預(yù)制UHPC 裝配式平臺(tái)排水溝設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊凱翔 YANG Kai-xiang

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，蘭州 730000；甘肅交設(shè)智遠(yuǎn)實(shí)業(yè)有限公司，蘭州 730000）

0 引言

排水結(jié)構(gòu)作為公路工程中的主要結(jié)構(gòu)物，主要作用是將路基范圍內(nèi)的所有水源引入到路基工程以外，以減少水流對(duì)路基和路面的危害，避免路面結(jié)構(gòu)對(duì)行車造成的危害。排水結(jié)構(gòu)在我國公路結(jié)構(gòu)中數(shù)量大、分布范圍廣等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量好壞將直接決定道路行車的安全性[1-2]。由于傳統(tǒng)預(yù)制普通混凝土排水溝和砌筑排水溝結(jié)構(gòu)存在自重大、施工不便和耐久性差等缺陷，采用現(xiàn)澆排水溝工序較為復(fù)雜，棱角多側(cè)壁薄，在現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)模板無法保證工程質(zhì)量，易造成排水溝側(cè)面粗糙、裂縫缺角、排水溝浪窩等問題，故現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)模板存在施工效率低，工程質(zhì)量差，工期長等[3-4]。同時(shí)，我國西北和東北地區(qū)存在多年凍土區(qū)，由于普通混凝土耐久性差，排水結(jié)構(gòu)損壞更加嚴(yán)重，使用周期壽命較短，后期需要投入大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行維修加固，為此，為解決上述問題為目標(biāo)，以UHPC 超高性能混凝土為原材料，該材料依據(jù)最大緊密堆積密度理論設(shè)計(jì)，并摻入鋼纖維提高抗拉強(qiáng)度，利用其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能作為底層邏輯，進(jìn)行新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成工業(yè)化生產(chǎn)流水線，解決排水結(jié)構(gòu)質(zhì)量差、效率低下等問題。

綜上所述，為改善傳統(tǒng)混凝土排水結(jié)構(gòu)自重大、施工安裝困難、接縫滲水等病害，引入最具創(chuàng)造性的水泥基工程材料——超高性能混凝土（UHPC），該材料具有超高的力學(xué)性能和耐久性能。提出一種輕質(zhì)、安全、美觀的預(yù)制UHPC 排水結(jié)構(gòu)。

1 傳統(tǒng)混凝土排水溝病害

1.1 混凝土板塊裂縫

傳統(tǒng)的U 型槽和梯型槽，施工時(shí)，在渠道基底鋪設(shè)土工布、10cm 砂漿墊層以及在混凝土預(yù)制槽之間砂漿填縫構(gòu)成。根據(jù)調(diào)查，以上兩種型式的預(yù)制構(gòu)件均表現(xiàn)出不同的破壞，如U 型槽易出現(xiàn)水平裂縫，導(dǎo)致部分?jǐn)嗝嫣沟门潘到y(tǒng)整體癱瘓；梯型槽由于混凝土耐久性差，易出現(xiàn)掉塊導(dǎo)致倒塌現(xiàn)象。

1.2 排水溝積水、導(dǎo)致滲水

由于渠道底部土體發(fā)生凍融破壞導(dǎo)致構(gòu)件不均勻沉降，產(chǎn)生的現(xiàn)象為混凝土槽上下錯(cuò)動(dòng)、鼓起，故溝槽接縫處發(fā)生開裂，使得排水溝縱向坡度發(fā)生變化，因此，出現(xiàn)雨水沿溝槽接縫處下滲或基底融沉較大處渠道內(nèi)部發(fā)生局部積水。

2 預(yù)制UHPC 排水溝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)排水溝通常包括砌筑排水溝和普通混凝土預(yù)制排水溝，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在施工難度大，邊緣處瀝青層攤鋪較困難，攤鋪不平整易出現(xiàn)積水，且蓋板平整度難以控制、預(yù)制結(jié)構(gòu)側(cè)面蜂窩麻面嚴(yán)重等問題[5]。

針對(duì)傳統(tǒng)混凝土排水溝存在的問題，依據(jù)實(shí)際工程，設(shè)計(jì)了一種無筋新型預(yù)制UHPC 排水溝，采用企口搭接的方式進(jìn)行連接，保證排水溝結(jié)構(gòu)外觀尺寸不變，利用UHPC 優(yōu)異的力學(xué)性能，將截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

通過有限元數(shù)值模擬（如圖1 所示）與荷載試驗(yàn)（如圖2 所示）相結(jié)合的方法，以結(jié)構(gòu)安全可靠、性能優(yōu)異為前提，以構(gòu)件方便施工安裝為目標(biāo)。擬定如圖3 所示的UHPC 平臺(tái)排水溝結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，側(cè)壁板厚由10cm 減小為2.5cm，底板壁厚由10cm 減小為2cm，企口縫長度由5cm 減小為1.5cm，構(gòu)件每延米重量由272kg 減小為66kg，一塊預(yù)制C25 混凝土排水溝質(zhì)量為68kg，一塊預(yù)制RPC 排水溝質(zhì)量為33kg。

圖1 UHPC 排水溝數(shù)值分析

圖3 UHPC 平臺(tái)排水溝

3 UHPC 排水溝結(jié)構(gòu)性能

3.1 原材料

UHPC 超高性能混凝土原材料由水泥、粉煤灰、礦粉、硅灰、石英砂、纖維、減水劑、水等材料組成。

水泥采用P O 42.5R 水泥，指標(biāo)滿足規(guī)范《GB 175-2007 通用硅酸鹽水泥》性能要求；石英砂采用純度較高的石英巖破碎而成，粒徑范圍0.3mm~1.1mm，二氧化硅含量＞99.5%；纖維長12mm~14mm、直徑0.2mm；減水劑：采用減水率較高的聚羧酸系減水劑，減水率＞35%；水：采用自來水。

3.2 試件制作及養(yǎng)護(hù)

3.2.1 試件制作

采用立軸行星式攪拌機(jī)先將干混料攪拌3min~5min，加入減水劑和水?dāng)嚢?min，后將纖維分散均勻的加入進(jìn)行攪拌，形成流態(tài)UHPC 混凝土，出料時(shí)對(duì)其工作性能進(jìn)行測(cè)試，合格后澆筑模具成型。

3.2.2 試件養(yǎng)護(hù)

試件成型后采用初期養(yǎng)護(hù)24h 后進(jìn)行編號(hào)、拆模，在將拆除的構(gòu)件置于蒸養(yǎng)室進(jìn)行高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，恒溫（60±2）℃、濕度90%保持72h。

3.3 性能測(cè)試

預(yù)制UHPC 排水溝構(gòu)件成型拆模后結(jié)構(gòu)外觀輪廓分明，表面外觀平整、色澤自然，無氣泡、裂縫、纖維外漏和水印等缺陷存在，預(yù)制構(gòu)件外觀質(zhì)量合格。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行工作性能、基本力學(xué)性能試驗(yàn)，主要檢測(cè)數(shù)據(jù)和性能結(jié)論如下。

3.3.1 工作性能測(cè)試（表1）

表1 UHPC 工作性能

3.3.2 力學(xué)性能測(cè)試

如表2 所示為材料和預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，由表可知，UHPC 抗壓強(qiáng)度已超過100MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通混凝土25MPa 的力學(xué)性能。其次，邊板頂最小變形值為1.2mm，邊板頂最大承載力1.4kN/m，預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)力學(xué)性能優(yōu)異。

表2 材料、結(jié)構(gòu)性能要求

4 UHPC 排水溝結(jié)構(gòu)生產(chǎn)及施工工藝

4.1 預(yù)制生產(chǎn)工藝

預(yù)制UHPC 排水溝具體生產(chǎn)工藝要點(diǎn)如下：

①模具。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，制作ABS 材質(zhì)模具，考慮到鋼制模具自重大脫模困難，預(yù)制構(gòu)件外觀存在氣泡，影響質(zhì)量，故選用聚氨酯塑料模具，確保模具精度準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)剛度大、可循環(huán)多次使用。

②模具清理。

在模具循環(huán)使用時(shí)，模具表面混凝土殘塊易造成構(gòu)件殘損破壞，應(yīng)及時(shí)采用刮刀對(duì)模具進(jìn)行清理，模具外表的水泥凈漿為堿性物質(zhì)，采用稀鹽酸溶液清理外表，而后采用清水對(duì)其表面進(jìn)行沖洗，為了使得模具外觀光潔靚麗，采用水皂液進(jìn)行清洗，便于模具的重復(fù)多次使用。

③UHPC 澆筑。

UHPC 設(shè)計(jì)強(qiáng)度為100MPa，UHPC 材料攪拌設(shè)備采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，材料在澆筑前應(yīng)確保工作性能滿足設(shè)計(jì)要求，避免由于工作性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而造成的外觀氣泡，力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)等，澆筑完成后采用附著式振動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行振搗，確保構(gòu)件均質(zhì)。

④預(yù)制UHPC 排水溝構(gòu)件養(yǎng)護(hù)。

預(yù)制構(gòu)件振搗后，采用塑料薄膜或土工布覆蓋，將預(yù)制構(gòu)件置于初養(yǎng)室（養(yǎng)護(hù)條件：溫度40℃、濕度70%）1d，待預(yù)制構(gòu)件UHPC 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%后進(jìn)行脫模，脫模后將構(gòu)件置于終養(yǎng)室（養(yǎng)護(hù)條件：溫度60℃、濕度90%）3d 待預(yù)制構(gòu)件強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

⑤構(gòu)件堆放與運(yùn)輸。

預(yù)制UHPC 排水溝構(gòu)件堆放場(chǎng)地應(yīng)平整，按照排水溝構(gòu)件型號(hào)分類堆放。構(gòu)件易采用3 層堆放和運(yùn)輸，為避免構(gòu)件掉角，在每一層接觸面上采用毛氈或塑料泡沫作為隔離層。

4.2 安裝施工注意事項(xiàng)

①基槽土方開挖。

將排水溝路基側(cè)土方壓實(shí)整平后，參照間距設(shè)定預(yù)制混凝土排水溝，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙測(cè)量放線，測(cè)量高程需要預(yù)留墊層高度5cm，基槽開挖寬度宜大于排水溝頂寬20cm，在開挖排水溝槽時(shí)，由于橫向開挖量少可采用人工開挖；縱向排水溝可采用小型挖掘機(jī)開挖。

②預(yù)制UHPC 排水溝安裝。

基槽成型后，在基槽底部均勻澆筑一層厚度5cm 的砂漿墊層；鋪筑排水溝應(yīng)從最低處沿逆水流方向鋪筑，鋪筑時(shí)注意將接縫處雜物清理干凈；排水溝接縫砂漿凝固后，在3d 后回填夯實(shí)兩側(cè)土方。構(gòu)件安裝過程中采用小型機(jī)械搬運(yùn)吊裝，為確保安裝的精確度，在安裝前現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量放樣；排水溝安裝完畢后對(duì)坡度、里程以及接縫等進(jìn)行檢查。

5 工程應(yīng)用實(shí)例

當(dāng)前，預(yù)制UHPC 排水溝已成功在G312 傅家窯至苦水公路3#標(biāo)段進(jìn)行了工程應(yīng)用，應(yīng)用量為1682m，如圖4所示。同時(shí)，UHPC 排水溝結(jié)構(gòu)已納入傅苦，慶陽244 改造，太華，清傅，豐馬等項(xiàng)目圖紙，該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對(duì)于打造百年品質(zhì)工程具有重要意義。

圖4 預(yù)制UHPC 排水溝在實(shí)際工程中的應(yīng)用

6 工程效果分析比較

預(yù)制UHPC 排水溝與普通混凝土預(yù)制排水溝、砌石排水溝等綜合比較如下。

6.1 節(jié)約工程投資

預(yù)制UHPC 排水溝其優(yōu)異的材料力學(xué)性能使得結(jié)構(gòu)斷面減小，施工中減小土方開挖量，同時(shí)，排水構(gòu)件采用流水線批量生產(chǎn)安裝，減小勞動(dòng)力的投入，采用預(yù)制C25 混凝土平臺(tái)排水溝綜合造價(jià)為189 元/m，砌石排水溝造價(jià)為364.8 元/m，預(yù)制UHPC 排水溝造價(jià)為186.9 元/m。平均來講可節(jié)約投資40%。

6.2 保證了工程質(zhì)量

根據(jù)以往實(shí)際工程情況，預(yù)制普通混凝土排水溝易出現(xiàn)物理破壞和化學(xué)侵蝕，如凍融、流水沖刷、碳化等破壞，砌石排水溝易發(fā)生模面沖刷脫皮等現(xiàn)象。而預(yù)制UHPC 排水溝采用工廠化流水線批量生產(chǎn)，嚴(yán)格按照UHPC 配合比，使用初期蒸養(yǎng)室+終期高溫蒸養(yǎng)室確保材料性能和結(jié)構(gòu)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其次，UHPC 材料優(yōu)異的耐久性能降低全周期壽命成本。

6.3 便于施工，縮短工期

預(yù)制排水結(jié)構(gòu)多使用于交通不便的山區(qū)溝壑地區(qū)，存在材料運(yùn)輸和澆筑困難，而采用傳統(tǒng)的砌石排水溝施工工期增加，工序繁瑣難度大；采用UHPC 預(yù)制構(gòu)件，結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量減小，便于運(yùn)輸與安裝，使得施工快捷簡便。同時(shí)，采用UHPC 預(yù)制排水溝結(jié)構(gòu)外觀新穎，具有美化作用。

7 結(jié)語

預(yù)制混凝土排水溝的應(yīng)用，通過引進(jìn)新材料和結(jié)構(gòu)形式的改變，解決了傳統(tǒng)現(xiàn)澆排水溝質(zhì)量難以控制的缺點(diǎn)，改善了現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境和工程進(jìn)度，提升了工程表觀質(zhì)量，節(jié)省了后期養(yǎng)護(hù)和管理成本，具有較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣泛。