周 業(yè) 王禮彬 鄒佳放 寧志強 顧靜飛

中建五局第三建設(shè)有限公司 湖南 長沙 410004

人防工程是一種有特殊防護要求的地下建筑，現(xiàn)代人防工程形成了既能滿足戰(zhàn)時防空需要，又能兼顧平時經(jīng)濟建設(shè)、人民生活的建筑特點。但人防工程特殊的防護要求，使其在采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，會存在以下問題：結(jié)構(gòu)尺寸大，基坑開挖深度大，凈空小，經(jīng)濟性差。如何采取新工藝，新方法解決上述問題，對人防工程的未來發(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度，通過增加短纖維，還能使其擁有超高的抗折強度與韌性；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高于其他水泥。憑借上述優(yōu)異性能，UHPC成為了近年來土木工程領(lǐng)域研究的一大熱點，在國內(nèi)外橋梁、建筑工程等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。法國于2001年建成了世界上最早的UHPC公路橋—Bourg-les-Valence，德國于2007年建成了世界上首座UHPC-鋼組合橋梁G?rtnerplatz，此外，美國、韓國等國家也已將UHPC應(yīng)用于橋梁工程中[1]。國內(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對橋梁防水鋪裝層進行施工[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]通過試驗，研究了高強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。目前國內(nèi)UHPC的應(yīng)用實例較少，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，導(dǎo)致UHPC強度并未完全發(fā)揮。

綜上所述，在實際工程中實現(xiàn)UHPC的大面積現(xiàn)澆，采取合理的養(yǎng)護工藝，將其優(yōu)異的力學(xué)性能與人防工程的高性能設(shè)計要求相結(jié)合，使其兼具優(yōu)異的使用性與經(jīng)濟性，不僅響應(yīng)了國家綠色設(shè)計、綠色生產(chǎn)的環(huán)保理念，而且對人防工程的優(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)計要求與普通建筑工程不同，其設(shè)計荷載值遠遠大于普通建筑物的設(shè)計荷載值，若采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)尺寸過大，從而無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)形式來避免上述問題。

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 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)類型為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)通過在框架結(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，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。針對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在不同程度地震下的防護效果，存在如下描述[7]：

1）在較小地震下，剪力墻起絕對主導(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)_擊開始進入彈塑性階段，結(jié)構(gòu)框架開始發(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，框架部分對結(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)計荷載值的這一要求，擬對工程特定人防區(qū)域的梁、柱、板使用UHPC進行澆筑，既能滿足結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載要求，減少構(gòu)件尺寸，有利于設(shè)計師對空間的靈活布置，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個方面“超高”：

1）超高的力學(xué)性能。UHPC的抗壓強度、抗拉強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)計條件下，將大大減少水泥和鋼筋的用量，具有良好的經(jīng)濟與環(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，保護構(gòu)件鋼筋，降低建筑完工后的維修風(fēng)險，同時還具有良好的防水性能，條件允許時還可以免除結(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比詳見表1。

表1 UHPC與普通混凝土材料性能對比

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)合了超細粒致密材料設(shè)計理論與纖維增強技術(shù)，是由超細活性粉末、水泥、高強細鋼纖維等組成，通過最優(yōu)化級配設(shè)計，經(jīng)高溫?zé)岷系忍囟üに囍苽涠傻膹?fù)合材料，具有超高強度（抗壓強度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，是一種最新型的UHPC材料，工程設(shè)計配合比為水泥∶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)計規(guī)范》中動荷載作用時材料強度的綜合調(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)計規(guī)范》中使用C50普通混凝土，計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)歷了高強水平作用力導(dǎo)致剪力墻進入彈塑性階段，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)場設(shè)置標(biāo)養(yǎng)室、實驗室，標(biāo)養(yǎng)試塊模具，坍落度桶、溫度計等計量器具，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?。校驗?zāi)０?、鋼筋、保護層和預(yù)埋件等的尺寸、規(guī)格、數(shù)量和位置，對模板支撐體系的強度、剛度、穩(wěn)定性、密封性以及模板垂直度進行檢查。

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

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

此外，遇到冬雨季施工，需要按計劃進場準(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；分層澆筑時應(yīng)有專人進行表面噴霧養(yǎng)護，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，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。澆筑時出料管口混凝土下落的自由傾落高度不宜超過5 m。從低處開始，沿長邊方向自一端向另一端進行澆筑。

框架柱進行澆筑時，使用的UHPC坍落擴展度必須達到650 mm及以上。因UHPC存在較大的浮力，放料時一定要控制用量，目測即將放至梁底時立即停止，等待10 min左右再放料。當(dāng)層高較高且柱配筋率較大時，為確保澆筑密實，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)。框架柱澆筑完畢后，須靜停48 h再澆筑梁板混凝土，蒸汽養(yǎng)護可以與梁板混凝土一并進行。

梁板進行澆筑時，使用的UHPC坍落度必須達到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時，應(yīng)派人及時用鐵鍬或鋼耙將其分散，以免集中荷載造成頂模變形，混凝土下料點宜分散布置，間距控制不超過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，澆筑振搗成形后進行第1次抹壓；混凝土收水并開始初凝時（可以踩出腳印但不下陷為準(zhǔn)），用木抹子進行第2次抹壓，確保鋼纖維等壓實不外露；混凝土初凝后終凝前，使用磨光機進行第3次抹壓，封閉其吸水裂縫，最后達到收光的效果，對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)護時間為28 d，而UHPC蒸養(yǎng)后只需要72 h即可達到100%強度，所以澆筑時必須先澆筑普通混凝土，齡期達到后再澆筑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

養(yǎng)護過程分為靜停、升溫養(yǎng)護及自然養(yǎng)護3個階段。其中，靜停的環(huán)境溫度應(yīng)在10 ℃以上，相對濕度60%上，靜停時間不得短于6 h。

由于UHPC的養(yǎng)護與普通混凝土不同，養(yǎng)護方式是否合理對于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[2]對UHPC采用自然養(yǎng)護的方法，其混凝土強度較沸水養(yǎng)護降低了近20%。因此，本工程升溫養(yǎng)護采用蒸養(yǎng)工藝養(yǎng)護，較高的蒸養(yǎng)溫度可以促進膠凝材料的水化硬化過程，獲得較高的強度發(fā)展速率，使最終強度較高。使用自動控制系統(tǒng)來精確控制蒸汽養(yǎng)護溫度，蒸汽養(yǎng)護的升溫速率不大于12 ℃/h，升溫至70 ℃后，保持恒溫（70 ℃±3.5 ℃）72 h，直至同條件養(yǎng)護試件的抗壓強度達到設(shè)計值，再以不超過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，澆筑完成后及時帶模板覆蓋蒸養(yǎng)72 h。采用全自動溫度控制，每個柱子上安裝自動溫度表，按規(guī)范要求控制降溫速率。根據(jù)現(xiàn)場柱網(wǎng)布置蒸汽管道至每個柱邊，定制雙層帶保溫帆布覆蓋。框架柱定制蒸養(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)，通過定制伸縮架、雙層帶保溫帆布的專用保溫設(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，板面上不能堆放任何物料，須在周邊拉設(shè)警戒線，防止人員進入。

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

3.5 試塊制作與檢測

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)護試塊、1組為同條件養(yǎng)護試塊、1組為備用試塊。

對抗壓試塊的制作，依據(jù)GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》留置。混凝土拌和物稠度應(yīng)滿足施工方案的要求。所有同條件試塊必須在下料口制作，在施工現(xiàn)場養(yǎng)護，為防止同條件試塊意外破壞，應(yīng)制作鋼筋籠保護試塊，保證條件與實際混凝土條件相同，操作面附近必須準(zhǔn)備有振動臺、模具等有關(guān)器具。

UHPC試塊的養(yǎng)護不同于普通混凝土，必須與現(xiàn)場的蒸汽養(yǎng)護同步進行，即拆模后將試塊放入蒸養(yǎng)棚，同條件養(yǎng)護。試塊在同條件蒸汽養(yǎng)護72 h后，送指定檢測結(jié)構(gòu)檢測其抗?jié)B與抗壓強度，在抗?jié)B檢測中，試塊在初始壓力為0.1 MPa的情況下，壓力每小時增加0.1 MPa，7 h后，試件的6個端面均未出現(xiàn)滲水情況?？箟簭姸葯z測結(jié)果見表2。

表2 試塊抗壓強度測試

從表2可以看出，在同條件蒸汽養(yǎng)護情況下，試塊抗壓強度均高出設(shè)計強度10%左右。

4 結(jié)語

1）由于人防工程的設(shè)計特點，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)護方法可行有效。

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