UHPC裝配式排水槽研發(fā)及工程應(yīng)用

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。

1 工藝原理與技術(shù)創(chuàng)新

1.1 工藝原理

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。

1.2 技術(shù)創(chuàng)新

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

2 UHPC 裝配式排水槽研發(fā)

2.1 原材料

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。

2.2 試件制作及養(yǎng)護

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)。

2.3 性能檢測

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。

3 UHPC 裝配式排水槽工藝

3.1 工藝流程

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

3.2 UHPC 混合料拌制

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。

3.3 排水槽預(yù)制

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。

3.4 路面現(xiàn)場安裝

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。

4 工程應(yīng)用實例

4.1 云湛高速公路

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。

4.2 潮漳高速公路

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。

4.3 仁新高速

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。

5 結(jié)語

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。