UHPC装配式排水槽研发及工程应用

张广平

（保利长大工程有限公司，广东 广州 511431）

UHPC 在理论研究与工程应用方面都取得了长足的发展，其优异的力学性能和耐久性，在高层建筑、大跨桥梁、海洋工程、水利工程、核电工程和特种结构等领域获得应用。由于UHPC 与普通混凝土相比具有较高的强度和耐久性，因此在同等承载力的情况下可减少构件的尺寸，如2016 年长沙市建成了我国第一座全预制拼装UHPC 跨街天桥，主跨36.8 m，桥梁自重轻，承载力和耐久性大幅提高。

在高速公路养护领域，由于受设计线形、施工误差以及工后沉降等影响，高速公路可能存在局部路段排水纵坡、横坡不足或局部凹陷，导致在雨季路面局部排水不及时或长期积水现象，影响行车安全和路面耐久性。对路面局部积水，传统的处治方式多为设置排水盲沟、路面铣刨重铺或加铺调平等，往往处理费用较高，对行车干扰大，且完工后路面外观不一致。

为解上述问题，广东省南粤交通投资建设有限公司与保利长大工程有限公司联合创新发明了一种超高性能混凝土（UHPC）装配式Ω 型排水槽和相关施工工艺，通过排水槽将路面积水引流至路面之外，解决了由于路面排水不畅及积水导致的行车隐患，保障行车安全。

1 工艺原理与技术创新

1.1 工艺原理

在厂房内将超高性能混凝土原材料干拌形成干混料，组装好成型模具，将UHPC 干混料搅拌制成流态的混凝土，倒入模具内，放在振动台上振实后收面，待初凝时二次收面，硬化后脱模放入常温养护室内。经过养生完成UHPC 排水槽预制。现场经过封闭交通、开槽、清洁、铺设环氧砂浆、安装排水槽、固定、封缝等工序完成现场安装施工，短时间养生后开放交通。

1.2 技术创新

单件排水槽长度102.5cm（含接头），高度9.0cm，宽度14cm，排水槽体内设倒Ω 型排水通道，上部为倒梯形开口，

图1 UHPC 装配式Ω 型排水槽结构图

2 UHPC 装配式排水槽研发

2.1 原材料

UHPC 超高性能混凝土原材料由水泥、石英砂、石英粉、镀铜钢纤维、减水剂以及活性混合材料组成。

水泥：使用PO 42.5R 水泥，指标满足规范性能要求；石英砂：石英砂采用纯度较高的石英岩破碎而成，粒径范围0.3mm～1.1mm，二氧化硅含量＞99.5%；石英粉：由高纯度的石英砂磨细而成，细度325 目；镀铜钢纤维：规格分为两种，分别是长12 mm～14 mm、直径0.2 mm 和6 mm～8 mm、直径0.12 mm，钢纤维母材为汽车轮胎用钢帘线，抗拉强度＞2500 MPa，外表镀铜，防止生锈；减水剂：采用减水率较高的聚羧酸系减水剂，减水率＞35%；水：采用自来水。

2.2 试件制作及养护

采用集料工厂生产的干混料，干混料投入振动搅拌机，搅拌3 min～5 min，形成流态混凝土。出料进行坍落度、扩展度等工作性能测试，然后进行试件成型。

试件成型48h 后编号、拆模，再将拆模的试块放置到养护箱和覆盖保温帆布的蒸养模架中进行加热养护，加热养护工艺为升温至 80 ℃，升温速率不超过10 ℃/h，接着恒温（80±2）℃保持48 h 后再以10 ℃/h 的降温速率降至试件表面温度与环境温度之差不大于10 ℃的温度范围内。

2.3 性能检测

对标准试件进行基本力学性能、收缩性能、徐变、构件结构性能、耐久性能分别进行检验，主要检测数据和性能结论如下。

根据要求，共设计了9 组配合比，并进行基本力学性能测试，结果见表1。综合试验结果，选择试验7 的配合比作为项目目标配合比进行其他试验。

表1 UHPC 基本力学性能

选取第七组配合比进行蒸汽养护的干燥收缩测试，试验结果见表2。

表2 蒸汽养护下 UHPC 干燥收缩试验结果

UHPC 试件蒸汽养护后的干燥收缩变形与常温养护条件下的干燥收缩变形相比，标准养护条件下，UHPC 试件的干燥收缩率要明显大于蒸汽养护条件下的干燥收缩率，当龄期为56d时，收缩才趋于稳定，并且比蒸汽养护后干燥收缩率大，这说明蒸汽养护能够大大抑制 UHPC 的干燥收缩。

选取第七组配合比进行蒸汽养护的自收缩测试，试验结果见表3。

表3 蒸汽养护下 UHPC 自收缩试验结果

在蒸汽养护条件下，UHPC 自收缩在蒸汽养护期间已完成，后期几乎无自收缩。

UHPC 的受压徐变系数与龄期密切相关，随着龄期增加，其徐变系数不断增加。其特征是早期发展较快，后期发展缓慢，并在60 d 时逐渐趋于平缓。这是因为混凝土早期强度低，变形较快；但随着发展，强度提高，而且在较小荷载作用下内部结构紧密，缺陷减少，徐变变形缓慢。其中蒸汽养护的UHPC 由于早期强度很高，其早期徐变系数较标准养护低，且徐变系数更早趋于平缓。

研发制备的9 组UHPC 扩展度达到500 mm～650 mm，抗压强度大于140 MPa，抗折强度大于22 MPa，弹性模量大于40 MPa，工作性能与力学性能均满足设计要求。

力学性能试验结果：抗压强度超过150 MPa，抗折强度大于25 MPa，弹性模量达到44.6 GPa，蒸养后收缩几乎为零，体积稳定性良好，徐变系数小于0.2，均满足设计要求。

通过孔结构分析可以看出，UHPC 的主要孔径为10nm～50nm，远小于普通混凝土，内部水泥石结构致密。与标准养护相比，90℃蒸汽养护的UHPC 中值孔径、平均孔径和孔隙率均逐渐降低，混凝土孔隙结构进一步致密化。

UHPC 的具有优异的耐久性能，干湿循环与MgSO侵蚀耦合作用仅对UHPC 表层（＜2 mm）产生影响。且质量损失仅为1%左右，远低于普通混凝土。UHPC 具有较为致密的结构，有良好的抗干湿循环和硫酸盐侵蚀能力。

3 UHPC 装配式排水槽工艺

3.1 工艺流程

UHPC 装配式Ω 型排水槽主要工艺流程为UHPC 混合料拌制-Ω 型排水槽预制-路面现场安装-排水槽养生固化，如图2 所示。该工艺采用的主要材料包括UHPC 混合料、环氧树脂、机制砂以及膨胀螺栓等；施工设备主要包括UHPC 干混机、振动拌和机、排水槽模具、路面切割机、电镐、森林灭火器及鼓风机等。

图2 UHPC 装配式排水槽施工工艺流程

3.2 UHPC 混合料拌制

UHPC（超高性能混凝土）采用细集料（粒径≤4 mm）、水泥、高效减水剂、微细钢纤维（＞2500 MPa）、惰性填料以及粉煤灰、矿渣粉等活性粉末材料按一定比例制成干混料，按照一定比例加水搅拌成和易性较好的流态混凝土。使用振动搅拌工艺，可提高UHPC 和易性和生产效率。

3.3 排水槽预制

将UHPC 流态混凝土倒入排水槽模具内，放在振动台上振实后收面，待初凝时二次收面。混凝土硬化后脱模放入常温养护室内养生。拆除内部PVC 管，将成型的排水槽覆盖保湿养生7d。

成型的Ω 型排水槽除尺寸满足要求外，合格的排水槽所用UHPC 立方体抗压强度80 MPa 以上，小梁抗折强度14 MPa以上，且排水槽构件在荷载破坏后基本不变形。

3.4 路面现场安装

安装前先按照日常养护进行交通管制，封闭施工区域，视排水槽施工需求分车道进行封闭。现场施工时，为了不中断交通，一般先围闭一半车道，待半边施工及养生完毕，开放交通后转换至另外一半进行围闭施工。

在路面积水路段需要安装排水槽部位进行定位，根据预制件安装数量及尺寸设置放样画线范围，开槽宽度约16cm，使用弹线或记号笔在路面画出切割线。

使用切割机或其他机械设备对放线后的路面进行切割，使用电镐或风镐将沥青混凝土凿除，开槽深度10cm 左右。

现场拌制环氧砂浆，以人工能够搅拌状态为佳。在槽底铺设一层环氧砂浆，使用灰刀铺平密实。排水槽提前安装好提把手，待环氧砂浆铺平后安放至槽内，压紧，使排水槽顶面与原路面齐平，然后卸除提把手，安装延长对接排水槽。所有排水槽安放后，边侧缝隙使用环氧砂浆填充密实，排水槽安装技术标准见表4。

表4 排水槽安装质量技术要求

使用冲击电钻在安装好的排水槽预留孔处往槽底钻孔，植入膨胀螺栓，固定已安放排水槽。完成后，在孔内灌入环氧树脂，表面使用环氧砂浆将预留孔封堵。

施工完毕后，25℃条件下，自然养生3 h～4 h，待环氧砂浆完全固化即可转换半边交通围闭，开放已施工区域的半边交通，施工单向通道的另外一半。期间采取防雨措施。可使用乳化沥青涂装排水槽表面减少与沥青路面色差。

4 工程应用实例

4.1 云湛高速公路

为验证UHPC 装配式排水槽的适用性和可靠性，首批研发制造的UHPC 装配式排水槽，在广东云湛高速公路（阳化段）路面上进行验证性安装，以检验排水槽的排水性能和耐久性能。经过一年多高温、雨季行车的检验，排水槽实用效果良好，安装处原路面积水现象明显消失。排水槽槽体未发现开裂、崩角现象。

4.2 潮漳高速公路

在首批验证产品基础上，研发团队对产品进行改进升级，改进了外观，统一了外形尺寸，制定了安装技术标准，提高排水槽性能。项目团队在潮漳高速公路上进行了升级后的UHPC装配式Ω 型排水槽施工，在不中断交通的条件下，项目团队在路面快速开槽并安装排水槽，上午施工靠护栏的半边路面排水槽，下午施工靠中分带护栏的另半边路面排水槽，仅利用一天便完成了全幅路面的排水槽安装工作，施工速度和安装质量得到明显提升。经过洒水车放水测试和雨期检验，路面积水情况大幅度减少。

4.3 仁新高速

仁新高速公路于2017 年底建成通车，根据2018—2020 年的道路交通事故调查统计数据，大部分因路面积水发生的事故点均位于超高过渡段内，尤其是零度横坡附近。以受北行K740+930 横度零坡及前后段落路面雨水缓排影响为例，2020 年2—6 月发生了7 起交通事故，车辆涉水后发生漂滑失控，撞击护栏，引起高速交警部门和社会司乘人员的高度重视。

项目团队在仁新高速超高过渡段内进行了排水槽安装，根据2021 年的道路交通事故调查统计数据反馈，北行K740+930横度零坡附近在安装排水槽后2021 年雨季期间未发生一起交通事故，表明UHPC 装配式Ω 型排水槽作用明显，能有效减少沥青路面局部积水导致的交通事故问题。

5 结语

UHPC 装配式排水槽工艺通过工厂化预制和现场快速拼装，使路面积水处理的快捷、简单、成本低，避免了传统处理方式的周期长、成本高、施工难等问题。该工艺可广泛应用于各等级沥青和混凝土路面（含厂区道路、隧道路面等）局部积水处理，具有较高的推广价值；通过改进材料性能及施工器具，存在进一步提升质量、缩短工期的空间。

-全文完-