采用UHPC连接的装配式混凝土水池的试验研究及施工要点

马家欢 卢辰

1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

2.上海水业设计工程有限公司 200092

引言

近年来，装配式结构由于质量高、工期短、绿色环保等优势，得到了国家的大力支持。在民建，交通等领域进行了大量的应用并形成了相应技术标准［1-2］。但是，由于预制件接缝处防水质量难以控制，给排水构筑物结构领域预制装配式结构应用研究还比较少，缺乏相关的技术标准及规范来支撑预制装配式技术的应用。

上海某水处理厂深度处理改造工程中，某水池采用超高性能混凝土（UHPC）作为装配式结构的新型连接节点，成功解决了给排水构筑物预制拼装节点现浇段过长、防水性能难以保证的问题，表明了UHPC在预制装配式水池结构中具有广泛的应用价值。

1 工程概况

本工程建设内容为将上海某水厂现有4条总规模为100万m3／d的常规生产线进行深度处理改造，总工期约一年，内容复杂，工期紧张，根据总进度计划，位于厂区东北的一座水池需在15d内施工完毕并开始内部管道安装，否则将影响总平管线施工。若采用常规现浇混凝土结构形式无法满足工期要求。

超高性能混凝土（UHPC）强度高，粘结性能优异，防水防渗效果好［1，3］。相较于传统的连接技术，UHPC连接具有后浇带更窄，连接更可靠，布置更灵活等优势［4］。鉴于此，经过设计、施工各方共同研究研究，决定采用UHPC连接的装配式混凝土水池形式，缩短施工周期的同时确保工程质量。

2 设计方案

装配式水池采用敞口式设计，平面尺寸为20.35m×6.9m，池顶标高与地面标高平齐，埋深为3.9m。水池底板采用C30混凝土现浇而成，池壁根据平面布置拆分为18片预制墙体，共两种标准件，其中标准件1为实心墙板，标准件2中间预埋DN1200套管，用于总平管道安装。标准件1、2配筋均为：竖向筋HRB14＠100mm；水平筋HRB14＠150mm。底板与池壁、池壁之间均采用现浇UHPC接缝连接。预制构件与底板、预制构件之间的钢筋均采用搭接。根据相关文献［5］，UHPC现浇段长度应不小于10倍钢筋直径，本水池根据平面布置取200mm～300mm。水池平面布置图如图1所示。

图1 预制拼装水池结构平面布置图（单位：mm）Fig.1 Layout plan of the prefabricated pool（unit：mm）

预制件之间、预制件与底板的连接节点均采用榫卯式接口，并对榫卯外凸部分进行凿毛处理，如图2所示。榫卯式接口可为预制墙体和现浇段之间的刚度突变起到过渡作用。同时，经过凿毛处理的外凸榫卯可增加超高性能混凝土与预制墙体之间的接触面积，延长地下水侵入路径，提高装配式地下结构的防水性能。

图2 现浇UHPC连接节点详图（单位：mm）Fig.2 Detail design of cast-in-place UHPCjoint（unit：mm）

3 构件试验

埋地式水池池壁主要承受外土荷载、内水荷载等平面外水平力作用。在施工前，制作两组相同的预制拼装悬臂墙构件、一组整体现浇悬臂墙构件进行对比试验，测试预制装配式池壁在平面外水平荷载工况下的变形、破坏情况，评估采用UHPC连接的装配式混凝土水池结构性能。

3.1 试验方案

为方便叙述，将UHPC预制装配式构件编为试件A及试件B，整体现浇构件编为试件C。试件A、B、C底板均为现浇，底板浇筑时预留150mm上翻段作为预留施工缝。试件A、B中预制墙尺寸为1.0m×0.35m×2.0m（长×厚×高），混凝土强度等级为C30。预制件与底板上翻段采用现浇UHPC榫卯式接口连接，现浇高度为300mm。试件C直接在底板预留上翻段基础上现浇整片悬壁墙，混凝土强度为C30。试件A、B、C配筋均为：竖向筋HRB14＠100mm；水平筋HRB14＠150mm。试件A、B所用UHPC由厂家提供，在现场预留同条件养护试块进行材料性能试验，试验结果如表1所示。

表1 UHPC材料性能试验结果（平均值）Tab.1 Material performance test results of UHPC（mean value）

构件试验模型为单点悬臂加载的悬臂墙，通过千斤顶及分配梁在高度2.0m处施加法向荷载。试验通过与千斤顶相连的压力传感器读取荷载，并分别在0.4m、0.8m、1.2m、1.6m、2.0m处设置位移计测量墙体变形。试验件内部沿钢筋贴设应变光纤，可实时监测所有钢筋应变。试验加载采用分级加载的方式，每级加载值为20kN。每级加载待变形稳定后，读取位移数据，观测裂缝宽度，绘制裂缝发展曲线。试验现场详见图3，试件加载简图见图4。

图3 试验件加载现场Fig.3 Photo of loading site

图4 试验件加载布置图Fig.4 Layout of the test piece

3.2 试验结果

试件A加载至112kN时试件破坏，试件B加载至100kN时试件破坏，试件C加载至83kN时试件破坏，三试件破坏形态均为受拉区钢筋屈服。根据计算，整体现浇试件理论破坏荷载为81.9kN。试件C破坏荷载与整体现浇悬壁墙理论计算破坏荷载值接近，而试件A、B破坏荷载明显大于理论计算值。三试件在1.2m、2m处的荷载-位移曲线如图5、6所示。

图5 三试件1.2m高处荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement curve of the three test piece at the height of 1.2m

由图5、图6可知，在相同荷载值的情况下，试件C位移大于试件A、B，表明采用UHPC连接的悬臂墙截面等效刚度大于现浇试件。同时，采用UHPC之后，构件在破坏前的延展性更差，其原因为UHPC现浇段刚度远大于常规现浇段，导致UHPC现浇段挠曲角远小于常规现浇混凝土。在加载过程中，试件C第一条肉眼可见裂缝开展于底板上翻段附近，开裂荷载为57kN，随着荷载增加裂缝逐步向上开展。而试件A、B在UHPC现浇接口部位无裂缝开展，裂缝开展位置上移至预制C30墙板中，第一条裂缝肉眼可见时的分别荷载为82kN、78kN，承载力相应提高。试件A、B与试件C裂缝开展照片详见图7、图8。试验结果表明，UHPC节点承载力不低于整体现浇水池，可应用于实际工程中。根据试验结果，试件A、B开裂荷载及破坏荷载均大于常规现浇试验件C，证明UHPC节点承载力不低于整体现浇水池。因此，在保证现浇段满足钢筋锚固长度的条件下，设计中可按常规现浇水池的设计计算方法对采用UHPC现浇连接段的预制装配式水池进行设计计算。

图6 三试件2m高处荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curve of the three test piece at the height of 2m

图7 UHPC连接试件裂缝开展位置Fig.7 Crack development location of the UHPC joint test piece

图8 试件C裂缝开展位置Fig.8 Crack development location of the test piece C

4 施工要点

本工程中采用UHPC连接的装配式混凝土水池施工工艺主要为：现浇底板施工—预制构件吊装—预制构件固定—UHPC浇筑。其中，预制构件吊装、固定与UHPC浇筑为施工质量控制的关键工艺。

4.1 预制构件吊装、固定要点

在现浇底板浇筑完毕、养护至一定强度后，进行预制构件吊装施工。起吊前，需进行试吊，确认吊环与构件内钢筋有效焊接，确保有足够的拉力。起吊后，根据水准标高、控制轴线下放预制件。吊装就位后，采用靠尺、铅锤等进行垂直度的检测，如有偏差用可微调斜撑进行调整。预制件采用底部预埋螺杆支撑的方式固定在底板上，标高通过调整螺杆螺纹的方式进行调整。由于预制水池现浇段较高导致螺杆支撑也相对较长，需根据轴压构件整体稳定性计算确定螺杆型号，否则易发生螺杆失稳破坏。完成预制构件安装、固定后，再进行后续UHPC连接段浇筑施工。

由于UHPC具有“高流态”的特性，对预制壁板的安装精度有格外严格的要求，一旦相邻壁板出现错缝，UHPC就会从缝隙间流出，影响后浇段浇筑质量。因此，须采用专用可微调斜撑，逐步调整垂直度。在底板浇筑及预制构件制作前，将螺栓孔预埋在板件中。在预制构件吊装到位后专用可微调斜撑一端支座用螺栓固定于垂直构件的预埋螺母上，另一端支座用螺栓固定于地面，形成稳固的斜撑体系。在校正构件垂直度时，转动斜撑杆件通过两端的正反丝来调节斜撑的长度。通过调整各个预埋螺孔支撑点到底板的相对位置，最终将预制壁板调整到垂直面上。

4.2 UHPC浇筑要点

在预制构件吊装定位完毕后，对UHPC现浇位置封模，并进行UHPC浇筑。UHPC为现场拌制。由于UHPC中钢纤维含量较大，如果搅拌不均匀容易结块，导致钢纤维分布不均匀而影响UHPC的强度和性能。拌和时将UHPC干料投入搅拌机先干拌1 min，然后再加水、减水剂拌和，至UHPC具有良好的流动性和均匀度后，缓慢添加钢纤维保证搅拌均匀。本工程所用UHPC水灰比为0.16，骨料配合比为：细骨料∶减水剂∶钢纤维=1∶0.5%∶0.1。完全拌和均匀后的UHPC扩展度为650mm，易于施工且其强度和性能均有保证。

由于UHPC内含钢纤维，比重比普通混凝土更大，且具有“高流态”的特性，在施工中需采取以下措施防止UHPC在浇筑过程中漏浆：1）增设模板次楞，提高模板体系刚度，减小模板变形。2）立模前在模板边缘粘贴双面胶使模板紧密贴合。3）封模后用泡沫胶捻缝，进一步封堵漏浆通道。本工程采用上述措施后，UHPC漏浆率控制在1.31%，小于定额中大部分砼构件的损耗率1.5%，且浇筑质量良好，拆模后的UHPC现浇段详见图9，水池完工后的整体照片详见图10。

图10 完工后的装配式水池整体墙板Fig.10 Integral wall of the finished prefabricated pool

5 满水试验

满水试验是水池施工完成的最后工序，是检验水池结构施工质量的重要标准，依据《给水排水构筑物施工及验收规范》要求，池体结构完工后必须进行满水试验。

总平管道安装完成后，对水池进行注水，根据水池净高，注水按高度分为三级，每级注水1100mm。第1、2级注水后静置观察24h，第3级注水后静置观察48h。期间保持观测UHPC和普通混凝土之间的界面，无任何渗漏点出现，满足设计及规范要求。

6 结语

通过上海某水厂处理改造工程，设计了一座采用UHPC连接的装配式混凝土水池，并在十天内完成施工，满足了工期需求，并得出如下结论：

1.UHPC粘结强度高、接缝处防水性能良好，经构件试验、实际工程验证，可作为装配式水池的新型连接节点。

2.采用UHPC连接的装配式混凝土水池节点承载力不低于整体现浇水池，且施工周期短，具有推广价值。

3.相比普通混凝土，UHPC流动性更大，在预制装配施工中需严格控制预制件安装精度，并在浇筑过程中采取模板加固等措施减少UHPC漏浆率，提高施工质量。