采用UHPC連接的裝配式混凝土水池的試驗(yàn)研究及施工要點(diǎn)

馬家歡 盧辰

1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092

2.上海水業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司 200092

引言

近年來，裝配式結(jié)構(gòu)由于質(zhì)量高、工期短、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，得到了國(guó)家的大力支持。在民建，交通等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的應(yīng)用并形成了相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［1-2］。但是，由于預(yù)制件接縫處防水質(zhì)量難以控制，給排水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)領(lǐng)域預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究還比較少，缺乏相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范來支撐預(yù)制裝配式技術(shù)的應(yīng)用。

上海某水處理廠深度處理改造工程中，某水池采用超高性能混凝土（UHPC）作為裝配式結(jié)構(gòu)的新型連接節(jié)點(diǎn)，成功解決了給排水構(gòu)筑物預(yù)制拼裝節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆段過長(zhǎng)、防水性能難以保證的問題，表明了UHPC在預(yù)制裝配式水池結(jié)構(gòu)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

本工程建設(shè)內(nèi)容為將上海某水廠現(xiàn)有4條總規(guī)模為100萬m3／d的常規(guī)生產(chǎn)線進(jìn)行深度處理改造，總工期約一年，內(nèi)容復(fù)雜，工期緊張，根據(jù)總進(jìn)度計(jì)劃，位于廠區(qū)東北的一座水池需在15d內(nèi)施工完畢并開始內(nèi)部管道安裝，否則將影響總平管線施工。若采用常規(guī)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)形式無法滿足工期要求。

超高性能混凝土（UHPC）強(qiáng)度高，粘結(jié)性能優(yōu)異，防水防滲效果好［1，3］。相較于傳統(tǒng)的連接技術(shù)，UHPC連接具有后澆帶更窄，連接更可靠，布置更靈活等優(yōu)勢(shì)［4］。鑒于此，經(jīng)過設(shè)計(jì)、施工各方共同研究研究，決定采用UHPC連接的裝配式混凝土水池形式，縮短施工周期的同時(shí)確保工程質(zhì)量。

2 設(shè)計(jì)方案

裝配式水池采用敞口式設(shè)計(jì)，平面尺寸為20.35m×6.9m，池頂標(biāo)高與地面標(biāo)高平齊，埋深為3.9m。水池底板采用C30混凝土現(xiàn)澆而成，池壁根據(jù)平面布置拆分為18片預(yù)制墻體，共兩種標(biāo)準(zhǔn)件，其中標(biāo)準(zhǔn)件1為實(shí)心墻板，標(biāo)準(zhǔn)件2中間預(yù)埋DN1200套管，用于總平管道安裝。標(biāo)準(zhǔn)件1、2配筋均為：豎向筋HRB14＠100mm；水平筋HRB14＠150mm。底板與池壁、池壁之間均采用現(xiàn)澆UHPC接縫連接。預(yù)制構(gòu)件與底板、預(yù)制構(gòu)件之間的鋼筋均采用搭接。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［5］，UHPC現(xiàn)澆段長(zhǎng)度應(yīng)不小于10倍鋼筋直徑，本水池根據(jù)平面布置取200mm～300mm。水池平面布置圖如圖1所示。

圖1 預(yù)制拼裝水池結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位：mm）Fig.1 Layout plan of the prefabricated pool（unit：mm）

預(yù)制件之間、預(yù)制件與底板的連接節(jié)點(diǎn)均采用榫卯式接口，并對(duì)榫卯外凸部分進(jìn)行鑿毛處理，如圖2所示。榫卯式接口可為預(yù)制墻體和現(xiàn)澆段之間的剛度突變起到過渡作用。同時(shí)，經(jīng)過鑿毛處理的外凸榫卯可增加超高性能混凝土與預(yù)制墻體之間的接觸面積，延長(zhǎng)地下水侵入路徑，提高裝配式地下結(jié)構(gòu)的防水性能。

圖2 現(xiàn)澆UHPC連接節(jié)點(diǎn)詳圖（單位：mm）Fig.2 Detail design of cast-in-place UHPCjoint（unit：mm）

3 構(gòu)件試驗(yàn)

埋地式水池池壁主要承受外土荷載、內(nèi)水荷載等平面外水平力作用。在施工前，制作兩組相同的預(yù)制拼裝懸臂墻構(gòu)件、一組整體現(xiàn)澆懸臂墻構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試預(yù)制裝配式池壁在平面外水平荷載工況下的變形、破壞情況，評(píng)估采用UHPC連接的裝配式混凝土水池結(jié)構(gòu)性能。

3.1 試驗(yàn)方案

為方便敘述，將UHPC預(yù)制裝配式構(gòu)件編為試件A及試件B，整體現(xiàn)澆構(gòu)件編為試件C。試件A、B、C底板均為現(xiàn)澆，底板澆筑時(shí)預(yù)留150mm上翻段作為預(yù)留施工縫。試件A、B中預(yù)制墻尺寸為1.0m×0.35m×2.0m（長(zhǎng)×厚×高），混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。預(yù)制件與底板上翻段采用現(xiàn)澆UHPC榫卯式接口連接，現(xiàn)澆高度為300mm。試件C直接在底板預(yù)留上翻段基礎(chǔ)上現(xiàn)澆整片懸壁墻，混凝土強(qiáng)度為C30。試件A、B、C配筋均為：豎向筋HRB14＠100mm；水平筋HRB14＠150mm。試件A、B所用UHPC由廠家提供，在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留同條件養(yǎng)護(hù)試塊進(jìn)行材料性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 UHPC材料性能試驗(yàn)結(jié)果（平均值）Tab.1 Material performance test results of UHPC（mean value）

構(gòu)件試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閱吸c(diǎn)懸臂加載的懸臂墻，通過千斤頂及分配梁在高度2.0m處施加法向荷載。試驗(yàn)通過與千斤頂相連的壓力傳感器讀取荷載，并分別在0.4m、0.8m、1.2m、1.6m、2.0m處設(shè)置位移計(jì)測(cè)量墻體變形。試驗(yàn)件內(nèi)部沿鋼筋貼設(shè)應(yīng)變光纖，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有鋼筋應(yīng)變。試驗(yàn)加載采用分級(jí)加載的方式，每級(jí)加載值為20kN。每級(jí)加載待變形穩(wěn)定后，讀取位移數(shù)據(jù)，觀測(cè)裂縫寬度，繪制裂縫發(fā)展曲線。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)詳見圖3，試件加載簡(jiǎn)圖見圖4。

圖3 試驗(yàn)件加載現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Photo of loading site

圖4 試驗(yàn)件加載布置圖Fig.4 Layout of the test piece

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試件A加載至112kN時(shí)試件破壞，試件B加載至100kN時(shí)試件破壞，試件C加載至83kN時(shí)試件破壞，三試件破壞形態(tài)均為受拉區(qū)鋼筋屈服。根據(jù)計(jì)算，整體現(xiàn)澆試件理論破壞荷載為81.9kN。試件C破壞荷載與整體現(xiàn)澆懸壁墻理論計(jì)算破壞荷載值接近，而試件A、B破壞荷載明顯大于理論計(jì)算值。三試件在1.2m、2m處的荷載-位移曲線如圖5、6所示。

圖5 三試件1.2m高處荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curve of the three test piece at the height of 1.2m

由圖5、圖6可知，在相同荷載值的情況下，試件C位移大于試件A、B，表明采用UHPC連接的懸臂墻截面等效剛度大于現(xiàn)澆試件。同時(shí)，采用UHPC之后，構(gòu)件在破壞前的延展性更差，其原因?yàn)閁HPC現(xiàn)澆段剛度遠(yuǎn)大于常規(guī)現(xiàn)澆段，導(dǎo)致UHPC現(xiàn)澆段撓曲角遠(yuǎn)小于常規(guī)現(xiàn)澆混凝土。在加載過程中，試件C第一條肉眼可見裂縫開展于底板上翻段附近，開裂荷載為57kN，隨著荷載增加裂縫逐步向上開展。而試件A、B在UHPC現(xiàn)澆接口部位無裂縫開展，裂縫開展位置上移至預(yù)制C30墻板中，第一條裂縫肉眼可見時(shí)的分別荷載為82kN、78kN，承載力相應(yīng)提高。試件A、B與試件C裂縫開展照片詳見圖7、圖8。試驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC節(jié)點(diǎn)承載力不低于整體現(xiàn)澆水池，可應(yīng)用于實(shí)際工程中。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試件A、B開裂荷載及破壞荷載均大于常規(guī)現(xiàn)澆試驗(yàn)件C，證明UHPC節(jié)點(diǎn)承載力不低于整體現(xiàn)澆水池。因此，在保證現(xiàn)澆段滿足鋼筋錨固長(zhǎng)度的條件下，設(shè)計(jì)中可按常規(guī)現(xiàn)澆水池的設(shè)計(jì)計(jì)算方法對(duì)采用UHPC現(xiàn)澆連接段的預(yù)制裝配式水池進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖6 三試件2m高處荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curve of the three test piece at the height of 2m

圖7 UHPC連接試件裂縫開展位置Fig.7 Crack development location of the UHPC joint test piece

圖8 試件C裂縫開展位置Fig.8 Crack development location of the test piece C

4 施工要點(diǎn)

本工程中采用UHPC連接的裝配式混凝土水池施工工藝主要為：現(xiàn)澆底板施工—預(yù)制構(gòu)件吊裝—預(yù)制構(gòu)件固定—UHPC澆筑。其中，預(yù)制構(gòu)件吊裝、固定與UHPC澆筑為施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵工藝。

4.1 預(yù)制構(gòu)件吊裝、固定要點(diǎn)

在現(xiàn)澆底板澆筑完畢、養(yǎng)護(hù)至一定強(qiáng)度后，進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件吊裝施工。起吊前，需進(jìn)行試吊，確認(rèn)吊環(huán)與構(gòu)件內(nèi)鋼筋有效焊接，確保有足夠的拉力。起吊后，根據(jù)水準(zhǔn)標(biāo)高、控制軸線下放預(yù)制件。吊裝就位后，采用靠尺、鉛錘等進(jìn)行垂直度的檢測(cè)，如有偏差用可微調(diào)斜撐進(jìn)行調(diào)整。預(yù)制件采用底部預(yù)埋螺桿支撐的方式固定在底板上，標(biāo)高通過調(diào)整螺桿螺紋的方式進(jìn)行調(diào)整。由于預(yù)制水池現(xiàn)澆段較高導(dǎo)致螺桿支撐也相對(duì)較長(zhǎng)，需根據(jù)軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性計(jì)算確定螺桿型號(hào)，否則易發(fā)生螺桿失穩(wěn)破壞。完成預(yù)制構(gòu)件安裝、固定后，再進(jìn)行后續(xù)UHPC連接段澆筑施工。

由于UHPC具有“高流態(tài)”的特性，對(duì)預(yù)制壁板的安裝精度有格外嚴(yán)格的要求，一旦相鄰壁板出現(xiàn)錯(cuò)縫，UHPC就會(huì)從縫隙間流出，影響后澆段澆筑質(zhì)量。因此，須采用專用可微調(diào)斜撐，逐步調(diào)整垂直度。在底板澆筑及預(yù)制構(gòu)件制作前，將螺栓孔預(yù)埋在板件中。在預(yù)制構(gòu)件吊裝到位后專用可微調(diào)斜撐一端支座用螺栓固定于垂直構(gòu)件的預(yù)埋螺母上，另一端支座用螺栓固定于地面，形成穩(wěn)固的斜撐體系。在校正構(gòu)件垂直度時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)斜撐桿件通過兩端的正反絲來調(diào)節(jié)斜撐的長(zhǎng)度。通過調(diào)整各個(gè)預(yù)埋螺孔支撐點(diǎn)到底板的相對(duì)位置，最終將預(yù)制壁板調(diào)整到垂直面上。

4.2 UHPC澆筑要點(diǎn)

在預(yù)制構(gòu)件吊裝定位完畢后，對(duì)UHPC現(xiàn)澆位置封模，并進(jìn)行UHPC澆筑。UHPC為現(xiàn)場(chǎng)拌制。由于UHPC中鋼纖維含量較大，如果攪拌不均勻容易結(jié)塊，導(dǎo)致鋼纖維分布不均勻而影響UHPC的強(qiáng)度和性能。拌和時(shí)將UHPC干料投入攪拌機(jī)先干拌1 min，然后再加水、減水劑拌和，至UHPC具有良好的流動(dòng)性和均勻度后，緩慢添加鋼纖維保證攪拌均勻。本工程所用UHPC水灰比為0.16，骨料配合比為：細(xì)骨料∶減水劑∶鋼纖維=1∶0.5%∶0.1。完全拌和均勻后的UHPC擴(kuò)展度為650mm，易于施工且其強(qiáng)度和性能均有保證。

由于UHPC內(nèi)含鋼纖維，比重比普通混凝土更大，且具有“高流態(tài)”的特性，在施工中需采取以下措施防止UHPC在澆筑過程中漏漿：1）增設(shè)模板次楞，提高模板體系剛度，減小模板變形。2）立模前在模板邊緣粘貼雙面膠使模板緊密貼合。3）封模后用泡沫膠捻縫，進(jìn)一步封堵漏漿通道。本工程采用上述措施后，UHPC漏漿率控制在1.31%，小于定額中大部分砼構(gòu)件的損耗率1.5%，且澆筑質(zhì)量良好，拆模后的UHPC現(xiàn)澆段詳見圖9，水池完工后的整體照片詳見圖10。

圖10 完工后的裝配式水池整體墻板Fig.10 Integral wall of the finished prefabricated pool

5 滿水試驗(yàn)

滿水試驗(yàn)是水池施工完成的最后工序，是檢驗(yàn)水池結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)《給水排水構(gòu)筑物施工及驗(yàn)收規(guī)范》要求，池體結(jié)構(gòu)完工后必須進(jìn)行滿水試驗(yàn)。

總平管道安裝完成后，對(duì)水池進(jìn)行注水，根據(jù)水池凈高，注水按高度分為三級(jí)，每級(jí)注水1100mm。第1、2級(jí)注水后靜置觀察24h，第3級(jí)注水后靜置觀察48h。期間保持觀測(cè)UHPC和普通混凝土之間的界面，無任何滲漏點(diǎn)出現(xiàn)，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過上海某水廠處理改造工程，設(shè)計(jì)了一座采用UHPC連接的裝配式混凝土水池，并在十天內(nèi)完成施工，滿足了工期需求，并得出如下結(jié)論：

1.UHPC粘結(jié)強(qiáng)度高、接縫處防水性能良好，經(jīng)構(gòu)件試驗(yàn)、實(shí)際工程驗(yàn)證，可作為裝配式水池的新型連接節(jié)點(diǎn)。

2.采用UHPC連接的裝配式混凝土水池節(jié)點(diǎn)承載力不低于整體現(xiàn)澆水池，且施工周期短，具有推廣價(jià)值。

3.相比普通混凝土，UHPC流動(dòng)性更大，在預(yù)制裝配施工中需嚴(yán)格控制預(yù)制件安裝精度，并在澆筑過程中采取模板加固等措施減少UHPC漏漿率，提高施工質(zhì)量。