预制UHPC 装配式平台排水沟设计与应用

2023-09-15杨凯翔YANGKaixiang

价值工程 2023年25期

杨凯翔 YANG Kai-xiang

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州 730000；甘肃交设智远实业有限公司，兰州 730000）

0 引言

排水结构作为公路工程中的主要结构物，主要作用是将路基范围内的所有水源引入到路基工程以外，以减少水流对路基和路面的危害，避免路面结构对行车造成的危害。排水结构在我国公路结构中数量大、分布范围广等特点，结构的质量好坏将直接决定道路行车的安全性[1-2]。由于传统预制普通混凝土排水沟和砌筑排水沟结构存在自重大、施工不便和耐久性差等缺陷，采用现浇排水沟工序较为复杂，棱角多侧壁薄，在现场架设模板无法保证工程质量，易造成排水沟侧面粗糙、裂缝缺角、排水沟浪窝等问题，故现场架设模板存在施工效率低，工程质量差，工期长等[3-4]。同时，我国西北和东北地区存在多年冻土区，由于普通混凝土耐久性差，排水结构损坏更加严重，使用周期寿命较短，后期需要投入大量的人力、物力和财力进行维修加固，为此，为解决上述问题为目标，以UHPC 超高性能混凝土为原材料，该材料依据最大紧密堆积密度理论设计，并掺入钢纤维提高抗拉强度，利用其优异的力学性能和耐久性能作为底层逻辑，进行新型结构设计，形成工业化生产流水线，解决排水结构质量差、效率低下等问题。

综上所述，为改善传统混凝土排水结构自重大、施工安装困难、接缝渗水等病害，引入最具创造性的水泥基工程材料——超高性能混凝土（UHPC），该材料具有超高的力学性能和耐久性能。提出一种轻质、安全、美观的预制UHPC 排水结构。

1 传统混凝土排水沟病害

1.1 混凝土板块裂缝

传统的U 型槽和梯型槽，施工时，在渠道基底铺设土工布、10cm 砂浆垫层以及在混凝土预制槽之间砂浆填缝构成。根据调查，以上两种型式的预制构件均表现出不同的破坏，如U 型槽易出现水平裂缝，导致部分断面坍塌，使得排水系统整体瘫痪；梯型槽由于混凝土耐久性差，易出现掉块导致倒塌现象。

1.2 排水沟积水、导致渗水

由于渠道底部土体发生冻融破坏导致构件不均匀沉降，产生的现象为混凝土槽上下错动、鼓起，故沟槽接缝处发生开裂，使得排水沟纵向坡度发生变化，因此，出现雨水沿沟槽接缝处下渗或基底融沉较大处渠道内部发生局部积水。

2 预制UHPC 排水沟结构设计

传统排水沟通常包括砌筑排水沟和普通混凝土预制排水沟，传统结构存在施工难度大，边缘处沥青层摊铺较困难，摊铺不平整易出现积水，且盖板平整度难以控制、预制结构侧面蜂窝麻面严重等问题[5]。

针对传统混凝土排水沟存在的问题，依据实际工程，设计了一种无筋新型预制UHPC 排水沟，采用企口搭接的方式进行连接，保证排水沟结构外观尺寸不变，利用UHPC 优异的力学性能，将截面尺寸进行优化。

通过有限元数值模拟（如图1 所示）与荷载试验（如图2 所示）相结合的方法，以结构安全可靠、性能优异为前提，以构件方便施工安装为目标。拟定如图3 所示的UHPC 平台排水沟结构，与传统结构相比，侧壁板厚由10cm 减小为2.5cm，底板壁厚由10cm 减小为2cm，企口缝长度由5cm 减小为1.5cm，构件每延米重量由272kg 减小为66kg，一块预制C25 混凝土排水沟质量为68kg，一块预制RPC 排水沟质量为33kg。

图1 UHPC 排水沟数值分析

图3 UHPC 平台排水沟

3 UHPC 排水沟结构性能

3.1 原材料

UHPC 超高性能混凝土原材料由水泥、粉煤灰、矿粉、硅灰、石英砂、纤维、减水剂、水等材料组成。

水泥采用P O 42.5R 水泥，指标满足规范《GB 175-2007 通用硅酸盐水泥》性能要求；石英砂采用纯度较高的石英岩破碎而成，粒径范围0.3mm~1.1mm，二氧化硅含量＞99.5%；纤维长12mm~14mm、直径0.2mm；减水剂：采用减水率较高的聚羧酸系减水剂，减水率＞35%；水：采用自来水。

3.2 试件制作及养护

3.2.1 试件制作

采用立轴行星式搅拌机先将干混料搅拌3min~5min，加入减水剂和水搅拌4min，后将纤维分散均匀的加入进行搅拌，形成流态UHPC 混凝土，出料时对其工作性能进行测试，合格后浇筑模具成型。

3.2.2 试件养护

试件成型后采用初期养护24h 后进行编号、拆模，在将拆除的构件置于蒸养室进行高温蒸汽养护，恒温（60±2）℃、湿度90%保持72h。

3.3 性能测试

预制UHPC 排水沟构件成型拆模后结构外观轮廓分明，表面外观平整、色泽自然，无气泡、裂缝、纤维外漏和水印等缺陷存在，预制构件外观质量合格。

对标准试件进行工作性能、基本力学性能试验，主要检测数据和性能结论如下。

3.3.1 工作性能测试（表1）

表1 UHPC 工作性能

3.3.2 力学性能测试

如表2 所示为材料和预制构件结构的性能指标，由表可知，UHPC 抗压强度已超过100MPa，远远超过普通混凝土25MPa 的力学性能。其次，边板顶最小变形值为1.2mm，边板顶最大承载力1.4kN/m，预制构件结构力学性能优异。

表2 材料、结构性能要求

4 UHPC 排水沟结构生产及施工工艺

4.1 预制生产工艺

预制UHPC 排水沟具体生产工艺要点如下：

①模具。

根据设计图纸，制作ABS 材质模具，考虑到钢制模具自重大脱模困难，预制构件外观存在气泡，影响质量，故选用聚氨酯塑料模具，确保模具精度准确、结构刚度大、可循环多次使用。

②模具清理。

在模具循环使用时，模具表面混凝土残块易造成构件残损破坏，应及时采用刮刀对模具进行清理，模具外表的水泥净浆为碱性物质，采用稀盐酸溶液清理外表，而后采用清水对其表面进行冲洗，为了使得模具外观光洁靓丽，采用水皂液进行清洗，便于模具的重复多次使用。

③UHPC 浇筑。

UHPC 设计强度为100MPa，UHPC 材料搅拌设备采用强制式搅拌机，材料在浇筑前应确保工作性能满足设计要求，避免由于工作性能达不到设计要求而造成的外观气泡，力学性能不达标等，浇筑完成后采用附着式振动平台进行振捣，确保构件均质。

④预制UHPC 排水沟构件养护。

预制构件振捣后，采用塑料薄膜或土工布覆盖，将预制构件置于初养室（养护条件：温度40℃、湿度70%）1d，待预制构件UHPC 强度达到设计强度75%后进行脱模，脱模后将构件置于终养室（养护条件：温度60℃、湿度90%）3d 待预制构件强度达到设计强度。

⑤构件堆放与运输。

预制UHPC 排水沟构件堆放场地应平整，按照排水沟构件型号分类堆放。构件易采用3 层堆放和运输，为避免构件掉角，在每一层接触面上采用毛毡或塑料泡沫作为隔离层。

4.2 安装施工注意事项

①基槽土方开挖。

将排水沟路基侧土方压实整平后，参照间距设定预制混凝土排水沟，依据设计图纸测量放线，测量高程需要预留垫层高度5cm，基槽开挖宽度宜大于排水沟顶宽20cm，在开挖排水沟槽时，由于横向开挖量少可采用人工开挖；纵向排水沟可采用小型挖掘机开挖。

②预制UHPC 排水沟安装。

基槽成型后，在基槽底部均匀浇筑一层厚度5cm 的砂浆垫层；铺筑排水沟应从最低处沿逆水流方向铺筑，铺筑时注意将接缝处杂物清理干净；排水沟接缝砂浆凝固后，在3d 后回填夯实两侧土方。构件安装过程中采用小型机械搬运吊装，为确保安装的精确度，在安装前现场进行测量放样；排水沟安装完毕后对坡度、里程以及接缝等进行检查。

5 工程应用实例

当前，预制UHPC 排水沟已成功在G312 傅家窑至苦水公路3#标段进行了工程应用，应用量为1682m，如图4所示。同时，UHPC 排水沟结构已纳入傅苦，庆阳244 改造，太华，清傅，丰马等项目图纸，该结构的应用对于打造百年品质工程具有重要意义。

图4 预制UHPC 排水沟在实际工程中的应用

6 工程效果分析比较

预制UHPC 排水沟与普通混凝土预制排水沟、砌石排水沟等综合比较如下。

6.1 节约工程投资

预制UHPC 排水沟其优异的材料力学性能使得结构断面减小，施工中减小土方开挖量，同时，排水构件采用流水线批量生产安装，减小劳动力的投入，采用预制C25 混凝土平台排水沟综合造价为189 元/m，砌石排水沟造价为364.8 元/m，预制UHPC 排水沟造价为186.9 元/m。平均来讲可节约投资40%。

6.2 保证了工程质量

根据以往实际工程情况，预制普通混凝土排水沟易出现物理破坏和化学侵蚀，如冻融、流水冲刷、碳化等破坏，砌石排水沟易发生模面冲刷脱皮等现象。而预制UHPC 排水沟采用工厂化流水线批量生产，严格按照UHPC 配合比，使用初期蒸养室+终期高温蒸养室确保材料性能和结构性能达到设计要求，其次，UHPC 材料优异的耐久性能降低全周期寿命成本。