轻型组合梁UHPC施工技术研究

刘国明 何良玉 胡龙泳 汪晶晶 刘 志 徐 耀

(1.湖北交投十堰高速公路建设管理有限公司 十堰 442000;2.湖北省路桥集团有限公司 武汉 430000)

0 前言

超高性能混凝土具有超高强、高韧性、高耐久等性能[1-3],和传统普通混凝土材料相比,其抗压、抗拉、抗折、抗冲击性能更加优异[4-6],常被用于大跨度桥涵隧道、核工程和超高层建筑等的关键部位[7-9]。

现以湖北省鄂西北某跨水库特大桥桥面铺装工程为依托,从原材料选择、配合比设计、施工准备、现场拌合生产、混合料运输、摊铺、成型、成品养护等方面对桥面铺装的施工技术进行研究,以为UHPC施工技术的推广应用提供技术支撑。

1 工程概况

鄂西北某特大桥为双塔地锚式轻型组合梁斜拉桥,桥跨布置为:45.8m(桥台)+(106.2+760+106.2)m(斜拉桥)+45.8m(桥台),全桥长1076m。为减轻主跨重量、增强主梁抗弯承载力,中跨760m主梁采用轻型组合梁结构,由分离式双边箱断面钢梁+正交异性钢—UHPC组合桥面板组成,全桥共48节组合梁(包括钢—混结合段),标准梁段长16m,桥面全宽31.6m,梁高3.8m(组合梁中心线处),桥面设2%的双向横坡。桥面采用80mm超高性能混凝土(UHPC),宽度为26.29m(沿两侧边箱主梁外腹板中心线之间设置),长度为15.2m。

2 原材料

工程采用UHPC140,由专业厂家在工厂将固体原材料预拌成预混料,计量包装后,运至现场,加水进行二次拌合。UHPC预混料包括水泥、石英砂、钢纤维、硅灰、高效减水剂等。

3 UHPC配合比设计

UHPC配合比按最大密度堆料理论进行设计[10]。UHPC性能对原材料的规格、场地、掺配比例等较敏感,易受外界因素影响。项目的UHPC由厂家提供合格的UHPC预混料在现场加水拌合制成。

3.1 UHPC配合比目标值的确定

根据设计技术指标,UHPC的配制强度:

fcu,0=1.1fcu,k

(1)

(1)式中:fcu,0为UHPC的配制强度(MPa);fcu,k为UHPC设计立方体抗压强度(MPa)。

3.2 原材料确定

生产厂家根据自身的技术储备、国家标准《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)等确定原材料的技术要求及相应供应商,进行UHPC试配[11]。

3.3 基准配合比确定

由厂家根据目标值进行UHPC试配,确定2～3个满足技术指标要求的基准配合比,并进行UHPC预混料样品生产;然后对UHPC预混料样品进行性能检验,选择最优的基准配合比作为施工配合比。

3.4 施工配合比确定

由UHPC预混料生产厂家委托第三方检测单位进行预混料样品的性能检验,经检验合格后才能组织UHPC预混料生产。

4 施工准备

4.1 技术准备

施工前,对现场管理人员及施工班组进行技术培训及交底;施工前根据设计图纸及规范规定的UHPC性能要求,进行配合比设计及验证。

4.2 施工准备

(1)原材料进场并检测;

(2)UHPC智能搅拌机、智能布料机、桁车、龙门吊等设备提前进场安装、调试及报验;

(3)厂房、制梁台座等临建设施建设;

(4)安装水管、电路等,确保现场用水、用电需求;

(5)完成厂内、外道路建设,确定施工通道。

4.3 施工工艺流程

与传统混凝土桥面铺装技术相比,UHPC桥面板施工更加精细化。施工中首先将整块的UHPC面板单元化、模块化,通过对单元模块的施工,确保每块UHPC面板合格。此外,与传统混凝土桥面铺装相比,UHPC面板更加注重养护,整个养护过程分为静养、高温蒸养、自然养护三个阶段,且在养护过程中需要严格控制温度变化速率和养护时间。现浇施工工艺具体流程如图1所示。其中UHPC静停及保湿养护时间≥24h(UHPC终凝后);在同条件养护试件强度达到20MPa后再拆除模板;然后进行外露钢筋及钢板等防锈处理,再进行高温蒸汽养护,持续时间4d(包括升、降温时间和恒温养护时间);最后进行自然养护,时间≥7d。

5 施工过程控制

通过对UHPC桥面板现浇施工模板、钢筋的控制,确保UHPC达到较优性能。

5.1 模板工程

5.1.1 模板制作

桥面板湿接缝企口模板采用8mm厚梳齿板钢模;侧模高为8cm。标准板的模板数量要求每个台座各配置一套模具,并按模具规格进行编号。

5.1.2 模板安装

(1)模具组装前,清除模板表面的UHPC残渣。

(2)模板内表面粘贴免凿毛带,凿毛带应与模板密贴一起;遇钢筋位置应先对凿毛带开孔,再进行安装。

(3)采用拉线方式定位侧模与钢梁的相对位置;然后按照各编号对应位置进行侧模安装,侧模与PBL键钢板和钢筋采用扎丝绑扎牢固。

5.2 钢筋工程

5.2.1 原材料进场及检测

钢筋进场后,按批检测;经检测合格的钢筋才能放至钢筋加工棚使用。钢筋按牌号、炉罐号、规格、检验状态分别标识存放。

5.2.2 钢筋半成品加工

钢筋下料应符合下列规定:

(1)钢筋加工前应熟悉图纸,并应根据生产部门出具的钢筋配料单进行试制作,合格后方可成批制作。

(2)采用精密数控钢筋调直切断机对钢筋进行调直及切割。设备调直速度为130m/min,切断的长度精度为±5mm,调直精度为±2mm。

(3)直条钢筋采用已加工好的商品钢筋,商品钢筋进场应严格检查质量、外观及尺寸要求。

5.2.3 钢筋安设

(1)UHPC桥面板内设有3层钢筋,钢筋安设从下至上依次进行,先把下层横向钢筋与纵向钢筋绑扎成整体,然后再把下层钢筋网与上层横向钢筋绑扎成整体。

(2)钢筋网采用梅花形交错绑扎,绑扎率应≥40%,转角处应全数绑扎;宜采用直径0.7～2.0mm的铁丝扎牢,绑扎钢筋的丝头应整体朝下,避免扎丝朝上进入UHPC表面保护层内[12]。

(3)UHPC层内钢筋净保护层厚度应≥1.5cm;对PBL键钢板局部区域,应进行打磨,确保钢筋净保护层满足要求。

6 UHPC搅拌

6.1 UHPC预混料的进场检验

同一规格、原材料、生产厂家的UHPC预混料,以不超过200t为一批进行检验。

(1)进场前首先检查厂家产品合格证、质量保证书、UHPC预混料的使用说明书等是否满足要求。

(2)外观检查。进场前应进行外观检查,不得有结团、受潮等情况,对重量应单列检查条目。

(3)性能检验。按批取样并根据厂家提供的施工配合比进行验证,验证的主要指标包括UHPC的抗压强度、抗弯拉强度、弹性模量、预混料中钢纤维含量的均匀性。

6.2 UHPC现场搅拌

UHPC搅拌采用UHPC专用高速搅拌机,本工程共配置4台搅拌设备(2台/组),单盘搅拌量为0.66m3/h,生产能力为16m3/h,标准桥面板的UHPC用量约为32m3,可确保浇筑的连续性[13]。

首先采用门吊将称重好的UHPC预混料投入搅拌机料筒内,干拌30s左右,使预混料处于流动状态;然后按比例计量加入水,进行湿拌合,搅拌过程中通过观察窗口观察拌合物的状态,待UHPC拌合物流化后,继续搅拌≥2min,总搅拌时间>8min。UHPC搅拌应按下列要求进行:

(1)每班组生产前,应对计量系统进行零点校订。

(2)拌合前,需对搅拌设备进行清洗、润湿,但不能有积水。

(3)配合比的控制。搅拌过程中,应严格按照施工要求的配合比进行拌合,不得随意更改。同一袋预混料必须一次搅拌完成,不得分盘搅拌。拌合前,要校核计量称重系统。

(4)每一工作班组搅拌的前两盘料应检验拌合物扩展度等参数,合格后方可进行后续搅拌。

7 UHPC运输

UHPC搅拌后,卸入装料斗,由叉车运输至UHPC生产线,再由汽车吊吊装料斗卸至布料机内进行摊铺,共计投入4台叉车。UHPC运输应符合下列要求:

(1)施工前,应检查运输设备,确保施工过程中能够正常使用。

(2)接料前,需充分清洗料斗,不得有残渣、积水等;运输过程中严禁加水。

(3)加强搅拌站与生产线的联系,确保UHPC的运输及摊铺连续不间断进行;当UHPC摊铺因故暂停施工时,应立即停止拌合站作业;已生产的UHPC拌合物存储在搅拌机内,并使搅拌机不停转。

(4)装料后,叉车应停放在厂房内,并采用土工布覆盖在UHPC表面;待摊铺现场发出需料指令后,再运出。

8 UHPC摊铺

沿纵桥向进行摊铺,共采用1台UHPC智能布料机(轨距25.2m,全幅摊铺)、2台UHPC振捣整平机(轨距12.6m,半幅施工)和2台UHPC自动覆膜机(轨距12.6m,半幅施工)。

8.1 UHPC布料

UHPC运至现场后,采用5.0×104kg汽车吊吊装料斗至布料机的储料框内进行布料,布料沿纵桥向全幅一次完成,如图2。布料需按下列要求进行:

(1)装料前,应清洗布料机、润湿,但不得有积水;同时空转检查设备是否运转正常;布料后,应及时进行设备清洗。

(2)布料前,应喷雾洒水润湿浇筑面及钢筋网,但不能有积水。

(3)严格控制UHPC拌合物现场的扩展度在550～650mm。

(4)控制布料机行走速度,使UHPC的松铺系数控制在1.0～1.05,确保布料均匀。

(5)应严格控制搅拌、运输、上料等的工序,确保单幅桥面板连续摊铺完成。

9 UHPC振捣整平

采用高频振捣整平梁进行作业,左、右幅各布置一台,UHPC振捣整平符合下列规定:

(1)振捣前,应采用高压水枪,湿润振捣整平板底部。

(2)结合前期工艺试验,振捣整平梁的振捣频率宜控制在80Hz,振捣梁行驶速度控制在1.5m/min。

(3)布料前需对UHPC进行检测,如图3,左、右幅振捣振平作业间隔时间不宜超过2h(初凝前);滞后作业一幅应加强表面喷雾洒水润湿,但不得有积水。

(4)振捣时,应每隔3m测量一个横断面上的UHPC厚度,每个断面至少测量5点,记录测量结果,并根据测量结果随时调整振动整平梁高度,以确保UHPC厚度满足要求[14]。

(5)振捣应紧跟在UHPC布料后进行,如图4,振捣完毕后应及时进行抹面覆膜。

(6)边界、湿接缝企口、轨道位置等振捣梁振捣不到的区域,应由人工采用手持式高频振捣器进行振捣,不得有漏振区域。

10 养护工程

UHPC桥面板的养护分为UHPC静停及保湿养护、高温蒸汽养护和自然养护3个阶段,养护在台座上进行。UHPC保湿养护紧随在UHPC摊铺完成后进行;保湿养护至UHPC终凝后,再进行高温蒸汽养护。

图2 UHPC布料图3 UHPC检测

10.1 UHPC静停及保湿养护

采用1台自动覆膜工作台车在UHPC表面覆盖一层高分子节水保湿薄膜进行养护,然后进行洒水喷淋养护,确保UHPC表面不产生裂纹。保湿养护时间≥24h,养护过程中不得对桥面板进行扰动[15]。UHPC保湿养护需按下列要求进行:

(1)UHPC摊铺完成后,应先在UHPC表面喷洒一层水雾,然后覆盖保湿薄膜进行养护,如图5。

(2)覆膜前,注意观察薄膜上的标记,标有底层的应朝下。

(3)覆膜过程中严禁在UHPC表面拖拽保湿养护薄膜。

(4)喷淋养护设备采用自动喷淋系统24h喷雾养护,并全面覆盖养护区域,以防止UHPC表面缺水。

(5)待同条件养护试件抗压强度达到20MPa后,拆除侧模,可局部揭开保湿膜,但需继续洒水养护至蒸养前。

10.2 UHPC高温蒸汽养护

UHPC高温蒸汽养护应在保湿养护后及时进行,且应在UHPC浇筑后的5d内开始。

项目在桥面板上搭设蒸汽养护棚,通过持续输入蒸汽的方式进行高温养护;每片桥面板配置1套蒸养系统,包括蒸汽供应体系(2台低压蒸汽锅炉和若干蒸汽传输管道)、温度自动控制系统(温度传感器、温控电子阀等)、蒸汽养护棚(蒸养棚支架、保温被、防雨布等),如图6。高温蒸养护应按下列要求进行:

图6 UHPC高温蒸汽养护(a,b)

(1)蒸养管道底部应垫设φ12mm钢筋垫条,管道不得直接接触UHPC表面。

(2)蒸养管道出气孔应朝向左或右,不得直接朝向桥面板或蒸养棚。

(3)蒸养棚覆盖面积为15.8m×26.8m,四周采用缆风绳或沙袋压实。

(4)为防止钢箱梁底部散热,箱梁四周侧面采用保温棉被覆盖保温。

(5)为确保温度分布均匀性,沿桥梁中心线把蒸养棚分成两个仓,分仓界线采用分仓布分离,避免仓内蒸汽相互流通。

(6)蒸汽养护应采用温度自动控制系统进行24h精准自动控制。通过控制蒸养棚内的蒸汽输送量,严格控制蒸养棚内的温度和湿度。

(7)蒸养实施前,应采用水银温度计校订温度传感器。

(8)蒸养期间,升温阶段升温速度≤10℃/h,直至达到80℃;恒定在(80±5)℃范围内养护≥72h;然后降温,降温速度不得>10℃/h,直到降至环境温度;养护过程中棚内相对湿度≥95%[16]。

10.3 自然养护

UHPC桥面板蒸养后,在表面覆盖土工布进行自然养护,时间不少于7d。养护过程中,应安排专人进行洒水养护,使UHPC桥面板保持湿润状态。

10.4 外露钢筋等防锈处理

防锈处理应在高温蒸汽养护前进行,防止高温、高湿的环境导致外露的钢筋、PBL剪力键钢板以及钢面板等生锈,如图7。本项目采用调配好的UHPC浆液对需保护的区域进行涂刷覆盖保护。

UHPC浆液涂刷后,应静止2～3h,待UHPC浆液形成一定强度后,再蒸汽养护。

11 桥面附属设施预埋及防护措施

桥面吊机后锚点、临时吊点分别设置在钢横梁处,其中单台桥面吊机设置4个后锚点,单个吊具设置4个吊点。

图7 钢筋等防锈处理图8 UHPC内预留吊(锚)点孔焊接钢套筒

后锚点和吊点在UHPC内的预留孔设置采用焊接钢套筒方式,钢套筒φ50mm,高度75mm,壁厚3mm。为保证钢套筒焊接顺直、位置偏差等满足要求,拟先在螺栓孔内先穿入钢棒定位,再套入钢套筒进行焊接,如图8、图9。

图9 UHPC内预留孔钢套筒定位焊接加工件(mm)

UHPC浇筑前,应采用透明胶带进行封堵,防止UHPC堵塞预留孔;UHPC初凝后,应及时清理出预留孔,并采用扪栓进行封堵。

12 结论

以轻型组合梁桥面铺装施工为基础,从UHPC原材料选择、配合比设计、施工准备、现场生产、UHPC混合料运输、布料、振捣、成品养护等各环节简述了UHPC施工技术,经检测采用该方案施工的UHPC抗压强度>150MPa,弹性模量>40GPa,关键指标均达到设计要求,其平整度、横坡度、断面尺寸等均满足相应标准规范及设计要求,有效保证了工程质量。通过总结形成了一套切实可行的施工方案,为后续UHPC在轻型组合梁的应用提供技术指导。