超高性能混凝土(UHPC)現(xiàn)場(chǎng)施工控制要點(diǎn)

         摘 要：結(jié)合近幾年超高性能混凝土(UHPC)項(xiàng)目的前期試驗(yàn)研究成果和現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)要求，分析了UHPC施工配合比的影響因素，指出了UHPC施工質(zhì)量通病，并提出了相應(yīng)的防治措施，總結(jié)了UHPC低溫和高溫現(xiàn)場(chǎng)施工的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，并對(duì)UHPC現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法進(jìn)行了展望，可為UHPC現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

　　關(guān)鍵詞：超高性能混凝土;施工配合比;質(zhì)量通病;防治措施;施工控制要點(diǎn);現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

　　0 前言

　　超高性能混凝土(以下簡稱UHPC)是由水泥、礦物摻合料、外加劑、細(xì)骨料、纖維等以特定工藝混合而成的材料，具有抗壓強(qiáng)度高、耐久性能好等特點(diǎn)。隨著現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)不斷向超重載、超大跨、超高層、輕量化等方向發(fā)展，UHPC在我國的應(yīng)用越來越多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅UHPC在我國箱梁濕接縫施工中的用量就已超過5萬m3。

　　近年來，隨著UHPC配制技術(shù)不斷完善，越來越多的研究人員將關(guān)注點(diǎn)從UHPC的“配方”研制擴(kuò)展到其工程應(yīng)用效果上。為了更好地推廣UHPC在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用，筆者根據(jù)近幾年參與的UHPC相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)際工程情況(項(xiàng)目地點(diǎn)涵蓋新疆、山西、內(nèi)蒙古、上海、浙江、湖北、湖南、福建等地，工程類型包括預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)濕接縫、輕型鋼橋面攤鋪、水利大壩加固、軌道交通預(yù)制件、橋梁加固等)，分析UHPC施工配合比的影響因素，指出UHPC施工質(zhì)量通病并提出相應(yīng)的防治措施，介紹UHPC低、高溫施工要點(diǎn)，并對(duì)UHPC現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法進(jìn)行展望，以期為UHPC的現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

　　1 UHPC施工配合比的影響因素

　　自我國實(shí)行預(yù)拌混凝土管理政策以來，混凝土的供應(yīng)和質(zhì)量都得到了很好保證。UHPC作為近年來新興的一種混凝土材料，其價(jià)格比普通混凝土高很多，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用，目前主要用在混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部位、混凝土及鋼結(jié)構(gòu)加固等方面。因此，UHPC暫不具備作為預(yù)拌混凝土供應(yīng)的規(guī)模條件，大部分UHPC還處于現(xiàn)場(chǎng)攪拌、現(xiàn)場(chǎng)施工階段，這對(duì)UHPC施工配合比的設(shè)計(jì)要求較高。

　　UHPC的水膠比很低，在0.18左右，遠(yuǎn)低于普通混凝土0.40左右的水膠比，水對(duì)UHPC性能的影響不容忽視。高溫、大風(fēng)、干燥等環(huán)境因素均會(huì)加大現(xiàn)場(chǎng)UHPC拌合水的損失，故在現(xiàn)場(chǎng)配制UHPC時(shí)，必須采取相應(yīng)措施嚴(yán)格控制拌合水損失，保證澆筑入模前的配合比與試驗(yàn)配合比一致。

　　筆者根據(jù)多次現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際工程對(duì)UHPC擴(kuò)展度的要求一般≥700 mm，在試驗(yàn)室嚴(yán)格按照試驗(yàn)配合比可設(shè)計(jì)出擴(kuò)展度滿足要求的UHPC，但在施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，當(dāng)外部環(huán)境溫度為30 ℃、濕度為50%時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)UHPC的出機(jī)擴(kuò)展度<600 mm，若運(yùn)輸、澆筑不及時(shí)，UHPC的入模擴(kuò)展度可能低于550 mm，這說明拌合水損失對(duì)UHPC的施工性能影響很大。

　　筆者結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了影響UHPC拌合水的因素，包括溫度、濕度、風(fēng)速、天氣、原材料堆放時(shí)間、原材料溫度、攪拌機(jī)溫度、運(yùn)料方式、運(yùn)料時(shí)間、入模溫度、材料配比、原材料包裝袋防潮性能等。試驗(yàn)室和施工現(xiàn)場(chǎng)影響UHPC拌合水的因素見表1。

　　由表1可知，在試驗(yàn)室環(huán)境下，UHPC拌合水的影響因素基本可控，而在施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，這些因素變化較大。筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件在表1范圍內(nèi)時(shí)，可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和工程要求對(duì)UHPC施工配合比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，或者采取一定措施使施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件盡量接近試驗(yàn)室環(huán)境條件。但是，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件超出表1中的范圍時(shí)，不建議施工。

　　1.1 UHPC拌合水損失的預(yù)防措施

　　1.1.1 原材料溫度

　　高溫季節(jié)要注意防曬，低溫季節(jié)要注意保溫，使現(xiàn)場(chǎng)原材料溫度盡量接近試驗(yàn)室環(huán)境溫度。

　　1.1.2 攪拌機(jī)溫度

　　在攪拌過程中，UHPC中的骨料、纖維等會(huì)與攪拌機(jī)側(cè)壁發(fā)生摩擦，導(dǎo)致攪拌機(jī)溫度不斷升高。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，連續(xù)攪拌4 h的攪拌機(jī)溫度能升到60 ℃以上。攪拌機(jī)溫度升高會(huì)加速UHPC拌合物中的水分蒸發(fā)，從而影響UHPC的施工性能。以下為筆者根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)給出的降低攪拌機(jī)溫度的措施。

　　(1)對(duì)于1 m3攪拌機(jī)，每攪拌8盤或者每攪拌3 h左右(可根據(jù)攪拌機(jī)規(guī)格適當(dāng)增大或減小)測(cè)量一次攪拌機(jī)外壁溫度，若溫度超過50 ℃，倒入拌合水空攪一次給攪拌機(jī)內(nèi)部降溫。

　　(2)每盤攪拌時(shí)，用高壓水槍給攪拌機(jī)外部噴灑水霧降溫。

　　(3)條件允許時(shí)，盡量在室內(nèi)攪拌或者搭建遮陽棚，以避免陽光直射攪拌機(jī)。

　　1.1.3 運(yùn)料方式及運(yùn)料時(shí)間

　　采用泵送方式運(yùn)料時(shí)，UHPC拌合物經(jīng)過輸送泵加壓后，由于其與泵管側(cè)壁長距離摩擦，溫度會(huì)升高。采用敞開式運(yùn)料車或者料斗運(yùn)料時(shí)，運(yùn)料時(shí)間越長，水分損失越多。UHPC拌合物從出機(jī)到澆筑完成，建議時(shí)間盡量控制在30 min內(nèi)。針對(duì)不同的運(yùn)料方式，可采用以下措施減少UHPC拌合水損失。

　　(1)對(duì)于泵送，在泵管上蓋上濕潤的土工布，給泵管及內(nèi)部UHPC拌合物降溫。

　　(2)對(duì)于運(yùn)料車或者料斗送料，在UHPC拌合物表面覆膜可有效減少水分損失。

　　1.1.4 入模溫度

　　鋼模板會(huì)因?yàn)樘栔鄙涠鴮?dǎo)致溫度升高，當(dāng)環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，鋼模板表面溫度能升至50 ℃以上。因此，采用鋼模板時(shí)，在UHPC澆筑入模前，對(duì)鋼模板灑水降溫可減少因鋼模板溫度過高而引起的UHPC拌合水損失。另外，若采用木模板，建議用淺色木模板。

　　1.1.5 UHPC配合比

　　材料配合比主要影響UHPC的水化熱，這也是UHPC拌合物溫度升高的內(nèi)在原因之一。水化熱與膠凝材料的活性、摻量等有關(guān)，選擇低水化熱的膠凝材料，如低熱水泥和粉煤灰、礦粉等礦物摻合料，或者摻入適量能夠降低水化放熱速率、延緩水化放熱峰出現(xiàn)時(shí)間的外加劑，可以有效降低UHPC拌合物的出料溫度，減少水分損失。

　　1.1.6 原材料防潮及堆放時(shí)間

　　一般來說，原材料在現(xiàn)場(chǎng)露天堆放的時(shí)間越長，其質(zhì)量越差，例如，粉料受潮吸濕會(huì)影響其性能和UHPC施工配合比，外加劑對(duì)溫度的敏感性較高，長期存放容易導(dǎo)致其效用下降。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)堆放時(shí)間超過1個(gè)月的原材料，施工前應(yīng)進(jìn)行施工性能及相關(guān)力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試合格后方可使用。

　　綜上，筆者根據(jù)近年來的UHPC現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，給出了如表2所示的不同溫度、濕度環(huán)境下的UHPC拌合水損失量，可為類似環(huán)境下的UHPC現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

　　表2中的現(xiàn)場(chǎng)UHPC拌合水損失量是相對(duì)于試驗(yàn)室用水量而言的，同時(shí)也是現(xiàn)場(chǎng)配制UHPC需要額外加入的附加水量。值得注意的是，實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)UHPC拌合物狀態(tài)確定實(shí)際加水量，當(dāng)UHPC拌合物工作性滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)適時(shí)停止加水。另外，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度在40 ℃以上或者5 ℃以下時(shí)，不建議施工。

　　2 UHPC施工質(zhì)量通病及防治措施

　　2.1 常見質(zhì)量通病及原因

　　UHPC施工常見的質(zhì)量問題主要集中在界面處理、上道工序處理和攪拌三個(gè)方面，其中，上道工序處理主要出現(xiàn)在預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)中的UHPC濕接縫施工中。UHPC施工常見質(zhì)量通病及原因如表3所示。

　　2.2 防治措施

　　2.2.1 界面處理質(zhì)量通病的防治措施

　　2.2.1.1 UHPC表面微裂紋

　　UHPC的水膠比很低，表面容易失水引起干縮裂縫?，F(xiàn)場(chǎng)控制措施為：UHPC入模后及時(shí)噴灑水霧保濕，同時(shí)在30 min內(nèi)完成覆膜，根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣候確定合適的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。一般情況下，保濕養(yǎng)護(hù)不少于7 d，每天灑水次數(shù)不少于3次，保證UHPC表面處于濕潤狀態(tài)。

　　2.2.1.2 UHPC表面結(jié)皮

　　UHPC暴露在陽光下或者干燥的空氣中，其表面容易因失水而出現(xiàn)“假凝”現(xiàn)象，發(fā)生起皮，若及時(shí)處理不會(huì)影響UHPC表觀質(zhì)量。處理措施為：在UHPC澆筑過程中，用高壓水槍噴灑水霧進(jìn)行保濕處理，頻次根據(jù)UHPC表面濕潤程度確定，夏季一般10 min噴灑一次，且在澆筑完成后的15 min內(nèi)完成覆膜。

　　2.2.1.3 UHPC表面不平整

　　UHPC表面不平整的處理措施為：在UHPC終凝前(12 h內(nèi))加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡查，對(duì)輕微漏漿引起的表面塌陷或者鋼筋凸起痕跡明顯的位置，及時(shí)進(jìn)行收面處理，若情況較重，則進(jìn)行補(bǔ)漿處理。

　　2.2.2 UHPC濕接縫施工質(zhì)量通病的防治措施

　　2.2.2.1 UHPC與側(cè)壁界面裂縫

　　UHPC與側(cè)壁界面裂縫的處理措施為：施工前或者箱梁出廠前，對(duì)箱梁側(cè)壁進(jìn)行鑿毛處理并沖洗干凈，以保證新舊界面的黏結(jié)強(qiáng)度。接著，在UHPC澆筑前，對(duì)箱梁側(cè)壁澆水進(jìn)行充分濕潤，但需注意濕潤無明水。最后，采用企口式UHPC接縫形式，以增強(qiáng)接縫位置的機(jī)械咬合力。

　　2.2.2.2 漏漿

　　濕接縫模板采用吊模，漏漿主要原因是模板密封不到位。處理措施為：模板吊裝前采用密封條對(duì)接縫位置進(jìn)行密封，吊裝完成后及時(shí)檢測(cè)，并對(duì)縫隙采用泡沫膠進(jìn)行密封。在UHPC澆筑施工前，先灌水進(jìn)行模板密封性檢查，對(duì)漏水處及時(shí)進(jìn)行封堵。最后，在UHPC施工期間，木工跟蹤澆筑情況，發(fā)現(xiàn)漏漿及時(shí)進(jìn)行處理，否則在UHPC初凝后難以處理，影響工程質(zhì)量。

　　2.2.2.3 濕接縫兩側(cè)高差

　　UHPC濕接縫兩側(cè)箱梁的高差最大有10 cm以上。處理措施為：用方木封堵較低一側(cè)，保證濕接縫兩側(cè)澆筑面平整。

　　2.2.2.4 濕接縫內(nèi)鋼筋露出或者鋼筋保護(hù)層不夠

　　箱梁吊裝過程中，為防止鋼筋碰撞影響箱梁就位，往往將鋼筋彎起，在箱梁吊裝結(jié)束后卻忘記將彎起的鋼筋歸位。處理措施為：濕接縫澆筑之前檢查鋼筋情況，特別是兩側(cè)箱梁有高差的地方，將高出的鋼筋掰回原位。另外，設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用大間距、粗鋼筋的優(yōu)化形式，不僅可以降低箱梁裝配難度，而且可以降低現(xiàn)場(chǎng)UHPC澆筑難度。

　　2.2.3 攪拌質(zhì)量通病的防治措施

　　2.2.3.1 鋼纖維結(jié)團(tuán)

　　鋼纖維太細(xì)、太長或者摻量太大都會(huì)導(dǎo)致鋼纖維在攪拌過程中結(jié)團(tuán)。處理措施為：根據(jù)原材料性能要求選用合適的鋼纖維形狀和摻量。建議鋼纖維長度控制在8~20 mm之間，體積摻量控制在3.0%以內(nèi)。此外，筆者根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用立軸攪拌機(jī)攪拌對(duì)鋼纖維的分散性較好。

　　2.2.3.2 鋼纖維沉淀

　　鋼纖維沉淀的處理措施為：控制出料時(shí)間，待UHPC拌合物攪拌均勻且滿足擴(kuò)展度要求后，應(yīng)在15 min內(nèi)及時(shí)出料。

　　2.2.3.3 拌合物結(jié)團(tuán)

　　UHPC拌合物結(jié)團(tuán)的處理措施為：現(xiàn)場(chǎng)原材料堆放要做好防雨防潮，首選室內(nèi)堆放;室外堆放時(shí)應(yīng)選擇地勢(shì)較高處，先鋪設(shè)一層方木，然后在方木上鋪設(shè)一層雨布，在雨布上堆放原材料，并用厚雨布覆蓋嚴(yán)實(shí)，四周壓牢。同時(shí)，控制現(xiàn)場(chǎng)原材料堆放量，盡量當(dāng)天用完。另外，施工之前，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)存放超過一周的原材料進(jìn)行檢查，對(duì)有結(jié)塊的原材料進(jìn)行返廠處理。

　　3 UHPC低溫施工要點(diǎn)及措施

　　以烏魯木齊、呼和浩特地區(qū)為例，介紹UHPC低溫施工要點(diǎn)及措施。烏魯木齊、呼和浩特3~4月、10~11月份白天最高氣溫10 ℃，夜晚最低氣溫-10 ℃，施工時(shí)間宜選在白天高溫時(shí)段。施工關(guān)鍵點(diǎn)包括原材料選擇、施工保溫措施和養(yǎng)護(hù)保溫、保濕措施。

　　3.1 低溫施工時(shí)的原材料選擇

　　低溫施工時(shí)，宜選擇能夠適應(yīng)低溫施工的UHPC原材料。例如，水泥可選用高鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥等快凝、快硬型水泥，具體可根據(jù)工程所在地的資源情況選擇。另外，可摻入適量前期水化放熱較快的礦物摻合料，如硅灰、大比表面積的礦粉等，同時(shí)適當(dāng)減少粉煤灰、石粉等水化較慢或者火山灰效應(yīng)較低的摻合料。值得注意的是，如果溫度低于-10 ℃，需考慮加入適量的防凍劑。

　　3.2 施工保溫措施

　　施工前，對(duì)攪拌機(jī)及料斗進(jìn)行覆蓋保溫處理，攪拌機(jī)采用負(fù)35度柴油、負(fù)20度防凍液。拌合水采用電加熱或者現(xiàn)場(chǎng)加熱方式加熱到50 ℃，保證UHPC拌合物出機(jī)溫度不低于15 ℃，入模溫度不低于5 ℃。

　　3.3 養(yǎng)護(hù)保溫、保濕措施

　　UHPC澆筑完成后，立即覆膜保濕養(yǎng)護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)保溫措施優(yōu)先選用暖棚進(jìn)行保溫，保證UHPC澆筑環(huán)境溫度不低于10 ℃。無法搭設(shè)暖棚時(shí)，可采用內(nèi)置電熱絲、澆筑面外包電熱毯、模板外部噴涂泡沫聚氨酯等方式進(jìn)行保溫。保溫、保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)同條件試塊強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的時(shí)間來確定。

　　4 UHPC高溫施工要點(diǎn)及措施

　　以烏魯木齊、上海和寧波地區(qū)為例，介紹UHPC高溫施工要點(diǎn)及措施。烏魯木齊5~9月、上海和寧波7~8月的白天最高氣溫40 ℃，夜間氣溫比白天普遍低10~15 ℃。特別是2022年，我國大部分地區(qū)的夏季氣溫都很高，地表溫度最高達(dá)70 ℃，給UHPC施工帶來了很大困難。因此，在高溫環(huán)境下，應(yīng)避免在白天高溫時(shí)段施工，最好在夜間或者早、晚溫度較低的時(shí)段施工，而利用白天高溫進(jìn)行蒸養(yǎng)。施工關(guān)鍵點(diǎn)包括原材料選擇、施工降溫保濕措施和養(yǎng)護(hù)保濕措施。

　　4.1 高溫施工時(shí)的原材料選擇

　　水泥一般選用硅酸鹽水泥，大體積施工時(shí)選用中低熱水泥;礦物摻合料選用水化放熱緩慢的粉煤灰;另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可加入適量的緩凝劑。

　　4.2 施工降溫保濕措施

　　施工現(xiàn)場(chǎng)攪拌機(jī)最好置于室內(nèi)，或者搭建臨時(shí)遮陽棚，避免陽光直射。拌合水可加入冰塊降溫至5 ℃左右時(shí)再使用，保證UHPC拌合物出機(jī)溫度不高于15 ℃、入模溫度不高于25 ℃。UHPC澆筑時(shí)要保證澆筑位置的空氣濕度，覆膜保濕前可采用噴灑水霧方式保濕，或者在澆筑后及時(shí)噴灑混凝土養(yǎng)護(hù)劑以減少水分蒸發(fā)。

　　4.3 養(yǎng)護(hù)保濕措施

　　覆膜完成后，在UHPC終凝前，對(duì)其表面進(jìn)行覆蓋遮陽處理，避免陽光直射導(dǎo)致溫度過高而影響原材料水化。待UHPC終凝后可撤掉遮陽物，利用白天高溫進(jìn)行蒸養(yǎng)，但仍要進(jìn)行灑水濕養(yǎng)護(hù)，濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于3 d。

　　5 UHPC現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

　　目前，普通混凝土的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法有回彈法、超聲-回彈法、鉆芯法等， 而UHPC還沒有有效的現(xiàn)場(chǎng)直接檢測(cè)方法，一般采用測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)同條件試塊的性能來表征現(xiàn)場(chǎng)UHPC的性能，但該方法時(shí)效性較差，往往發(fā)現(xiàn)問題后現(xiàn)場(chǎng)UHPC已施工完成，難以處理。鑒于UHPC比普通混凝土更加致密均勻，傳統(tǒng)的超聲法或超聲-回彈法經(jīng)改進(jìn)后有望應(yīng)用于UHPC現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

　　6 結(jié)束語

　　(1)UHPC不同于普通混凝土，要保證其工程質(zhì)量，需要從原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工、后期檢測(cè)等方面綜合考慮，并根據(jù)施工環(huán)境合理調(diào)整施工措施。原材料選擇應(yīng)因地制宜，選用當(dāng)?shù)卦牧弦越档凸こ坛杀荆瑫r(shí)應(yīng)根據(jù)氣候環(huán)境合理調(diào)整UHPC施工配合比。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮UHPC與周邊接觸材料及結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，如UHPC和普通混凝土結(jié)合面、UHPC和防水材料及鋼材性能的匹配等。UHPC現(xiàn)場(chǎng)施工要及時(shí)、連續(xù)，施工后要及時(shí)采取合理措施養(yǎng)護(hù)，否則容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，這就需要配備專業(yè)的施工設(shè)備、有經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)伍、專業(yè)的技術(shù)指導(dǎo)人員等。對(duì)UHPC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要是考慮到UHPC施工完成后強(qiáng)度太高難以拆除，目前，UHPC施工要求“只許成功不許失敗”，所以亟需找到一種合適的UHPC現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法。

　　(2)UHPC現(xiàn)場(chǎng)問題的處理原則為早發(fā)現(xiàn)早處理、前期預(yù)防為主、后期處理為輔。施工準(zhǔn)備要充分、施工控制要嚴(yán)格細(xì)致、養(yǎng)護(hù)要及時(shí)有效，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法也要合適且及時(shí)有效。