張廣平
(保利長大工程有限公司,廣東 廣州 511431)
UHPC 在理論研究與工程應(yīng)用方面都取得了長足的發(fā)展,其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性,在高層建筑、大跨橋梁、海洋工程、水利工程、核電工程和特種結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。由于UHPC 與普通混凝土相比具有較高的強度和耐久性,因此在同等承載力的情況下可減少構(gòu)件的尺寸,如2016 年長沙市建成了我國第一座全預(yù)制拼裝UHPC 跨街天橋,主跨36.8 m,橋梁自重輕,承載力和耐久性大幅提高。
在高速公路養(yǎng)護領(lǐng)域,由于受設(shè)計線形、施工誤差以及工后沉降等影響,高速公路可能存在局部路段排水縱坡、橫坡不足或局部凹陷,導(dǎo)致在雨季路面局部排水不及時或長期積水現(xiàn)象,影響行車安全和路面耐久性。對路面局部積水,傳統(tǒng)的處治方式多為設(shè)置排水盲溝、路面銑刨重鋪或加鋪調(diào)平等,往往處理費用較高,對行車干擾大,且完工后路面外觀不一致。
為解上述問題,廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司與保利長大工程有限公司聯(lián)合創(chuàng)新發(fā)明了一種超高性能混凝土(UHPC)裝配式Ω 型排水槽和相關(guān)施工工藝,通過排水槽將路面積水引流至路面之外,解決了由于路面排水不暢及積水導(dǎo)致的行車隱患,保障行車安全。
在廠房內(nèi)將超高性能混凝土原材料干拌形成干混料,組裝好成型模具,將UHPC 干混料攪拌制成流態(tài)的混凝土,倒入模具內(nèi),放在振動臺上振實后收面,待初凝時二次收面,硬化后脫模放入常溫養(yǎng)護室內(nèi)。經(jīng)過養(yǎng)生完成UHPC 排水槽預(yù)制?,F(xiàn)場經(jīng)過封閉交通、開槽、清潔、鋪設(shè)環(huán)氧砂漿、安裝排水槽、固定、封縫等工序完成現(xiàn)場安裝施工,短時間養(yǎng)生后開放交通。
單件排水槽長度102.5cm(含接頭),高度9.0cm,寬度14cm,排水槽體內(nèi)設(shè)倒Ω 型排水通道,上部為倒梯形開口,表面集水開口寬度3.0cm,下部為直徑5.0cm 的圓形排水通道;端部設(shè)置矩形凹槽和凸口,可進行拼接;排水槽頂部間距10cm設(shè)置平行凹槽,增加試件表面抗滑構(gòu)造,增加摩擦力。裝配式Ω 型排水槽結(jié)構(gòu)如圖1 所示。裝配式Ω 型排水槽使用自研的模具進行預(yù)制,使用自研發(fā)的UHPC 干混料制備UHPC 濕拌料,并預(yù)制成型裝配式Ω 型排水槽,強度高,抗沖擊性能好,耐久性強。裝配式工藝現(xiàn)場施工時間短,可不中斷交通快速施工,使病害處理快捷、簡單,成本低,具有耐久性,避免了傳統(tǒng)處理方式的周期長、高成本、復(fù)雜化的缺點。
圖1 UHPC 裝配式Ω 型排水槽結(jié)構(gòu)圖
UHPC 超高性能混凝土原材料由水泥、石英砂、石英粉、鍍銅鋼纖維、減水劑以及活性混合材料組成。
水泥:使用PO 42.5R 水泥,指標滿足規(guī)范性能要求;石英砂:石英砂采用純度較高的石英巖破碎而成,粒徑范圍0.3mm~1.1mm,二氧化硅含量>99.5%;石英粉:由高純度的石英砂磨細而成,細度325 目;鍍銅鋼纖維:規(guī)格分為兩種,分別是長12 mm~14 mm、直徑0.2 mm 和6 mm~8 mm、直徑0.12 mm,鋼纖維母材為汽車輪胎用鋼簾線,抗拉強度>2500 MPa,外表鍍銅,防止生銹;減水劑:采用減水率較高的聚羧酸系減水劑,減水率>35%;水:采用自來水。
采用集料工廠生產(chǎn)的干混料,干混料投入振動攪拌機,攪拌3 min~5 min,形成流態(tài)混凝土。出料進行坍落度、擴展度等工作性能測試,然后進行試件成型。
試件成型48h 后編號、拆模,再將拆模的試塊放置到養(yǎng)護箱和覆蓋保溫帆布的蒸養(yǎng)模架中進行加熱養(yǎng)護,加熱養(yǎng)護工藝為升溫至 80 ℃,升溫速率不超過10 ℃/h,接著恒溫(80±2)℃保持48 h 后再以10 ℃/h 的降溫速率降至試件表面溫度與環(huán)境溫度之差不大于10 ℃的溫度范圍內(nèi)。
對標準試件進行基本力學(xué)性能、收縮性能、徐變、構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能、耐久性能分別進行檢驗,主要檢測數(shù)據(jù)和性能結(jié)論如下。
根據(jù)要求,共設(shè)計了9 組配合比,并進行基本力學(xué)性能測試,結(jié)果見表1。綜合試驗結(jié)果,選擇試驗7 的配合比作為項目目標配合比進行其他試驗。
表1 UHPC 基本力學(xué)性能
選取第七組配合比進行蒸汽養(yǎng)護的干燥收縮測試,試驗結(jié)果見表2。
表2 蒸汽養(yǎng)護下 UHPC 干燥收縮試驗結(jié)果
UHPC 試件蒸汽養(yǎng)護后的干燥收縮變形與常溫養(yǎng)護條件下的干燥收縮變形相比,標準養(yǎng)護條件下,UHPC 試件的干燥收縮率要明顯大于蒸汽養(yǎng)護條件下的干燥收縮率,當齡期為56d時,收縮才趨于穩(wěn)定,并且比蒸汽養(yǎng)護后干燥收縮率大,這說明蒸汽養(yǎng)護能夠大大抑制 UHPC 的干燥收縮。
選取第七組配合比進行蒸汽養(yǎng)護的自收縮測試,試驗結(jié)果見表3。
表3 蒸汽養(yǎng)護下 UHPC 自收縮試驗結(jié)果
在蒸汽養(yǎng)護條件下,UHPC 自收縮在蒸汽養(yǎng)護期間已完成,后期幾乎無自收縮。
UHPC 的受壓徐變系數(shù)與齡期密切相關(guān),隨著齡期增加,其徐變系數(shù)不斷增加。其特征是早期發(fā)展較快,后期發(fā)展緩慢,并在60 d 時逐漸趨于平緩。這是因為混凝土早期強度低,變形較快;但隨著發(fā)展,強度提高,而且在較小荷載作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密,缺陷減少,徐變變形緩慢。其中蒸汽養(yǎng)護的UHPC 由于早期強度很高,其早期徐變系數(shù)較標準養(yǎng)護低,且徐變系數(shù)更早趨于平緩。
研發(fā)制備的9 組UHPC 擴展度達到500 mm~650 mm,抗壓強度大于140 MPa,抗折強度大于22 MPa,彈性模量大于40 MPa,工作性能與力學(xué)性能均滿足設(shè)計要求。
力學(xué)性能試驗結(jié)果:抗壓強度超過150 MPa,抗折強度大于25 MPa,彈性模量達到44.6 GPa,蒸養(yǎng)后收縮幾乎為零,體積穩(wěn)定性良好,徐變系數(shù)小于0.2,均滿足設(shè)計要求。
通過孔結(jié)構(gòu)分析可以看出,UHPC 的主要孔徑為10nm~50nm,遠小于普通混凝土,內(nèi)部水泥石結(jié)構(gòu)致密。與標準養(yǎng)護相比,90℃蒸汽養(yǎng)護的UHPC 中值孔徑、平均孔徑和孔隙率均逐漸降低,混凝土孔隙結(jié)構(gòu)進一步致密化。
UHPC 的具有優(yōu)異的耐久性能,干濕循環(huán)與MgSO侵蝕耦合作用僅對UHPC 表層(<2 mm)產(chǎn)生影響。且質(zhì)量損失僅為1%左右,遠低于普通混凝土。UHPC 具有較為致密的結(jié)構(gòu),有良好的抗干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕能力。
UHPC 裝配式Ω 型排水槽主要工藝流程為UHPC 混合料拌制-Ω 型排水槽預(yù)制-路面現(xiàn)場安裝-排水槽養(yǎng)生固化,如圖2 所示。該工藝采用的主要材料包括UHPC 混合料、環(huán)氧樹脂、機制砂以及膨脹螺栓等;施工設(shè)備主要包括UHPC 干混機、振動拌和機、排水槽模具、路面切割機、電鎬、森林滅火器及鼓風(fēng)機等。
圖2 UHPC 裝配式排水槽施工工藝流程
UHPC(超高性能混凝土)采用細集料(粒徑≤4 mm)、水泥、高效減水劑、微細鋼纖維(>2500 MPa)、惰性填料以及粉煤灰、礦渣粉等活性粉末材料按一定比例制成干混料,按照一定比例加水攪拌成和易性較好的流態(tài)混凝土。使用振動攪拌工藝,可提高UHPC 和易性和生產(chǎn)效率。
將UHPC 流態(tài)混凝土倒入排水槽模具內(nèi),放在振動臺上振實后收面,待初凝時二次收面。混凝土硬化后脫模放入常溫養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)生。拆除內(nèi)部PVC 管,將成型的排水槽覆蓋保濕養(yǎng)生7d。
成型的Ω 型排水槽除尺寸滿足要求外,合格的排水槽所用UHPC 立方體抗壓強度80 MPa 以上,小梁抗折強度14 MPa以上,且排水槽構(gòu)件在荷載破壞后基本不變形。
安裝前先按照日常養(yǎng)護進行交通管制,封閉施工區(qū)域,視排水槽施工需求分車道進行封閉。現(xiàn)場施工時,為了不中斷交通,一般先圍閉一半車道,待半邊施工及養(yǎng)生完畢,開放交通后轉(zhuǎn)換至另外一半進行圍閉施工。
在路面積水路段需要安裝排水槽部位進行定位,根據(jù)預(yù)制件安裝數(shù)量及尺寸設(shè)置放樣畫線范圍,開槽寬度約16cm,使用彈線或記號筆在路面畫出切割線。
使用切割機或其他機械設(shè)備對放線后的路面進行切割,使用電鎬或風(fēng)鎬將瀝青混凝土鑿除,開槽深度10cm 左右。
現(xiàn)場拌制環(huán)氧砂漿,以人工能夠攪拌狀態(tài)為佳。在槽底鋪設(shè)一層環(huán)氧砂漿,使用灰刀鋪平密實。排水槽提前安裝好提把手,待環(huán)氧砂漿鋪平后安放至槽內(nèi),壓緊,使排水槽頂面與原路面齊平,然后卸除提把手,安裝延長對接排水槽。所有排水槽安放后,邊側(cè)縫隙使用環(huán)氧砂漿填充密實,排水槽安裝技術(shù)標準見表4。
表4 排水槽安裝質(zhì)量技術(shù)要求
使用沖擊電鉆在安裝好的排水槽預(yù)留孔處往槽底鉆孔,植入膨脹螺栓,固定已安放排水槽。完成后,在孔內(nèi)灌入環(huán)氧樹脂,表面使用環(huán)氧砂漿將預(yù)留孔封堵。
施工完畢后,25℃條件下,自然養(yǎng)生3 h~4 h,待環(huán)氧砂漿完全固化即可轉(zhuǎn)換半邊交通圍閉,開放已施工區(qū)域的半邊交通,施工單向通道的另外一半。期間采取防雨措施。可使用乳化瀝青涂裝排水槽表面減少與瀝青路面色差。
為驗證UHPC 裝配式排水槽的適用性和可靠性,首批研發(fā)制造的UHPC 裝配式排水槽,在廣東云湛高速公路(陽化段)路面上進行驗證性安裝,以檢驗排水槽的排水性能和耐久性能。經(jīng)過一年多高溫、雨季行車的檢驗,排水槽實用效果良好,安裝處原路面積水現(xiàn)象明顯消失。排水槽槽體未發(fā)現(xiàn)開裂、崩角現(xiàn)象。
在首批驗證產(chǎn)品基礎(chǔ)上,研發(fā)團隊對產(chǎn)品進行改進升級,改進了外觀,統(tǒng)一了外形尺寸,制定了安裝技術(shù)標準,提高排水槽性能。項目團隊在潮漳高速公路上進行了升級后的UHPC裝配式Ω 型排水槽施工,在不中斷交通的條件下,項目團隊在路面快速開槽并安裝排水槽,上午施工靠護欄的半邊路面排水槽,下午施工靠中分帶護欄的另半邊路面排水槽,僅利用一天便完成了全幅路面的排水槽安裝工作,施工速度和安裝質(zhì)量得到明顯提升。經(jīng)過灑水車放水測試和雨期檢驗,路面積水情況大幅度減少。
仁新高速公路于2017 年底建成通車,根據(jù)2018—2020 年的道路交通事故調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù),大部分因路面積水發(fā)生的事故點均位于超高過渡段內(nèi),尤其是零度橫坡附近。以受北行K740+930 橫度零坡及前后段落路面雨水緩排影響為例,2020 年2—6 月發(fā)生了7 起交通事故,車輛涉水后發(fā)生漂滑失控,撞擊護欄,引起高速交警部門和社會司乘人員的高度重視。
項目團隊在仁新高速超高過渡段內(nèi)進行了排水槽安裝,根據(jù)2021 年的道路交通事故調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)反饋,北行K740+930橫度零坡附近在安裝排水槽后2021 年雨季期間未發(fā)生一起交通事故,表明UHPC 裝配式Ω 型排水槽作用明顯,能有效減少瀝青路面局部積水導(dǎo)致的交通事故問題。
UHPC 裝配式排水槽工藝通過工廠化預(yù)制和現(xiàn)場快速拼裝,使路面積水處理的快捷、簡單、成本低,避免了傳統(tǒng)處理方式的周期長、成本高、施工難等問題。該工藝可廣泛應(yīng)用于各等級瀝青和混凝土路面(含廠區(qū)道路、隧道路面等)局部積水處理,具有較高的推廣價值;通過改進材料性能及施工器具,存在進一步提升質(zhì)量、縮短工期的空間。