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      現(xiàn)澆超高性能混凝土在人防工程中的應(yīng)用

      2022-09-06 08:23:04王禮彬鄒佳放寧志強(qiáng)顧靜飛
      建筑施工 2022年5期
      關(guān)鍵詞:人防試塊剪力墻

      周 業(yè) 王禮彬 鄒佳放 寧志強(qiáng) 顧靜飛

      中建五局第三建設(shè)有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410004

      人防工程是一種有特殊防護(hù)要求的地下建筑,現(xiàn)代人防工程形成了既能滿(mǎn)足戰(zhàn)時(shí)防空需要,又能兼顧平時(shí)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人民生活的建筑特點(diǎn)。但人防工程特殊的防護(hù)要求,使其在采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí),會(huì)存在以下問(wèn)題:結(jié)構(gòu)尺寸大,基坑開(kāi)挖深度大,凈空小,經(jīng)濟(jì)性差。如何采取新工藝,新方法解決上述問(wèn)題,對(duì)人防工程的未來(lái)發(fā)展具有重要意義。

      超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)相較于普通性能混凝土,具有超高的力學(xué)性能。其不僅具有超高的抗壓強(qiáng)度,通過(guò)增加短纖維,還能使其擁有超高的抗折強(qiáng)度與韌性;此外,UHPC還具有超高的耐久性能,不存在凍融循環(huán)、堿-骨料反應(yīng)等問(wèn)題。與普通混凝土相比,UHPC在抗碳化、抗氯離子滲透等方面,有數(shù)倍或十?dāng)?shù)倍的提高,其結(jié)構(gòu)使用壽命即使在海洋環(huán)境中也可達(dá)到200年。此外,UHPC還具有優(yōu)異的環(huán)保性,屬于最低碳的水泥基材料,其水泥和膠凝材料利用率遠(yuǎn)高于其他水泥。憑借上述優(yōu)異性能,UHPC成為了近年來(lái)土木工程領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外橋梁、建筑工程等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。法國(guó)于2001年建成了世界上最早的UHPC公路橋—Bourg-les-Valence,德國(guó)于2007年建成了世界上首座UHPC-鋼組合橋梁G?rtnerplatz,此外,美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家也已將UHPC應(yīng)用于橋梁工程中[1]。國(guó)內(nèi)UHPC應(yīng)用起步較晚,2018年,丁沙等[2]將預(yù)制的UHPC頂板應(yīng)用于南京某人防工程中。2020年洞庭湖大橋采用UHPC對(duì)橋梁防水鋪裝層進(jìn)行施工[3],劉飛[4]研究了UHPC在橋梁加固工程中的應(yīng)用,得出了UHPC能使橋梁結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,可加快橋梁維修速度的結(jié)論。史華偉[5]將UHPC應(yīng)用于橋梁的全預(yù)制拼裝施工的連接結(jié)構(gòu)中。高珊[6]通過(guò)試驗(yàn),研究了高強(qiáng)高性能混凝土在建筑工程中的施工應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)摻入適量粉煤灰可以有效提高混凝土的抗?jié)B性能。目前國(guó)內(nèi)UHPC的應(yīng)用實(shí)例較少,多以預(yù)制為主且用量較少。丁沙等[2]在怒江二橋工程上采用了現(xiàn)澆UHPC澆筑橋梁的鋼混結(jié)合段來(lái)保證其受力要求,但在澆筑完成后并未采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù),導(dǎo)致UHPC強(qiáng)度并未完全發(fā)揮。

      綜上所述,在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)UHPC的大面積現(xiàn)澆,采取合理的養(yǎng)護(hù)工藝,將其優(yōu)異的力學(xué)性能與人防工程的高性能設(shè)計(jì)要求相結(jié)合,使其兼具優(yōu)異的使用性與經(jīng)濟(jì)性,不僅響應(yīng)了國(guó)家綠色設(shè)計(jì)、綠色生產(chǎn)的環(huán)保理念,而且對(duì)人防工程的優(yōu)質(zhì)發(fā)展與UHPC的推廣應(yīng)用具有重要意義。

      1 工程概況

      人防工程的設(shè)計(jì)要求與普通建筑工程不同,其設(shè)計(jì)荷載值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通建筑物的設(shè)計(jì)荷載值,若采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),將導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大,從而無(wú)法有效利用建筑空間。因此,有必要采用新材料或新的結(jié)構(gòu)形式來(lái)避免上述問(wèn)題。

      背景工程為某市大型地下人防工程,建筑總面積約為13.43萬(wàn) m2,共3層,地下1層層高5 m,地下2、3層層高均為3.6 m,結(jié)構(gòu)類(lèi)型為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

      框架-剪力墻結(jié)構(gòu)通過(guò)在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻,從而大大提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受水平力時(shí),剪力墻與框架共同承擔(dān)水平作用力,兩者相互約束,維持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。針對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在不同程度地震下的防護(hù)效果,存在如下描述[7]:

      1)在較小地震下,剪力墻起絕對(duì)主導(dǎo)作用,防止非承重構(gòu)件的損壞。

      2)在中等地震作用下,框架將承擔(dān)部分側(cè)向力,與剪力墻協(xié)同變形抵抗外力。

      3)在大震作用下,剛性較大的剪力墻受到?jīng)_擊開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段,結(jié)構(gòu)框架開(kāi)始發(fā)揮作用約束變形,保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,起到了第2道防線(xiàn)的作用。

      由此可以看出,盡管單純框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度與剪力墻結(jié)構(gòu)相比較小,但當(dāng)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)承受較大的側(cè)向力時(shí),框架部分對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定仍起著至關(guān)重要的作用。本工程根據(jù)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的特性,結(jié)合人防工程高設(shè)計(jì)荷載值的這一要求,擬對(duì)工程特定人防區(qū)域的梁、柱、板使用UHPC進(jìn)行澆筑,既能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載要求,減少構(gòu)件尺寸,有利于設(shè)計(jì)師對(duì)空間的靈活布置,提高空間利用率,又能節(jié)約材料鋼筋用量,降低了碳排放。

      2 UHPC性能分析

      2.1 材料性能

      UHPC包含2個(gè)方面“超高”:

      1)超高的力學(xué)性能。UHPC的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與彈性模量較普通混凝土高出了4~10倍不等,在相同的設(shè)計(jì)條件下,將大大減少水泥和鋼筋的用量,具有良好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效應(yīng)。

      2)超高的耐久性。UHPC內(nèi)部不存在融凍循環(huán),超高的抗?jié)B等級(jí)不僅能阻止環(huán)境中氯離子與硫酸鹽離子的滲透作用,保護(hù)構(gòu)件鋼筋,降低建筑完工后的維修風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)還具有良好的防水性能,條件允許時(shí)還可以免除結(jié)構(gòu)的防水施工,節(jié)約施工成本。UHPC與普通混凝土材料性能對(duì)比詳見(jiàn)表1。

      表1 UHPC與普通混凝土材料性能對(duì)比

      本工程所用UHPC為活性粉末混凝土RPC120,主要由核心料、石英砂、鋼纖維、水及高性能減水劑等組成。材料結(jié)合了超細(xì)粒致密材料設(shè)計(jì)理論與纖維增強(qiáng)技術(shù),是由超細(xì)活性粉末、水泥、高強(qiáng)細(xì)鋼纖維等組成,通過(guò)最優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì),經(jīng)高溫?zé)岷系忍囟üに囍苽涠傻膹?fù)合材料,具有超高強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度100~400 MPa)、高韌性、高耐久性、高體積穩(wěn)定性、高耐腐蝕性、纖薄輕質(zhì)、環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn),是一種最新型的UHPC材料,工程設(shè)計(jì)配合比為水泥∶核心料∶石英砂∶鋼纖維∶水∶外加劑=1∶0.601∶1.599∶0.236∶0.203∶0.010。

      2.2 構(gòu)件性能

      以本工程650 mm×650 mm截面矩形偏心受壓柱的抗剪性能為例,根據(jù)DBJ43/T 325—2017《活性粉末混凝結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,UHPC矩形、T形和箱形截面偏心受壓構(gòu)件,其斜截面受剪承載力計(jì)算公式如下:

      由式(1)可以看出,UHPC不僅本身具有良好的抗剪能力,摻入其中的鋼纖維也能夠大大提高構(gòu)件的抗剪承載能力。

      考慮GB 50038—2005《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》中動(dòng)荷載作用時(shí)材料強(qiáng)度的綜合調(diào)整系數(shù),本工程UHPC偏心受壓柱抗剪極限承載力Vfc=694.80 kN。相較于按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中使用C50普通混凝土,計(jì)算得到的抗剪極限承載力Vfc=467.65 kN,抗剪能力提高了49%,使結(jié)構(gòu)即便經(jīng)歷了高強(qiáng)水平作用力導(dǎo)致剪力墻進(jìn)入彈塑性階段,結(jié)構(gòu)框架仍有足夠的抗剪余量,從而起到第2道抗震防線(xiàn)的作用,使結(jié)構(gòu)的安全性能大大提高。

      3 現(xiàn)澆UHPC施工工藝

      3.1 施工準(zhǔn)備

      1)工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置標(biāo)養(yǎng)室、實(shí)驗(yàn)室,標(biāo)養(yǎng)試塊模具,坍落度桶、溫度計(jì)等計(jì)量器具,每6 h記錄1次溫濕度。

      2)澆筑混凝土段的模板、鋼筋、預(yù)埋件及管線(xiàn)等全部安裝完畢后,將模板內(nèi)的垃圾、泥土等及鋼筋上的油污清除干凈,模板內(nèi)不得有積水。墊好鋼筋墊塊、剔除墻柱根部松散混凝土及浮漿。

      3)做好后澆帶堵?lián)豕ぷ鳌Pr?yàn)?zāi)0?、鋼筋、保護(hù)層和預(yù)埋件等的尺寸、規(guī)格、數(shù)量和位置,對(duì)模板支撐體系的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、密封性以及模板垂直度進(jìn)行檢查。

      4)因UHPC流動(dòng)性大,在澆筑前必須對(duì)所有模板的接口處進(jìn)行耐候膠填縫處理,確保不外漏。

      5)除了必要的施工人員外,現(xiàn)場(chǎng)還需配備專(zhuān)業(yè)蒸養(yǎng)人員以及電焊工等。

      此外,遇到冬雨季施工,需要按計(jì)劃進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備好塑料布、保溫被。

      3.2 UHPC澆筑

      澆筑應(yīng)保證連續(xù)一次澆筑完成,不得出現(xiàn)冷縫,如必須間歇,應(yīng)在前一層混凝土初凝之前,將后一層混凝土澆筑完畢;分層澆筑時(shí)應(yīng)有專(zhuān)人進(jìn)行表面噴霧養(yǎng)護(hù),防止表面出現(xiàn)硬殼層。如果發(fā)現(xiàn)局部出現(xiàn)表面硬殼層時(shí),應(yīng)采用工具翻耙表面后再澆筑。澆筑采用前推法施工,避免覆蓋法施工。澆筑時(shí)出料管口混凝土下落的自由傾落高度不宜超過(guò)5 m。從低處開(kāi)始,沿長(zhǎng)邊方向自一端向另一端進(jìn)行澆筑。

      框架柱進(jìn)行澆筑時(shí),使用的UHPC坍落擴(kuò)展度必須達(dá)到650 mm及以上。因UHPC存在較大的浮力,放料時(shí)一定要控制用量,目測(cè)即將放至梁底時(shí)立即停止,等待10 min左右再放料。當(dāng)層高較高且柱配筋率較大時(shí),為確保澆筑密實(shí),必須在靠近柱的相鄰板面上留設(shè)施工洞口,使用溜槽將混凝土引入柱內(nèi)??蚣苤鶟仓戤吅?,須靜停48 h再澆筑梁板混凝土,蒸汽養(yǎng)護(hù)可以與梁板混凝土一并進(jìn)行。

      梁板進(jìn)行澆筑時(shí),使用的UHPC坍落度必須達(dá)到600 mm及以上,由一端向另一端一次澆筑完成。當(dāng)混凝土泵送到澆筑點(diǎn)時(shí),應(yīng)派人及時(shí)用鐵鍬或鋼耙將其分散,以免集中荷載造成頂模變形,混凝土下料點(diǎn)宜分散布置,間距控制不超過(guò)7 m,不得使用振搗棒鋪攤和振搗混凝土,混凝土上表面模板應(yīng)有抗UHPC浮力的措施。澆筑形狀復(fù)雜或封閉模板空間內(nèi)混凝土?xí)r,應(yīng)在模板上適當(dāng)部位設(shè)置排氣口和澆筑觀察口。

      澆筑完成后采用三次抹壓成形工藝,澆筑振搗成形后進(jìn)行第1次抹壓;混凝土收水并開(kāi)始初凝時(shí)(可以踩出腳印但不下陷為準(zhǔn)),用木抹子進(jìn)行第2次抹壓,確保鋼纖維等壓實(shí)不外露;混凝土初凝后終凝前,使用磨光機(jī)進(jìn)行第3次抹壓,封閉其吸水裂縫,最后達(dá)到收光的效果,對(duì)建筑的防水效果起到積極的作用。

      3.3 UHPC與普通混凝土的混澆處理

      UHPC與普通混凝土混澆,普通混凝土的收縮徐變較大,養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d,而UHPC蒸養(yǎng)后只需要72 h即可達(dá)到100%強(qiáng)度,所以澆筑時(shí)必須先澆筑普通混凝土,齡期達(dá)到后再澆筑UHPC,這樣才能有效避免混凝土的收縮拉裂。

      1)框架柱與剪力墻連接處做法:止水鋼板攔截在剪力墻與框架柱交接處往剪力墻處30~50 cm位置,先澆搗剪力墻普通混凝土,等達(dá)到齡期后再澆筑框架柱UHPC??蚣苤c剪力墻交接處處理做法如圖1所示。

      圖1 框架柱與剪力墻交接處處理做法

      2)UHPC與普通混凝土在斜板位置交接處做法:在斜板交接處用止水鋼板攔截,先澆筑普通混凝土,達(dá)到齡期后再澆筑UHPC,如圖2所示。

      圖2 斜板處UHPC與普通混凝土做法

      3.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

      養(yǎng)護(hù)過(guò)程分為靜停、升溫養(yǎng)護(hù)及自然養(yǎng)護(hù)3個(gè)階段。其中,靜停的環(huán)境溫度應(yīng)在10 ℃以上,相對(duì)濕度60%上,靜停時(shí)間不得短于6 h。

      由于UHPC的養(yǎng)護(hù)與普通混凝土不同,養(yǎng)護(hù)方式是否合理對(duì)于UHPC的性能發(fā)展有明顯影響。本工程使用UHPC膠凝材料用量高,水化速率快,水化熱高,文獻(xiàn)[2]對(duì)UHPC采用自然養(yǎng)護(hù)的方法,其混凝土強(qiáng)度較沸水養(yǎng)護(hù)降低了近20%。因此,本工程升溫養(yǎng)護(hù)采用蒸養(yǎng)工藝養(yǎng)護(hù),較高的蒸養(yǎng)溫度可以促進(jìn)膠凝材料的水化硬化過(guò)程,獲得較高的強(qiáng)度發(fā)展速率,使最終強(qiáng)度較高。使用自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)精確控制蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度,蒸汽養(yǎng)護(hù)的升溫速率不大于12 ℃/h,升溫至70 ℃后,保持恒溫(70 ℃±3.5 ℃)72 h,直至同條件養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值,再以不超過(guò)15 ℃/h的降溫速率降至構(gòu)件表面溫度與環(huán)境溫度之差不大于20 ℃。

      1)框架柱蒸養(yǎng),按照柱子的幾何尺寸,定制保溫帆布,澆筑完成后及時(shí)帶模板覆蓋蒸養(yǎng)72 h。采用全自動(dòng)溫度控制,每個(gè)柱子上安裝自動(dòng)溫度表,按規(guī)范要求控制降溫速率。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)柱網(wǎng)布置蒸汽管道至每個(gè)柱邊,定制雙層帶保溫帆布覆蓋??蚣苤ㄖ普麴B(yǎng)保溫設(shè)施如圖3所示。

      圖3 定制蒸養(yǎng)設(shè)施示意

      2)梁板蒸養(yǎng),通過(guò)定制伸縮架、雙層帶保溫帆布的專(zhuān)用保溫設(shè)施覆蓋樓板,留設(shè)高度0.3 m,內(nèi)設(shè)溫度控制系統(tǒng)及控制閥蒸養(yǎng)72 h。蒸養(yǎng)時(shí),板面上不能堆放任何物料,須在周邊拉設(shè)警戒線(xiàn),防止人員進(jìn)入。

      蒸養(yǎng)結(jié)束后可進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù),環(huán)境平均氣溫應(yīng)高于10 ℃,構(gòu)件表面應(yīng)保持濕潤(rùn)不少于7 d。當(dāng)環(huán)境平均氣溫低于10 ℃或最低氣溫低于5 ℃時(shí),應(yīng)采取保溫措施。

      3.5 試塊制作與檢測(cè)

      同一工作班、同一配比混凝土每100 m3為一取樣單位,每一取樣單位留置試塊3組:1組為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊、1組為同條件養(yǎng)護(hù)試塊、1組為備用試塊。

      對(duì)抗壓試塊的制作,依據(jù)GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》留置?;炷涟韬臀锍矶葢?yīng)滿(mǎn)足施工方案的要求。所有同條件試塊必須在下料口制作,在施工現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù),為防止同條件試塊意外破壞,應(yīng)制作鋼筋籠保護(hù)試塊,保證條件與實(shí)際混凝土條件相同,操作面附近必須準(zhǔn)備有振動(dòng)臺(tái)、模具等有關(guān)器具。

      UHPC試塊的養(yǎng)護(hù)不同于普通混凝土,必須與現(xiàn)場(chǎng)的蒸汽養(yǎng)護(hù)同步進(jìn)行,即拆模后將試塊放入蒸養(yǎng)棚,同條件養(yǎng)護(hù)。試塊在同條件蒸汽養(yǎng)護(hù)72 h后,送指定檢測(cè)結(jié)構(gòu)檢測(cè)其抗?jié)B與抗壓強(qiáng)度,在抗?jié)B檢測(cè)中,試塊在初始?jí)毫?.1 MPa的情況下,壓力每小時(shí)增加0.1 MPa,7 h后,試件的6個(gè)端面均未出現(xiàn)滲水情況。抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

      表2 試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試

      從表2可以看出,在同條件蒸汽養(yǎng)護(hù)情況下,試塊抗壓強(qiáng)度均高出設(shè)計(jì)強(qiáng)度10%左右。

      4 結(jié)語(yǔ)

      1)由于人防工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn),采用UHPC澆筑人防工程框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的框架部分,不僅能顯著提升結(jié)構(gòu)的豎向承載能力,還能顯著提升整體結(jié)構(gòu)的水平向抗剪能力,在人防工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。

      2)工程采用的UHPC大面積現(xiàn)澆蒸汽養(yǎng)護(hù)方法下,混凝土體現(xiàn)出了良好的抗壓與抗?jié)B性能,養(yǎng)護(hù)方法可行有效。

      3)本工程作為UHPC大面積現(xiàn)澆在全國(guó)的首次應(yīng)用,相關(guān)施工工藝與方法對(duì)于UHPC的推廣與應(yīng)用具有重要意義。

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