现浇超高性能混凝土在人防工程中的应用

2022-09-06王礼彬邹佳放宁志强顾静飞

建筑施工 2022年5期

周业王礼彬邹佳放宁志强顾静飞

中建五局第三建设有限公司湖南长沙 410004

人防工程是一种有特殊防护要求的地下建筑，现代人防工程形成了既能满足战时防空需要，又能兼顾平时经济建设、人民生活的建筑特点。但人防工程特殊的防护要求，使其在采用普通钢筋混凝土结构时，会存在以下问题：结构尺寸大，基坑开挖深度大，净空小，经济性差。如何采取新工艺，新方法解决上述问题，对人防工程的未来发展具有重要意义。

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）相较于普通性能混凝土，具有超高的力学性能。其不仅具有超高的抗压强度，通过增加短纤维，还能使其拥有超高的抗折强度与韧性；此外，UHPC还具有超高的耐久性能，不存在冻融循环、碱-骨料反应等问题。与普通混凝土相比，UHPC在抗碳化、抗氯离子渗透等方面，有数倍或十数倍的提高，其结构使用寿命即使在海洋环境中也可达到200年。此外，UHPC还具有优异的环保性，属于最低碳的水泥基材料，其水泥和胶凝材料利用率远高于其他水泥。凭借上述优异性能，UHPC成为了近年来土木工程领域研究的一大热点，在国内外桥梁、建筑工程等领域有着广泛应用。法国于2001年建成了世界上最早的UHPC公路桥—Bourg-les-Valence，德国于2007年建成了世界上首座UHPC-钢组合桥梁Gärtnerplatz，此外，美国、韩国等国家也已将UHPC应用于桥梁工程中[1]。国内UHPC应用起步较晚，2018年，丁沙等[2]将预制的UHPC顶板应用于南京某人防工程中。2020年洞庭湖大桥采用UHPC对桥梁防水铺装层进行施工[3]，刘飞[4]研究了UHPC在桥梁加固工程中的应用，得出了UHPC能使桥梁结构更加稳定，可加快桥梁维修速度的结论。史华伟[5]将UHPC应用于桥梁的全预制拼装施工的连接结构中。高珊[6]通过试验，研究了高强高性能混凝土在建筑工程中的施工应用，发现掺入适量粉煤灰可以有效提高混凝土的抗渗性能。目前国内UHPC的应用实例较少，多以预制为主且用量较少。丁沙等[2]在怒江二桥工程上采用了现浇UHPC浇筑桥梁的钢混结合段来保证其受力要求，但在浇筑完成后并未采用高温蒸汽养护，导致UHPC强度并未完全发挥。

综上所述，在实际工程中实现UHPC的大面积现浇，采取合理的养护工艺，将其优异的力学性能与人防工程的高性能设计要求相结合，使其兼具优异的使用性与经济性，不仅响应了国家绿色设计、绿色生产的环保理念，而且对人防工程的优质发展与UHPC的推广应用具有重要意义。

1 工程概况

人防工程的设计要求与普通建筑工程不同，其设计荷载值远远大于普通建筑物的设计荷载值，若采用普通钢筋混凝土结构，将导致其结构尺寸过大，从而无法有效利用建筑空间。因此，有必要采用新材料或新的结构形式来避免上述问题。

背景工程为某市大型地下人防工程，建筑总面积约为13.43万 m2，共3层，地下1层层高5 m，地下2、3层层高均为3.6 m，结构类型为框架-剪力墙结构。

框架-剪力墙结构通过在框架结构中布置一定数量的剪力墙，从而大大提高结构的侧向刚度。当结构承受水平力时，剪力墙与框架共同承担水平作用力，两者相互约束，维持结构的整体稳定。针对框架-剪力墙结构在不同程度地震下的防护效果，存在如下描述[7]：

1）在较小地震下，剪力墙起绝对主导作用，防止非承重构件的损坏。

2）在中等地震作用下，框架将承担部分侧向力，与剪力墙协同变形抵抗外力。

3）在大震作用下，刚性较大的剪力墙受到冲击开始进入弹塑性阶段，结构框架开始发挥作用约束变形，保持结构稳定，起到了第2道防线的作用。

由此可以看出，尽管单纯框架结构的抗侧移刚度与剪力墙结构相比较小，但当框架-剪力墙结构承受较大的侧向力时，框架部分对结构的整体稳定仍起着至关重要的作用。本工程根据框架-剪力墙结构的特性，结合人防工程高设计荷载值的这一要求，拟对工程特定人防区域的梁、柱、板使用UHPC进行浇筑，既能满足结构的设计荷载要求，减少构件尺寸，有利于设计师对空间的灵活布置，提高空间利用率，又能节约材料钢筋用量，降低了碳排放。

2 UHPC性能分析

2.1 材料性能

UHPC包含2个方面“超高”：

1）超高的力学性能。UHPC的抗压强度、抗拉强度与弹性模量较普通混凝土高出了4～10倍不等，在相同的设计条件下，将大大减少水泥和钢筋的用量，具有良好的经济与环保效应。

2）超高的耐久性。UHPC内部不存在融冻循环，超高的抗渗等级不仅能阻止环境中氯离子与硫酸盐离子的渗透作用，保护构件钢筋，降低建筑完工后的维修风险，同时还具有良好的防水性能，条件允许时还可以免除结构的防水施工，节约施工成本。UHPC与普通混凝土材料性能对比详见表1。

表1 UHPC与普通混凝土材料性能对比

本工程所用UHPC为活性粉末混凝土RPC120，主要由核心料、石英砂、钢纤维、水及高性能减水剂等组成。材料结合了超细粒致密材料设计理论与纤维增强技术，是由超细活性粉末、水泥、高强细钢纤维等组成，通过最优化级配设计，经高温热合等特定工艺制备而成的复合材料，具有超高强度（抗压强度100～400 MPa）、高韧性、高耐久性、高体积稳定性、高耐腐蚀性、纤薄轻质、环保节能等特点，是一种最新型的UHPC材料，工程设计配合比为水泥∶核心料∶石英砂∶钢纤维∶水∶外加剂＝1∶0.601∶1.599∶0.236∶0.203∶0.010。

2.2 构件性能

以本工程650 mm×650 mm截面矩形偏心受压柱的抗剪性能为例，根据DBJ43/T 325—2017《活性粉末混凝结构技术规程》，UHPC矩形、T形和箱形截面偏心受压构件，其斜截面受剪承载力计算公式如下：

由式（1）可以看出，UHPC不仅本身具有良好的抗剪能力，掺入其中的钢纤维也能够大大提高构件的抗剪承载能力。

考虑GB 50038—2005《人民防空地下室设计规范》中动荷载作用时材料强度的综合调整系数，本工程UHPC偏心受压柱抗剪极限承载力Vfc＝694.80 kN。相较于按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中使用C50普通混凝土，计算得到的抗剪极限承载力Vfc＝467.65 kN，抗剪能力提高了49%，使结构即便经历了高强水平作用力导致剪力墙进入弹塑性阶段，结构框架仍有足够的抗剪余量，从而起到第2道抗震防线的作用，使结构的安全性能大大提高。

3 现浇UHPC施工工艺

3.1 施工准备

1）工程现场设置标养室、实验室，标养试块模具，坍落度桶、温度计等计量器具，每6 h记录1次温湿度。

2）浇筑混凝土段的模板、钢筋、预埋件及管线等全部安装完毕后，将模板内的垃圾、泥土等及钢筋上的油污清除干净，模板内不得有积水。垫好钢筋垫块、剔除墙柱根部松散混凝土及浮浆。

3）做好后浇带堵挡工作。校验模板、钢筋、保护层和预埋件等的尺寸、规格、数量和位置，对模板支撑体系的强度、刚度、稳定性、密封性以及模板垂直度进行检查。

4）因UHPC流动性大，在浇筑前必须对所有模板的接口处进行耐候胶填缝处理，确保不外漏。

5）除了必要的施工人员外，现场还需配备专业蒸养人员以及电焊工等。

此外，遇到冬雨季施工，需要按计划进场准备好塑料布、保温被。

3.2 UHPC浇筑

浇筑应保证连续一次浇筑完成，不得出现冷缝，如必须间歇，应在前一层混凝土初凝之前，将后一层混凝土浇筑完毕；分层浇筑时应有专人进行表面喷雾养护，防止表面出现硬壳层。如果发现局部出现表面硬壳层时，应采用工具翻耙表面后再浇筑。浇筑采用前推法施工，避免覆盖法施工。浇筑时出料管口混凝土下落的自由倾落高度不宜超过5 m。从低处开始，沿长边方向自一端向另一端进行浇筑。

框架柱进行浇筑时，使用的UHPC坍落扩展度必须达到650 mm及以上。因UHPC存在较大的浮力，放料时一定要控制用量，目测即将放至梁底时立即停止，等待10 min左右再放料。当层高较高且柱配筋率较大时，为确保浇筑密实，必须在靠近柱的相邻板面上留设施工洞口，使用溜槽将混凝土引入柱内。框架柱浇筑完毕后，须静停48 h再浇筑梁板混凝土，蒸汽养护可以与梁板混凝土一并进行。

梁板进行浇筑时，使用的UHPC坍落度必须达到600 mm及以上，由一端向另一端一次浇筑完成。当混凝土泵送到浇筑点时，应派人及时用铁锹或钢耙将其分散，以免集中荷载造成顶模变形，混凝土下料点宜分散布置，间距控制不超过7 m，不得使用振捣棒铺摊和振捣混凝土，混凝土上表面模板应有抗UHPC浮力的措施。浇筑形状复杂或封闭模板空间内混凝土时，应在模板上适当部位设置排气口和浇筑观察口。

浇筑完成后采用三次抹压成形工艺，浇筑振捣成形后进行第1次抹压；混凝土收水并开始初凝时（可以踩出脚印但不下陷为准），用木抹子进行第2次抹压，确保钢纤维等压实不外露；混凝土初凝后终凝前，使用磨光机进行第3次抹压，封闭其吸水裂缝，最后达到收光的效果，对建筑的防水效果起到积极的作用。

3.3 UHPC与普通混凝土的混浇处理

UHPC与普通混凝土混浇，普通混凝土的收缩徐变较大，养护时间为28 d，而UHPC蒸养后只需要72 h即可达到100%强度，所以浇筑时必须先浇筑普通混凝土，龄期达到后再浇筑UHPC，这样才能有效避免混凝土的收缩拉裂。

1）框架柱与剪力墙连接处做法：止水钢板拦截在剪力墙与框架柱交接处往剪力墙处30～50 cm位置，先浇捣剪力墙普通混凝土，等达到龄期后再浇筑框架柱UHPC。框架柱与剪力墙交接处处理做法如图1所示。

图1 框架柱与剪力墙交接处处理做法

2）UHPC与普通混凝土在斜板位置交接处做法：在斜板交接处用止水钢板拦截，先浇筑普通混凝土，达到龄期后再浇筑UHPC，如图2所示。

图2 斜板处UHPC与普通混凝土做法

3.4 混凝土养护

养护过程分为静停、升温养护及自然养护3个阶段。其中，静停的环境温度应在10 ℃以上，相对湿度60%上，静停时间不得短于6 h。

由于UHPC的养护与普通混凝土不同，养护方式是否合理对于UHPC的性能发展有明显影响。本工程使用UHPC胶凝材料用量高，水化速率快，水化热高，文献[2]对UHPC采用自然养护的方法，其混凝土强度较沸水养护降低了近20%。因此，本工程升温养护采用蒸养工艺养护，较高的蒸养温度可以促进胶凝材料的水化硬化过程，获得较高的强度发展速率，使最终强度较高。使用自动控制系统来精确控制蒸汽养护温度，蒸汽养护的升温速率不大于12 ℃/h，升温至70 ℃后，保持恒温（70 ℃±3.5 ℃）72 h，直至同条件养护试件的抗压强度达到设计值，再以不超过15 ℃/h的降温速率降至构件表面温度与环境温度之差不大于20 ℃。

1）框架柱蒸养，按照柱子的几何尺寸，定制保温帆布，浇筑完成后及时带模板覆盖蒸养72 h。采用全自动温度控制，每个柱子上安装自动温度表，按规范要求控制降温速率。根据现场柱网布置蒸汽管道至每个柱边，定制双层带保温帆布覆盖。框架柱定制蒸养保温设施如图3所示。

图3 定制蒸养设施示意

2）梁板蒸养，通过定制伸缩架、双层带保温帆布的专用保温设施覆盖楼板，留设高度0.3 m，内设温度控制系统及控制阀蒸养72 h。蒸养时，板面上不能堆放任何物料，须在周边拉设警戒线，防止人员进入。

蒸养结束后可进行自然养护，环境平均气温应高于10 ℃，构件表面应保持湿润不少于7 d。当环境平均气温低于10 ℃或最低气温低于5 ℃时，应采取保温措施。

3.5 试块制作与检测

同一工作班、同一配比混凝土每100 m3为一取样单位，每一取样单位留置试块3组：1组为标准养护试块、1组为同条件养护试块、1组为备用试块。

对抗压试块的制作，依据GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》留置。混凝土拌和物稠度应满足施工方案的要求。所有同条件试块必须在下料口制作，在施工现场养护，为防止同条件试块意外破坏，应制作钢筋笼保护试块，保证条件与实际混凝土条件相同，操作面附近必须准备有振动台、模具等有关器具。

UHPC试块的养护不同于普通混凝土，必须与现场的蒸汽养护同步进行，即拆模后将试块放入蒸养棚，同条件养护。试块在同条件蒸汽养护72 h后，送指定检测结构检测其抗渗与抗压强度，在抗渗检测中，试块在初始压力为0.1 MPa的情况下，压力每小时增加0.1 MPa，7 h后，试件的6个端面均未出现渗水情况。抗压强度检测结果见表2。