一种超高性能混凝土蜂窝结构复合井盖及其制作方法技术领域
本发明涉及一种超高性能混凝土（UHPC）蜂窝结构复合井盖，尤其是一种超高性能混凝土与混凝土复合的井盖。
背景技术
超高性能混凝土（UHPC）定义与发展历程
超高性能混凝土（Ultra-HighPerformanceConcrete，简称UHPC），因为一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土（Ultra-HighPerformanceFibreReinforcedConcrete，简称UHPFRC）。UHPC不同于传统的高强混凝土（HSC）和钢纤维混凝土（SFRC），也不是传统意义“高性能混凝土（HPC）”的高强化，而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料。1999年清华大学覃维祖教授等发表文章“一种超高性能混凝土－活性粉末混凝土”最早介绍了UHPC，至今在中国仍然较多地使用“活性粉末混凝土（简称RPC）”名称。RPC是法国一个公司的专利产品名称，宣传介绍较多而广为人知。1994年法国学者DeLarrard等将这类新材料称作UHPC，由于UHPC或UHPFRC名称没有商业色彩，且能更好表达这种水泥基材料或混凝土的优越性能，逐步被广泛接受和采用。
UHPC较有代表性的定义或需要具备的特性如下：是一种组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料；水胶比小于0.25，含有较高比例的微细短钢纤维增强材料；抗压强度不低于150MPa；具有受拉状态的韧性，开裂后仍保持抗拉强度不低于5MPa（法国要求7MPa）；内部具有不连通孔结构，有很高抵抗气、液体浸入的能力，与传统混凝土和高性能混凝土（HPC）相比，耐久性可大幅度提高。
UHPC属于现代先进材料，创新了水泥基材料（混凝土或砂浆）与纤维、钢材（钢筋或高强预应力钢筋）的复合模式，大幅度提高了纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率，使水泥基结构材料的全面性能发生了跨越式进步。使用UHPC可以建造轻质高强和高韧性的结构，彻底改变混凝土结构“肥梁胖柱”状态；其结构所拥有的耐久性和工作寿命，远远超越钢、铝、塑料等其它所有结构材料。
UHPC在上世纪七十年代末起源于丹麦，八、九十年代在欧洲进行了比较系统深入的研究，并开始在小型工程和制品上应用。进入本世纪，在欧美、日韩等许多国家均将UHPC作为新型、未来的或战略性工程材料进行研究与发展，法国和日本率先制定了设计指南。目前，UHPC的配制、生产、施工和预制技术已经趋于成熟，结构性能与设计规范正处于发展完善过程，工程结构与制品的应用不断取得新进展，定期举办国际UHPC／UHPFRC研讨会进行学术交流。
UHPC的制备与增强、增韧原理
上世纪七十年代初的一些试验研究证实，提高水泥净浆的密实度，可以有效提高强度。丹麦学者H.H.Bache教授发展的DSP（DensifiedSystemwithultra-fineParticles）理论，即：用充分分散的超细颗粒（硅灰）填充在水泥颗粒堆积体系的空隙中，实现颗粒堆积致密化。借助高效减水剂的分散作用，硅灰颗粒填充占据了水泥颗粒间的空隙即大量原本是水填充的空间，从而大幅度减小固体颗粒堆积的空隙率以及浆体的需水量，DSP体系可以使水胶比降低到0.10~0.20的超低水平。使用高强骨料，DSP基体混凝土的抗压强度可以达到280MPa，但脆性非常大；同时使用钢纤维增强增韧（即UHPC），抗压强度可达到400MPa（常温养护）。后来再进一步，法国使用高压成型和高温高压（压蒸）养护的活性粉末混凝土（RPC），最高抗压强度达到了800MPa。
高密实的DSP基体与钢纤维界面的密实度也非常高，界面粘结强度得以大幅度提高，使钢纤维在DSP基体中提高抗拉、抗弯、抗裂与增韧作用得到充分的发挥。
用DSP理论配制超高强度混凝土，是混凝土技术的一个重大突破。同时期出现的MDF水泥（MacroDefectFree，宏观无缺陷水泥，用聚合物填充水泥浆孔隙和裂缝），SIFCON（SlurryInfiltratedFibreConcrete，预填钢纤维灌注水泥细砂浆的混凝土），也可以获得很高的材料强度和韧性，但是前者需要辊压或挤压成型，后者难以使钢纤维形成三维堆积，在应用上受到很大制约，至今只能用于制作小型制品。DSP理论实现更高的密实度，只需要选择适宜优质原材料和进行配合比优化，不需要使用特殊的工艺方法，用传统搅拌设备和振动密实方法，就能生产与成型。因此，基于DSP理论配制的UHPC，较快地进入了实用阶段。
如今，已经能够配制自密实UHPC，预制产品与现场浇筑比较方便。虽然现在配制UHPC的技术途径和使用材料呈现多样化，但遵循的基本原则没有变，即颗粒组成与配合比要使密实度最大化。
UHPC的力学性能
单纯的超高抗压强度往往伴随着“超高脆性”，并不意味“超高性能”。UHPC的“超高力学性能”更主要体现在超高抗拉强度（单轴抗拉和弯曲抗拉强度）和高韧性，这依靠加入短纤维来实现。早期使用直径0.15~0.4mm、长度6~12mm的平直光圆钢纤维，可将UHPC的抗拉强度提高到30MPa，断裂能达到1,500~40,000N/m（钢纤维体积含量2%~12%），使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列（断裂能超过1,000J/m2划分为韧性材料）。现在，使用异形，特别是扭转形高强钢纤维，可以进一步提高UHPC的抗拉强度、变形能力、韧性或断裂能。此外，高强高模的聚乙烯醇（PVA）纤维也用于UHPC的增强与增韧；聚乙烯（PP）纤维用于提高UHPC的耐火能力。
UHPC的抗压与抗拉强度大幅度超越其它水泥基材料。在变形能力方面，UHPC可以在相对低的纤维含量水平实现拉伸“应变硬化”行为，即单轴受拉经历弹性阶段，出现多微裂缝，纤维抗拉作用启动；随后拉应力上升，进入非弹性的应变硬化阶段（类似钢材的“屈服”）；达到开裂后最大拉应力（抗拉强度），出现个别裂缝在局部扩展，之后拉应力下降，进入软化阶段。“应变硬化”是韧性材料的重要特征，体现短纤维增强增韧效率“质”的变化，目前只有ECC（高延性水泥基复合材料）和UHPC可以实现“应变硬化”。普通和高强纤维混凝土（FRC、HSFRC）开裂即软化，纤维强度未能有效发挥，故提高韧性的作用有限。钢纤维增强增韧的UHPC，再与高强钢筋或钢绞线复合应用制作的梁（CRC或HRUHPC梁），抗弯承载能力接近钢梁的水平且抗弯行为相似，可以实现更高的强度/质量比和刚度/质量比。结合预应力技术，UHPC还有更大潜力用于建造大跨度或轻质高强、高韧的结构，至今已经发展出多种桥梁结构。
UHPC的耐久性与可持续发展
UHPC最具吸引力的另一个性能是潜在的超高耐久性。从理论上和根据至今的试验研究结果，基本上可以确定：UHPC没有冻融循环、碱－骨料反应（AAR）和延迟钙矾石生成（DEF）破坏的问题；在无裂缝状态，UHPC的抗碳化、抗氯离子侵入、抗硫酸盐侵蚀、抗化学腐蚀、耐磨等耐久性能指标，与传统高强高性能混凝土（HSC/HPC）相比，有数量级或倍数的提高。但UHPC不耐硝酸氨腐蚀，因为钢纤维会较快锈蚀。
UHPC具有非常好的微裂缝自愈能力。由于水胶比非常低，UHPC拌和水量仅能供部分水泥水化，绝大多数水泥颗粒的内部处于没有水化状态。因此，水或水汽进入UHPC的裂缝，暴露在裂缝表面的水泥颗粒未水化部分就会“继续”水化；结合了外界水分的水化产物体积大于水泥孰料体积，多出来的体积能够填堵裂缝。试验和工程验证表明，UHPC的裂缝自愈不仅能够封闭微裂缝降低渗透性和保持良好耐久性，同时还起“胶结”裂缝作用，在一定程度上恢复混凝土因裂缝降低的力学性能。
UHPC的耐久性能中，表面钢纤维的锈蚀一直令人关注。靠近表面的钢纤维保护层很小，还可能露出表面，在潮湿或腐蚀性环境（氯盐、酸性等环境），表面钢纤维有较快发生锈蚀的危险性。目前10~15年的试验和实际工程观察表明，只要钢纤维不露出表面，UHPC密实的基体能够非常有效地保护钢纤维不锈蚀，露出表面钢纤维的锈蚀没有扩展到内部，仅限于表面，但会影响表面美观。因此，对于有装饰功能的UHPC结构，需要采取措施防止钢纤维暴露或使用不锈蚀纤维。
与钢结构相比，UHPC结构的优势在于高耐久性和几乎没有维护费用，并容易达到建筑防火要求。与传统的钢筋混凝土结构相比，UHPC结构寿命可成倍提高。根据理论分析、现有的暴露试验以及实际工程检验结果，预期UHPC结构寿命，在腐蚀性自然环境中（如海洋环境）可以超过200年以上；在非腐蚀环境（如城市建筑）可以达到1000年。相对保守的日本指南认为，在正常使用环境条件下，UHPC结构的设计工作寿命为100年。耐久性中的碳化、钢纤维与钢筋锈蚀、冻融循环、硫酸盐侵蚀和碱－骨料反应属于免检项目，但重化学腐蚀和耐火性能是需要检验的项目。
使用胶凝材料浓度指数bi（binderintensity）和碳浓度指数ci（CO2intensity）两个水泥应用的生态效率指标进行评定，UHPC属于最高效率使用胶凝材料或水泥的混凝土，同时也是最低碳的混凝土材料。通过具体工程结构的计算比较，可以量化分析UHPC的节材、节能和减排效果。例如，对比典型的钢梁－钢筋混凝土桥面板复合结构公路桥与UHPC门型梁的梁板一体公路桥（两个桥的材质与结构不同，长度、宽度和功能完全相同），定量分析表明：UHPC桥节材体积为24%，节材重量为35%；节能54%；减少直接排放CO2和全球变暖潜能GWP（当量CO2排放）分别达到59%和44%。
UHPC的应用
纵观国际上UHPC的研究、发展与应用，领先的国家各具特色，简介如下：丹麦的研究最有创新性，现在较多地应用在风电塔筒连接、轻巧美观的建筑结构上，如阳台、楼梯、幕墙、建筑保温体系等；法国的研究规模大、参与单位多，向世界展示出UHPC的价值，引领在多方面应用的发展，如桥梁、建筑结构和幕墙、结构连接、长寿命路面等，其中拉法基的Ductal?产品在世界范围推广应用；德国的研究从微观到宏观面面俱到，较快用于生产制造多种产品，如钻孔桩钻头（替代铸钢）、机床基座、建筑立柱等；美国和加拿大的研究比较专注于桥梁和相关实用技术，发展了多种UHPC公路桥梁和桥面板体系，UHPC已开始越来越多地用于桥面板连接和快速建桥或桥梁维修；瑞士的研究与应用在混凝土结构维修加固方面领先，用UHPC维修加固公路桥梁正在成为一种最佳方法而获得较多应用；日本将UHPC作为“21世纪工程材料”看待，开展较全面研究与应用实践，实现了在东京羽田机场新海上跑道大型工程的应用；韩国在桥梁方面研究和应用系统深入，在较短时间内形成比较完备的设计与生产施工应用技术文件（标准规范）；中国的应用主要是高速铁路的电缆沟盖板（RPC盖板）；等等。
UHPC的价值和潜力
从诞生到今天，UHPC已经经历了35年的发展。从最初Densit一个商业化产品，发展出现RPC、BSI、Ductal、CEMTEC、BCV等众多的产品系列。如今，UHPC已经褪去神秘面纱，正在发展成为容易配制生产和实际应用的新一代工程材料。UHPC应用研究方兴未艾，在至今的梁扳柱结构、薄壁薄壳结构、维修加固、功能或装饰构件等应用中，已经显示出坚固、耐久、美观、节材、低碳、低维护成本等优越性，彻底改变了混凝土结构或钢结构的面貌。UHPC的价值与潜力体现在：超高强度与韧性，可以建造以前不可能的或新型轻质高强结构；耐久性大幅度超越传统的工程结构材料，使UHPC结构具有超长工作寿命和低养护维修费用，获得比传统结构低的寿命周期成本（LCC，LifeCycleCost）；充分发挥UHPC的性能优势，在一些场合应用，有可能降低结构或工程的综合建造成本；应用UHPC建造的结构，具有显著的节材、节能和减排效果，有利于可持续发展。
迄今的研究应用表明，UHPC替代铸钢、铸铁和不锈钢生产制造高强、耐腐蚀的产品或结构，是最能有效利用UHPC性能和充分体现UHPC价值的应用领域之一。
现有技术的实现方案
检查井盖由井盖和井座构成，在道路上使用会频繁受到机动车辆碾压和冲击，因此检查井盖需要较高的结构强度和抗冲击性能；井盖破损或丢失，会严重危害行人、非机动和机动车辆的安全，因此需要井盖耐久和防盗。此外，井盖需要非常稳定地安置在井座上，防止人、车行走在井盖上时产生跳动和噪音。
检查井盖按规格尺寸划分为人孔（人要进入）和非人孔（无人进入）两种。非人孔规格尺寸不作规定，人孔规格尺寸按井座净开孔（CO，ClearOpening）分为600mm、700mm、800mm和900mm四类，其中最常用的检查井盖为CO=600mm。此外，标准还对井盖嵌入深度和侧缘的斜度、井座支撑面宽度等作出了规定，井盖设计需要满足相应要求。井盖形状最多为圆形，其它使用较多的为方形和矩形。
目前制作检查井盖使用的材料主要为铸铁（球墨铸铁和灰口铸铁）、钢纤维混凝土和聚合物基复合材料。也有考虑或发明用UHPC制作井盖的，查到的专利如下（这些专利均使用“活性粉末混凝土”即RPC名称）：
·CN2755183“活性粉末混凝土井盖”：该井盖由圆台、圆台外沿的环形带、圆台底部圆心部位与圆台外环形带之间设有一体成形的鱼腹式球冠体构成，位于圆台底部圆心部位的鱼腹式球冠体为井盖的最大厚度，并以曲面状逐渐向圆台外沿环形带作厚度递减状设置；井盖的鱼腹式球冠体内设有单层钢筋网骨架。
·CN202672190U“一种检查井盖”（实用新型，有效）：井盖包括钢边、箍筋、活性粉末混凝土结构。其特征在于：圆柱体钢边内交叉设有箍筋；钢边壳体内填充有活性粉末混凝土结构。
·CN203034488U“一种井盖”（实用新型，有效）：该井盖呈板状，由活性粉末混凝土制成，为减轻所述井盖的重量并保证强度，在其底面设有凸肋，还设置了贯通孔，以利于开启，在保证井盖强度的同时，能显著节约原材料，具有轻巧纤薄的结构特点。
上述三个实用新型专利均考虑和利用UHPC（RPC）的强度，但与本发明在设计思路上或材料使用的理念上均不相同，因此得到的井盖结构完全不同。本发明通过分析井盖最不利的静态和动态承载状态，按最充分发挥UHPC和钢筋强度、尽可能减少UHPC和钢筋材料用量的思路，设计了独特的井盖结构，与现有所有材质的井盖结构均不同。本发明的超高性能混凝土（UHPC）蜂窝结构与混凝土复合的井盖，不以轻质为目标，而是依靠井盖重量实现井盖安置的稳定性，但考虑了尽可能减少井盖的制作成本。
最早使用的检查井盖，采用木材制作井盖，由于木材体积稳定性差（湿涨干缩幅度大）且承载能力低、寿命短，现在已经不再使用。传统的检查井盖为铸铁材质，包括灰口铸铁和球墨铸铁。灰口铸铁强度较低、脆性较大，制作的检查井盖较笨重，使用量在逐渐减少。球墨铸铁强度和韧性均较高，可以制作出力学性能最好的检查井盖，被用于大多数C250和D400等级的检查井盖。铸铁类检查井盖所面临的主要问题是丢失，并因此常常引发严重交通事故。现在虽然采取多种措施防盗，如安装井盖防盗锁、防盗链、防盗铰或隐蔽式井盖等等，但均无法从根本上杜绝铸铁井盖丢失问题。
避免井盖被盗的另一个方法是使用回收价值不大的材料——钢纤维混凝土和聚合物基复合材料来制作井盖。虽然能有效防盗，但这两类材料制作的检查井盖，性能上的缺点也非常明显。钢纤维混凝土（SFRC）虽然韧性比普通混凝土有所提高，但仍然经不起碰撞、冲击，边角容易损坏；也有SFRC井盖在边缘设置钢箍来保护边角，但钢箍非常容易锈蚀，井盖同样劣化较快。聚合物基或树脂基复合材料，特别是玻璃钢（玻璃纤维增强树脂）类材料，可以达到非常高的抗拉、抗弯强度，制作出比较轻的检查井盖，但耐候或耐老化性能差，承载能力随聚合物或树脂的老化而衰减。由于存在这些缺点，这两类材料仅限于制作C250和以下等级的检查井盖。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高性能混凝土（UHPC）蜂窝结构与混凝土复合的井盖，该井盖不以轻质为目标，而是依靠井盖重量实现井盖安置的稳定性，但考虑了尽可能减少井盖的制作成本。本发明的另一目的是提供了该井盖的制作方法。
本发明的技术方案为：一种超高性能混凝土蜂窝结构复合井盖，该井盖由钢筋增强的超高性能混凝土蜂窝结构与混凝土圆台复合而成，混凝土圆台部分与钢筋增强超高性能混凝土蜂窝结构分别浇筑成型（分两次成型）。
超高性能混凝土蜂窝结构由边缘圆台环和下凹蜂窝结构构成，超高性能混凝土含钢纤维、聚合物纤维或矿物纤维增强增韧，并配置增强钢筋骨架。
混凝土圆台部分嵌合填充在超高性能混凝土蜂窝结构中，上表面与超高性能混凝土外缘圆台环顶面平行形成井盖上表面平面，下表面与超高性能混凝土蜂窝结构底面齐平。
超高性能混凝土蜂窝结构，其边缘圆台环可以是圆形，也可以是椭圆形、方形或矩形。
超高性能混凝土蜂窝结构，其下凹蜂窝结构可以由正交小梁构成，也可以由半径方向小梁与环型小梁构成。
超高性能混凝土蜂窝结构，其下凹蜂窝结构的小梁可以是折线下凹，也可以是曲线下凹。
一种超高性能混凝土蜂窝结构复合井盖制作方法，其步骤为：1）分别制作混凝土圆台部分与超高性能混凝土蜂窝结构的成型模具；2）钢筋加工、剪切与钢筋骨架焊制；3）拌制混凝土；4）成型井盖的混凝土圆台(第一次成型，也可第二次成型)；养护；脱模；继续湿养护至达到要求的抗压强度；5）拌制含纤维超高性能混凝土拌和物；6）模具中安放钢筋骨架和混凝土圆台，浇筑超高性能混凝土拌和物，成型超高性能混凝土蜂窝结构（第二次成型，也可第一次成型）；常温保湿养护至达到脱模强度；脱模；在80~100oC蒸汽或水中热养护；7）成品检验、堆放或出厂。
本发明的优点在于：本发明的UHPC蜂窝结构复合井盖，UHPC材料抗拉、抗裂强度、韧性与耐久性、钢筋抗拉强度和混凝土的抗压强度可以得到有效发挥和充分利用，取长补短，从而获得合理、全面性能优良的井盖。该复合井盖很好地解决了破损、耐久性等问题，全面性能显著优于钢纤维混凝土和聚合物基复合材料检查井盖。与铸铁检查井盖相比，生产制造UHPC蜂窝结构复合井盖，可有效地降低二氧化碳排放、能耗以及井盖的寿命周期成本，社会效益显著。本发明的UHPC蜂窝结构复合井盖，力学性能（承载能力/重量比和韧性）可以达到球墨铸铁检查井盖的水平，以及标准对C250、D400和E600等级的要求，耐久性、防盗、抗滑等特性则全面优于铸铁检查井盖，预期是全面性能最佳的检查井盖，市场前景广阔。
附图说明
图1为本发明一种超高性能混凝土蜂窝结构复合井盖的俯视、仰视和右视剖面示意图，其中蜂窝结构由正交小梁构成、小梁为折线下凹；
图2为本发明一种超高性能混凝土蜂窝结构复合井盖的混凝土圆台俯视、仰视和右视剖面示意图，其中蜂窝结构由正交小梁构成、小梁为折线下凹；
图3为本发明一种超高性能混凝土蜂窝结构复合井盖的UHPC部分俯视、仰视和右视剖面示意图，其中蜂窝结构由正交小梁构成、小梁为折线下凹；
图4为本发明一种超高性能混凝土蜂窝结构复合井盖俯视、仰视和右视剖面示意图，其中蜂窝结构由半径方向和环形小梁构成、小梁为曲线下凹。
图5为本发明的结构示意图。
图中：1-井盖混凝土圆台部分，11-混凝土圆台的凹槽（对应UHPC蜂窝结构小梁）；2-井盖UHPC部分，21-井盖边缘UHPC圆台环，22-正交、折线下凹UHPC小梁，23-环形和半径方向、曲线下凹UHPC小梁；3-钢筋。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
下列实施例考虑使用的材料：钢纤维增强增韧UHPC，单轴抗拉强度在20~30MPa范围；钢筋增强UHPC小梁的弯曲抗拉强度在150~300MPa范围；混凝土为C60强度等级。
实施例1
本实施例对应图1所示圆形井盖，UHPC蜂窝结构2的边缘圆台环21尺寸与配套使用的井座吻合，正交、折线下凹的小梁22构成蜂窝结构。
井盖制作先成型混凝土圆台1，即制作模型成型图2的混凝土圆台——由上圆台和下倒梯形圆台构成，倒梯形圆台有正方形或矩形沟槽11对应嵌合正交、折线UHPC小梁22。混凝土圆台1经过常温湿养护或蒸汽养护，混凝土抗压强度达到30MPa后脱模，完成混凝土圆台1预制。
钢筋加工、剪切、弯曲，按图3所示焊接形成钢筋骨架。
制作模型成型图3的UHPC部分2：在模型中安装先预制的混凝土圆台和钢筋骨架，浇筑UHPC拌和物，确保密实。
UHPC成型后，常温保湿养护至达到UHPC脱模强度（约30MPa），脱模，然后在80~100oC蒸汽或水中热养护，得到复合井盖成品。
实施例2
本实施例对应图4所示圆形井盖，UHPC蜂窝结构2的边缘圆台环21尺寸与配套使用的井座吻合，圆形与半径方向、曲线下凹的小梁23构成蜂窝结构。
钢筋加工、剪切、弯曲，按图4所示焊接形成钢筋骨架。
井盖制作先制作模型成型图4的UHPC部分2。成型后，常温保湿养护至达到脱模强度（30MPa），脱模，然后在80~100oC蒸汽或水中热养护，完成UHPC蜂窝结构2预制。
然后成型混凝土圆台部分1：用外模型和UHPC蜂窝结构组合成为成型图4混凝土圆台的模型，浇筑混凝土拌和物，振捣密实。
混凝土圆台部分1成型后，经过常温湿养护到混凝土抗压强度达到30MPa，或经过蒸汽养护后，脱模，混凝土到达60MPa，得到复合井盖成品。