活性粉末混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁施工技術(shù)研究

王曉杰

（中鐵城建集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

0 引言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）是1994 年法國(guó)首先公布的一種新型的水泥基復(fù)合材料，主要由水泥、石英砂（粉）、鋼纖維、硅灰和高效減水劑等材料配制而成，具有超高強(qiáng)、高韌性和低滲透率等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。國(guó)外已修建30 多座RPC 橋梁，其中1/3 為公路橋梁，其結(jié)構(gòu)輕盈美觀。中國(guó)在遷曹鐵路灤柏干渠大橋工程中，采用RPC 制作多孔預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T 梁進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和行車監(jiān)測(cè)，其中1 孔（2 片）進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，5 孔（10 片）進(jìn)行了行車監(jiān)測(cè)，取得了良好的效果。目前中國(guó)RPC 大多應(yīng)用在鐵路上，如預(yù)制軌道板、蓋板等，公路上除運(yùn)用于現(xiàn)澆橋面鋪裝施工外，其他應(yīng)用實(shí)例罕見報(bào)道［1-3］。

本文通過研究活性粉末混凝土的配合比、運(yùn)輸和養(yǎng)生等施工技術(shù)，成功應(yīng)用于公路預(yù)應(yīng)力箱梁工程中，有效保證了活性粉末混凝土箱梁強(qiáng)度和質(zhì)量，也為相關(guān)工程應(yīng)用提供了借鑒。

1 工程概況

某高速公路天橋，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級(jí)，抗震標(biāo)準(zhǔn)為地震動(dòng)峰值加速度0.1g，橋下凈空不小于5.0 m，全寬8 m，橋面凈寬7 m，兩側(cè)設(shè)0.5 m 防撞護(hù)欄，斜交角度45°。其下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩，樁基礎(chǔ)采用直徑為150 cm 的混凝土樁，橋墩采用直徑為140 cm 的雙柱式橋墩；上部結(jié)構(gòu)采用30 m 活性粉末混凝土（RPC）預(yù)應(yīng)力小箱梁，共計(jì)12 片。

1.1 主要工藝流程

預(yù)應(yīng)力箱梁施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力箱梁施工工藝流程圖Figure 1 Construction process flow of prestressed box girder

由圖1 可以看出：RPC 箱梁預(yù)制施工的主要施工要點(diǎn)在于混凝土配合比、混凝土運(yùn)輸澆筑及蒸氣養(yǎng)生3 個(gè)方面，其余工序均較為常規(guī)，基本與普通預(yù)制箱梁施工無異。

1.2 原設(shè)計(jì)RPC130 混凝土配合比

（1） 水泥：采用強(qiáng)度等級(jí)為52.5 的硅酸鹽水泥。

（2） 細(xì)骨料：采用河砂，河砂可分粗粒徑砂（2.36～0.63 mm）、中粒徑砂（0.63～0.315 mm）和細(xì)粒徑砂（0.315～0.16 mm）3 個(gè)粒徑級(jí)別。各粒徑級(jí)河砂的超粒徑顆粒含量限值均≤15%。

（3） 硅灰：SiO2含量不小于90%，粒徑為0.1～0.2 μm。

（4） 減水劑：采用減水率不低于25%的聚羧酸高效減水劑［4-6］。

（5） 鋼纖維：采用高強(qiáng)度圓截面直纖維。

（6） 配合比：活性粉末混凝土立方體（100 mm×100 mm×100 mm）抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于130 MPa，棱柱體（100 mm×100 mm×300 mm）彈性模量不低于40 GPa，坍落度宜為140～180 mm，擴(kuò)展度宜為170～220 mm，含氣量宜為2%～4%?；钚苑勰┗炷僚浜媳热绫? 所示。

表1 活性粉末混凝土配合比Table 1 Mix ratio of reactive powder concrete kg/m3

1.3 工程重難點(diǎn)

活性粉末混凝土預(yù)制箱梁施工主要存在以下技術(shù)難題：

（1） 配合比問題。根據(jù)原設(shè)計(jì)配合比配制混凝土，發(fā)現(xiàn)水膠比較小，強(qiáng)度及工作性能均無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求且無法滿足施工所需要的工作性能，所以各組分材料用量對(duì)強(qiáng)度及工作性能的影響非常大，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整優(yōu)化合適的配合比尤為重要。

（2） 混凝土運(yùn)輸問題。RPC 混凝土特性黏稠，尤其是添加有鋼纖維［7］，其黏附力更強(qiáng)，如采用混凝土運(yùn)輸罐車進(jìn)行運(yùn)送，會(huì)因罐車自轉(zhuǎn)導(dǎo)致其罐體內(nèi)壁上黏附大量拌和物，造成材料浪費(fèi)，而且清洗的難度增大，故不宜采用。同理，如采用泵送方式進(jìn)行混凝土澆筑，會(huì)因黏聚力強(qiáng)，對(duì)管壁的摩擦力增大，同時(shí)也會(huì)造成大量空氣的滯留，泵送壓力增大，極易造成堵管、爆管。

（3） 成品養(yǎng)生問題。RPC 預(yù)應(yīng)力箱梁養(yǎng)生是保證強(qiáng)度的最關(guān)鍵工序，現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)生溫度和濕度的界定、自然養(yǎng)生與高溫養(yǎng)生的順序、全養(yǎng)護(hù)周期的確定以及養(yǎng)護(hù)設(shè)備的選擇均亟須解決。

2 活性粉末混凝土配合比優(yōu)化

（1） 水膠比對(duì)RPC 的流動(dòng)性影響很大，隨著水膠比增大，拌和物的流動(dòng)度也隨之增大，但其抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度隨著水膠比的增加而減?。?］。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，水膠比在0.14～0.16 區(qū)間變化時(shí)，拌和物流動(dòng)性能仍然很好（表2），經(jīng)過振搗能夠很快地充滿模具，并能排出氣泡，具有很好的密實(shí)度。

表2 水膠比對(duì)強(qiáng)度及流動(dòng)度影響Table 2 Influence of water-binder ratio on strength and fluidity

（2） 石英砂具有很高的硬度和優(yōu)良的界面性能，在活性粉末混凝土中充當(dāng)主要集料的功能，通過試配研究，在水膠比0.22 的情況下，試件抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到150 MPa 以上，但流動(dòng)度極差，且拌和時(shí)間超過10 min，無法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)［9］。為提高其工作性能，對(duì)其配合比進(jìn)行修改，改用粗砂1.18～4.78 mm、中砂0.6～2.36 mm、細(xì)砂0.3～1.18 mm 進(jìn)行試驗(yàn)，通過調(diào)整該項(xiàng)配比，不僅可達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度效果，并使得RPC具備良好的工作性能，并縮短了近3 min 的拌和時(shí)間（表3）。

表3 同等水膠比砂摻配比例對(duì)流動(dòng)度影響Table 3 Influence of sand mixing ratio with the same water-binder ratio on fluidity

（3） 目前對(duì)于RPC 混凝土用砂并無成熟的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過查閱文獻(xiàn)得出一般砂的粒徑范圍為0.15～0.6 mm，但試配發(fā)現(xiàn)選用該級(jí)配范圍的砂拌和出來的RPC 混凝土工作性能較差（表4）［10-11］。由表4 可知：初次選用的砂礫粒徑在0.15～0.6 mm 之間占總量的80%，無法形成連續(xù)的級(jí)配曲線。

表4 砂礫篩分結(jié)果Table 4 Results of gravel screening

參考《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）中粗砂的級(jí)配及區(qū)間范圍，并按照最大密實(shí)理論，選用不同規(guī)格的砂進(jìn)行摻配［12-13］，結(jié)果見表5。

表5 細(xì)集料堆積密度測(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of fine aggregate packing density

從上述堆積密度對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻配比例為3#砂∶2#砂∶1#砂=2∶5∶3 時(shí)，堆積密度最大， 摻配后的砂篩分結(jié)果亦列于表4。

從篩分結(jié)果可見：摻配合成后的砂細(xì)度模數(shù)3.18，級(jí)配完全符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）中的Ⅰ區(qū)要求，基本符合Ⅱ區(qū)砂要求，確定為較為合理的級(jí)配，進(jìn)行試配試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其混凝土擴(kuò)展度有明顯的改善，其擴(kuò)展度處于250～390 mm之間，確定采用該摻配合成砂。

（4） 對(duì)多種不同配方和用量的聚羧酸減水劑進(jìn)行試拌并檢測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)（表6），試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用醚類的配方2，摻量4%拌和的混凝土工作性最佳，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，因此決定采用醚類的配方2，摻量4%作為最終配合比方案候選。

表6 不同配方和用量的聚羧酸減水劑各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 6 Performance indexes of polycarboxylic acid superplasticizers with different formula and dosages

（5） 結(jié)合項(xiàng)目所處條件，本研究在保證水泥、硅灰用量比例不變且強(qiáng)度滿足要求的前提下，對(duì)其他組成成分進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，從而確定出各種材料對(duì)強(qiáng)度、工作性能的影響，使其工作性能達(dá)到最佳狀態(tài)。經(jīng)過多組試驗(yàn)比對(duì)，最終確定RPC130 混凝土配合比如表7 所示。

表7 最終確定的RPC130 混凝土百分比Table 7 Final RPC130 concrete mix kg/m3

3 活性粉末混凝土成品輸送技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出，每盤（1 m3）RPC 拌和時(shí)間為6～7 min，綜合考慮有效工作時(shí)間約1 h。如采用罐裝或泵送方式進(jìn)行混凝土澆筑，會(huì)因黏聚力強(qiáng)，容易影響混凝土澆筑性能，且極易出現(xiàn)材料黏附罐車或泵管內(nèi)，造成材料和成本浪費(fèi)。綜合比選，確定最佳的輸送方式為將RPC 混凝土直接采用料斗盛裝，車載料斗運(yùn)送至澆筑現(xiàn)場(chǎng)。

由于RPC 中不含粗骨料，流動(dòng)度為190 mm，極易在重力作用下隨出料口間隙中不間斷溢出，因此對(duì)于料斗的密封有著更為嚴(yán)格的要求，項(xiàng)目創(chuàng)新加工定做了一款料斗，可保證滴水不漏，專門用于RPC的盛裝運(yùn)輸，避免了普通料斗在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)大量混凝土溢漏，不便于清理，同時(shí)也造成資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。

4 活性粉末混凝土養(yǎng)生技術(shù)

4.1 養(yǎng)生方案確定

經(jīng)查中國(guó)已有活性粉末混凝土（RPC）養(yǎng)生試驗(yàn)研究，《活性粉末混凝土在石武客專鐵路工程蓋板生產(chǎn)中的應(yīng)用研究》等文獻(xiàn)［14］，主要采用專用高壓高溫蒸氧釜。而采用蒸養(yǎng)釜養(yǎng)生，設(shè)備需要根據(jù)梁體實(shí)際情況進(jìn)行專門定制，對(duì)于小型構(gòu)件相對(duì)適用，如應(yīng)用于大型箱梁，成本較高，不利于推廣。結(jié)合活性粉末混凝土特性，經(jīng)過比選，最終選用養(yǎng)生棚蒸氣養(yǎng)生，即在梁體周圍，用保溫材料搭設(shè)大棚，在棚內(nèi)設(shè)蒸氣排管，使棚內(nèi)溫度保持正溫，保證混凝土在正溫下達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。這種方式具有密封保溫效果好，拆卸組裝輕便，內(nèi)部熱量分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，且造價(jià)較低。

（1） 養(yǎng)生棚內(nèi)的保溫效果，與材料的透風(fēng)系數(shù)及傳熱系數(shù)有關(guān)，在材料的比選方面，《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》中對(duì)各種圍護(hù)層的傳熱系數(shù)有詳細(xì)說明，以“鋼板間填以聚苯乙烯板”為參考，選擇合適厚度的彩鋼板材。選用內(nèi)外層厚度為0.5 mm 的鋼板、內(nèi)部為7 cm 泡沫板的彩鋼板進(jìn)行養(yǎng)生棚設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)34 m×寬3.4 m×高2.7 m（圖2、3）。

圖2 蒸氣養(yǎng)生棚示意圖Figure 2 Schematic diagram of steam curing shed

圖3 養(yǎng)生棚組裝成型Figure 3 Assembly and forming of curing shed

（2） 經(jīng)計(jì)算在升溫階段耗能最高，需求蒸氣量為0.74 t/h。選定規(guī)格為1 t/h 的蒸氣鍋爐，額定壓力0.8 MPa，蒸氣溫度165 ℃，在升溫階段單位時(shí)間內(nèi)所需要的蒸氣量最大，蒸氣用量取740 kg/h，蒸氣的比容按照壓力為0.2 MPa 時(shí)，查飽和蒸氣參數(shù)表為0.908 8 m3/kg，蒸氣的流速查蒸氣容許流速表為35 m/s。參照《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》中蒸氣管徑計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，最終確定采用公稱直徑48 mm（壁厚3 mm）的對(duì)焊接鋼管作為蒸氣管道，管道上部按照每50 cm 均勻布孔，孔徑5 mm，噴射角度為豎向垂直噴射。

（3） 為了保證拼接接縫的嚴(yán)密，在接縫處外部覆蓋0.5 mm 鋼板，并在其內(nèi)部噴灌工程用泡沫密封膠，底部為3 層土工布疊放。

4.2 計(jì)算蒸氣需求量和耗煤量

在此種蒸氣養(yǎng)生環(huán)境下，暖棚在單位時(shí)間內(nèi)的耗熱量可建立計(jì)算模型，即截面尺寸為長(zhǎng)34 m×寬3.4 m，高2.7 m，采用空腔式彩鋼板通蒸氣加熱，彩鋼板的重量為2 493 kg，泡沫板的重量為400 kg，環(huán)境氣溫Ta=7 ℃，混凝土澆筑完畢時(shí)的溫度T0=20 ℃，升溫時(shí)間T1=6 h，達(dá)到90 ℃，保持恒溫T2=72 h。其熱工計(jì)算采用蒸氣熱模法進(jìn)行，計(jì)算蒸氣需求量和耗煤量如下。

（1） 蒸氣用量

式中：Q1為加熱混凝土所需熱量（kJ）；Q2為加熱模板和保溫層所需熱量（kJ）；Q3為養(yǎng)生棚周圍環(huán)境中散失的熱量（kJ）；Q4為蒸氣充滿自由空間的耗熱量（kJ）；Gz為所有蒸氣用量（kg）；β為損失系數(shù)，取1.5；蒸氣含熱量取2 500 kJ/kg。

（2） 耗煤量

式中：Gm為耗煤量（kg）；η1為管道效率系數(shù)，取0.8；η2為鍋爐效率系數(shù)，取0.6；R為煤發(fā)熱量，取29 306 kJ/kg。得到：

4.3 養(yǎng)生濕度控制

在養(yǎng)生過程中，濕度控制也非常重要。由于濕度是一個(gè)相對(duì)的概念，所以濕度控制較溫度控制更為困難。常規(guī)養(yǎng)生設(shè)定的是針對(duì)20 ℃條件下的相對(duì)濕度要求，由此決定兩個(gè)前提：① 溫度恒定的狀態(tài)（目前常規(guī)都是按照20 ℃）；② 相對(duì)濕度是空氣中實(shí)際所含水蒸氣密度和同溫度下飽和水蒸氣密度的百分比值。目前能采購(gòu)到的溫濕度計(jì)大都是基于20 ℃情況下進(jìn)行設(shè)定的，無法對(duì)90 ℃下飽和水蒸氣密度進(jìn)行測(cè)定，為保證活性粉末混凝土的養(yǎng)生質(zhì)量，采用目測(cè)法結(jié)合常規(guī)溫濕度計(jì)共同測(cè)量控制的方法。試驗(yàn)量測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：采用1 t 高壓鍋爐養(yǎng)生，養(yǎng)生體積約280 m3，可保證養(yǎng)生期間梁體濕潤(rùn)，儀表顯示濕度99%。

4.4 確定RPC 最佳養(yǎng)生周期

在確定最佳養(yǎng)生溫度、濕度后，進(jìn)行最佳養(yǎng)生周期的對(duì)比試驗(yàn)（表8）。

表8 養(yǎng)生周期對(duì)強(qiáng)度影響Table 8 Influence of curing period on intensity

從表8 可以看出：4 d 養(yǎng)生期可達(dá)抗壓強(qiáng)度最大值，5 d 養(yǎng)生周期后，強(qiáng)度有降低的趨勢(shì)。對(duì)其養(yǎng)生周期做更進(jìn)一步的試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基本規(guī)律是3～4 d 可使RPC 強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨后會(huì)呈現(xiàn)強(qiáng)度略降1～2 MPa，超過5 d，養(yǎng)生周期對(duì)強(qiáng)度變化無影響。

5 結(jié)論

（1） 通過試驗(yàn)優(yōu)化RPC 的水膠比、骨料粒徑、外加劑等材料用量，確定符合需求的最佳RPC130 混凝土配合比。調(diào)整后RPC 強(qiáng)度1 d 可達(dá)到40 MPa，3 d強(qiáng)度達(dá)到130～160 MPa，彈性模量達(dá)到40 GPa 以上，有效保證了設(shè)計(jì)強(qiáng)度和施工質(zhì)量，同時(shí)提高了施工效率，降低了施工成本。

（2） 針對(duì)RPC 的特性，通過改變傳統(tǒng)運(yùn)輸工藝及改進(jìn)料斗設(shè)計(jì)，由拌和站直接放料至料斗內(nèi)，運(yùn)至梁場(chǎng)澆筑，解決了材料黏度大、泵送困難、罐車卸料困難的難題，并有效縮短了至少20%澆筑時(shí)間，保證了施工現(xiàn)場(chǎng)RPC 的初凝質(zhì)量。

（3） 通過對(duì)比，選定蒸氣養(yǎng)生棚養(yǎng)生技術(shù)和養(yǎng)生設(shè)備，創(chuàng)新性地制定了相應(yīng)的養(yǎng)生方案，確定了RPC養(yǎng)生的蒸氣需求量、耗煤量及最佳養(yǎng)生周期，保證了熱力系統(tǒng)的供應(yīng)，從而達(dá)到持溫養(yǎng)生的效果，有效保證了RPC 的終凝質(zhì)量和強(qiáng)度。