設備提前進場安裝、調試及報驗;

(3)廠房、制梁臺座等臨建設施建設;

(4)安裝水管、電路等,確?，F場用水、用電需求;

(5)完成廠內、外道路建設,確定施工通道。

4.3 施工工藝流程

與傳統混凝土橋面鋪裝技術相比,UHPC橋面板施工更加精細化。施工中首先將整塊的UHPC面板單元化、模塊化,通過對單元模塊的施工,確保每塊UHPC面板合格。此外,與傳統混凝土橋面鋪裝相比,UHPC面板更加注重養護,整個養護過程分為靜養、高溫蒸養、自然養護三個階段,且在養護過程中需要嚴格控制溫度變化速率和養護時間?，F澆施工工藝具體流程如圖1所示。其中UHPC靜停及保濕養護時間≥24h(UHPC終凝后);在同條件養護試件強度達到20MPa后再拆除模板;然后進行外露鋼筋及鋼板等防銹處理,再進行高溫蒸汽養護,持續時間4d(包括升、降溫時間和恒溫養護時間);最后進行自然養護,時間≥7d。

5 施工過程控制

通過對UHPC橋面板現澆施工模板、鋼筋的控制,確保UHPC達到較優性能。

5.1 模板工程

5.1.1 模板制作

橋面板濕接縫企口模板采用8mm厚梳齒板鋼模;側模高為8cm。標準板的模板數量要求每個臺座各配置一套模具,并按模具規格進行編號。

5.1.2 模板安裝

(1)模具組裝前,清除模板表面的UHPC殘渣。

(2)模板內表面粘貼免鑿毛帶,鑿毛帶應與模板密貼一起;遇鋼筋位置應先對鑿毛帶開孔,再進行安裝。

(3)采用拉線方式定位側模與鋼梁的相對位置;然后按照各編號對應位置進行側模安裝,側模與PBL鍵鋼板和鋼筋采用扎絲綁扎牢固。

5.2 鋼筋工程

5.2.1 原材料進場及檢測

鋼筋進場后,按批檢測;經檢測合格的鋼筋才能放至鋼筋加工棚使用。鋼筋按牌號、爐罐號、規格、檢驗狀態分別標識存放。

5.2.2 鋼筋半成品加工

鋼筋下料應符合下列規定:

(1)鋼筋加工前應熟悉圖紙,并應根據生產部門出具的鋼筋配料單進行試制作,合格后方可成批制作。

(2)采用精密數控鋼筋調直切斷機對鋼筋進行調直及切割。設備調直速度為130m/min,切斷的長度精度為±5mm,調直精度為±2mm。

(3)直條鋼筋采用已加工好的商品鋼筋,商品鋼筋進場應嚴格檢查質量、外觀及尺寸要求。

5.2.3 鋼筋安設

(1)UHPC橋面板內設有3層鋼筋,鋼筋安設從下至上依次進行,先把下層橫向鋼筋與縱向鋼筋綁扎成整體,然后再把下層鋼筋網與上層橫向鋼筋綁扎成整體。

(2)鋼筋網采用梅花形交錯綁扎,綁扎率應≥40%,轉角處應全數綁扎;宜采用直徑0.7～2.0mm的鐵絲扎牢,綁扎鋼筋的絲頭應整體朝下,避免扎絲朝上進入UHPC表面保護層內[12]。

(3)UHPC層內鋼筋凈保護層厚度應≥1.5cm;對PBL鍵鋼板局部區域,應進行打磨,確保鋼筋凈保護層滿足要求。

6 UHPC攪拌

6.1 UHPC預混料的進場檢驗

同一規格、原材料、生產廠家的UHPC預混料,以不超過200t為一批進行檢驗。

(1)進場前首先檢查廠家產品合格證、質量保證書、UHPC預混料的使用說明書等是否滿足要求。

(2)外觀檢查。進場前應進行外觀檢查,不得有結團、受潮等情況,對重量應單列檢查條目。

(3)性能檢驗。按批取樣并根據廠家提供的施工配合比進行驗證,驗證的主要指標包括UHPC的抗壓強度、抗彎拉強度、彈性模量、預混料中鋼纖維含量的均勻性。

6.2 UHPC現場攪拌

UHPC攪拌采用UHPC專用高速攪拌機,本工程共配置4臺攪拌設備(2臺/組),單盤攪拌量為0.66m3/h,生產能力為16m3/h,標準橋面板的UHPC用量約為32m3,可確保澆筑的連續性[13]。

首先采用門吊將稱重好的UHPC預混料投入攪拌機料筒內,干拌30s左右,使預混料處于流動狀態;然后按比例計量加入水,進行濕拌合,攪拌過程中通過觀察窗口觀察拌合物的狀態,待UHPC拌合物流化后,繼續攪拌≥2min,總攪拌時間>8min。UHPC攪拌應按下列要求進行:

(1)每班組生產前,應對計量系統進行零點校訂。

(2)拌合前,需對攪拌設備進行清洗、潤濕,但不能有積水。

(3)配合比的控制。攪拌過程中,應嚴格按照施工要求的配合比進行拌合,不得隨意更改。同一袋預混料必須一次攪拌完成,不得分盤攪拌。拌合前,要校核計量稱重系統。

(4)每一工作班組攪拌的前兩盤料應檢驗拌合物擴展度等參數,合格后方可進行后續攪拌。

7 UHPC運輸

UHPC攪拌后,卸入裝料斗,由叉車運輸至UHPC生產線,再由汽車吊吊裝料斗卸至布料機內進行攤鋪,共計投入4臺叉車。UHPC運輸應符合下列要求:

(1)施工前,應檢查運輸設備,確保施工過程中能夠正常使用。

(2)接料前,需充分清洗料斗,不得有殘渣、積水等;運輸過程中嚴禁加水。

(3)加強攪拌站與生產線的聯系,確保UHPC的運輸及攤鋪連續不間斷進行;當UHPC攤鋪因故暫停施工時,應立即停止拌合站作業;已生產的UHPC拌合物存儲在攪拌機內,并使攪拌機不停轉。

(4)裝料后,叉車應停放在廠房內,并采用土工布覆蓋在UHPC表面;待攤鋪現場發出需料指令后,再運出。

8 UHPC攤鋪

沿縱橋向進行攤鋪,共采用1臺UHPC智能布料機(軌距25.2m,全幅攤鋪)、2臺UHPC振搗整平機(軌距12.6m,半幅施工)和2臺UHPC自動覆膜機(軌距12.6m,半幅施工)。

8.1 UHPC布料

UHPC運至現場后,采用5.0×104kg汽車吊吊裝料斗至布料機的儲料框內進行布料,布料沿縱橋向全幅一次完成,如圖2。布料需按下列要求進行:

(1)裝料前,應清洗布料機、潤濕,但不得有積水;同時空轉檢查設備是否運轉正常;布料后,應及時進行設備清洗。

(2)布料前,應噴霧灑水潤濕澆筑面及鋼筋網,但不能有積水。

(3)嚴格控制UHPC拌合物現場的擴展度在550～650mm。

(4)控制布料機行走速度,使UHPC的松鋪系數控制在1.0～1.05,確保布料均勻。

(5)應嚴格控制攪拌、運輸、上料等的工序,確保單幅橋面板連續攤鋪完成。

9 UHPC振搗整平

采用高頻振搗整平梁進行作業,左、右幅各布置一臺,UHPC振搗整平符合下列規定:

(1)振搗前,應采用高壓水槍,濕潤振搗整平板底部。

(2)結合前期工藝試驗,振搗整平梁的振搗頻率宜控制在80Hz,振搗梁行駛速度控制在1.5m/min。

(3)布料前需對UHPC進行檢測,如圖3,左、右幅振搗振平作業間隔時間不宜超過2h(初凝前);滯后作業一幅應加強表面噴霧灑水潤濕,但不得有積水。

(4)振搗時,應每隔3m測量一個橫斷面上的UHPC厚度,每個斷面至少測量5點,記錄測量結果,并根據測量結果隨時調整振動整平梁高度,以確保UHPC厚度滿足要求[14]。

(5)振搗應緊跟在UHPC布料后進行,如圖4,振搗完畢后應及時進行抹面覆膜。

(6)邊界、濕接縫企口、軌道位置等振搗梁振搗不到的區域,應由人工采用手持式高頻振搗器進行振搗,不得有漏振區域。

10 養護工程

UHPC橋面板的養護分為UHPC靜停及保濕養護、高溫蒸汽養護和自然養護3個階段,養護在臺座上進行。UHPC保濕養護緊隨在UHPC攤鋪完成后進行;保濕養護至UHPC終凝后,再進行高溫蒸汽養護。

圖2 UHPC布料圖3 UHPC檢測

10.1 UHPC靜停及保濕養護

采用1臺自動覆膜工作臺車在UHPC表面覆蓋一層高分子節水保濕薄膜進行養護,然后進行灑水噴淋養護,確保UHPC表面不產生裂紋。保濕養護時間≥24h,養護過程中不得對橋面板進行擾動[15]。UHPC保濕養護需按下列要求進行:

(1)UHPC攤鋪完成后,應先在UHPC表面噴灑一層水霧,然后覆蓋保濕薄膜進行養護,如圖5。

(2)覆膜前,注意觀察薄膜上的標記,標有底層的應朝下。

(3)覆膜過程中嚴禁在UHPC表面拖拽保濕養護薄膜。

(4)噴淋養護設備采用自動噴淋系統24h噴霧養護,并全面覆蓋養護區域,以防止UHPC表面缺水。

(5)待同條件養護試件抗壓強度達到20MPa后,拆除側模,可局部揭開保濕膜,但需繼續灑水養護至蒸養前。

10.2 UHPC高溫蒸汽養護

UHPC高溫蒸汽養護應在保濕養護后及時進行,且應在UHPC澆筑后的5d內開始。

項目在橋面板上搭設蒸汽養護棚,通過持續輸入蒸汽的方式進行高溫養護;每片橋面板配置1套蒸養系統,包括蒸汽供應體系(2臺低壓蒸汽鍋爐和若干蒸汽傳輸管道)、溫度自動控制系統(溫度傳感器、溫控電子閥等)、蒸汽養護棚(蒸養棚支架、保溫被、防雨布等),如圖6。高溫蒸養護應按下列要求進行:

圖6 UHPC高溫蒸汽養護(a,b)

(1)蒸養管道底部應墊設φ12mm鋼筋墊條,管道不得直接接觸UHPC表面。

(2)蒸養管道出氣孔應朝向左或右,不得直接朝向橋面板或蒸養棚。

(3)蒸養棚覆蓋面積為15.8m×26.8m,四周采用纜風繩或沙袋壓實。

(4)為防止鋼箱梁底部散熱,箱梁四周側面采用保溫棉被覆蓋保溫。

(5)為確保溫度分布均勻性,沿橋梁中心線把蒸養棚分成兩個倉,分倉界線采用分倉布分離,避免倉內蒸汽相互流通。

(6)蒸汽養護應采用溫度自動控制系統進行24h精準自動控制。通過控制蒸養棚內的蒸汽輸送量,嚴格控制蒸養棚內的溫度和濕度。

(7)蒸養實施前,應采用水銀溫度計校訂溫度傳感器。

(8)蒸養期間,升溫階段升溫速度≤10℃/h,直至達到80℃;恒定在(80±5)℃范圍內養護≥72h;然后降溫,降溫速度不得>10℃/h,直到降至環境溫度;養護過程中棚內相對濕度≥95%[16]。

10.3 自然養護

UHPC橋面板蒸養后,在表面覆蓋土工布進行自然養護,時間不少于7d。養護過程中,應安排專人進行灑水養護,使UHPC橋面板保持濕潤狀態。

10.4 外露鋼筋等防銹處理

防銹處理應在高溫蒸汽養護前進行,防止高溫、高濕的環境導致外露的鋼筋、PBL剪力鍵鋼板以及鋼面板等生銹,如圖7。本項目采用調配好的UHPC漿液對需保護的區域進行涂刷覆蓋保護。

UHPC漿液涂刷后,應靜止2～3h,待UHPC漿液形成一定強度后,再蒸汽養護。

11 橋面附屬設施預埋及防護措施

橋面吊機后錨點、臨時吊點分別設置在鋼橫梁處,其中單臺橋面吊機設置4個后錨點,單個吊具設置4個吊點。

圖7 鋼筋等防銹處理圖8 UHPC內預留吊(錨)點孔焊接鋼套筒

后錨點和吊點在UHPC內的預留孔設置采用焊接鋼套筒方式,鋼套筒φ50mm,高度75mm,壁厚3mm。為保證鋼套筒焊接順直、位置偏差等滿足要求,擬先在螺栓孔內先穿入鋼棒定位,再套入鋼套筒進行焊接,如圖8、圖9。

圖9 UHPC內預留孔鋼套筒定位焊接加工件(mm)

UHPC澆筑前,應采用透明膠帶進行封堵,防止UHPC堵塞預留孔;UHPC初凝后,應及時清理出預留孔,并采用捫栓進行封堵。

12 結論

以輕型組合梁橋面鋪裝施工為基礎,從UHPC原材料選擇、配合比設計、施工準備、現場生產、UHPC混合料運輸、布料、振搗、成品養護等各環節簡述了UHPC施工技術,經檢測采用該方案施工的UHPC抗壓強度>150MPa,彈性模量>40GPa,關鍵指標均達到設計要求,其平整度、橫坡度、斷面尺寸等均滿足相應標準規范及設計要求,有效保證了工程質量。通過總結形成了一套切實可行的施工方案,為后續UHPC在輕型組合梁的應用提供技術指導。