隧道混凝土配比實(shí)驗(yàn)研究

何松晟，高 瑋，汪 磊

(武漢工業(yè)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430023)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展及西部地區(qū)的大建設(shè)的進(jìn)一步落實(shí)，使得交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到迅速發(fā)展，混凝土作為隧道工程中最重要的材料之一更是大量的使用，而混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題對于工程的正常使用和服務(wù)壽命意義重大，而這很大程度上依賴于混凝土配比設(shè)計［1］的合理性，好的配比不僅節(jié)約材料，提高混凝土強(qiáng)度，達(dá)到高強(qiáng)［2］、高耐久性、綠色混凝土等要求，而且具有很強(qiáng)的社會經(jīng)濟(jì)意義。

1 混凝土材料的基本組分

水泥：42.5普通硅酸鹽水泥，水泥熟料的組成部分主要是由50%—75%的C3S(3CaO·SiO2)、10%—20%的β-C2S2(2CaO·SiO2)、5%—10%的C3A(3CaO·Al2O3)和10%C4AF(4CaO·Al2O3·F2O3)等礦物組成。因水泥熟料的生產(chǎn)是在部分熔融的狀態(tài)下進(jìn)行的，熟料中各礦物的形成溫度差別較大，因此，水泥熟料中，除了C3S、β-C2S具有較好的晶形外，C3A、C4AF及其它物相多以微晶或玻璃相形式產(chǎn)出。

粉煤灰：粉煤灰是具有一定活性的火山灰質(zhì)材料，其主要組成是二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鈣。粉煤灰的礦物組成主要是鋁硅玻璃體、石英(SiO2)和莫來石(Al6Si2O13)等結(jié)晶礦物。粉煤灰顆粒細(xì)小，球形玻璃體多，表面光滑，能充填于鈣礬石或水泥顆粒之間，增加致密性。新型膠凝材料中摻入一定量的粉煤灰可以增加漿體的流動性，具有一定的減水效果。大摻量粉煤灰能大大降低水泥用量，使后期強(qiáng)度得到提高［3］。

石子：因泵送設(shè)備的要求，最大粒徑≤6 mm;含水率小于1%，石粉含量小于5%，石子篩分析如表1所示。

表1 石子篩分析

砂：為當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的中砂，含水率小于3%，砂子篩分析如表2所示。

表2 砂子篩分析

外加劑：多功能復(fù)合外加劑，塑化、調(diào)凝、早強(qiáng)、保水、引氣等功能［4］。

速凝劑(SN)：其主要的速凝成分為鋁氧熟料，碳酸鈉以及生石灰。這種SN生產(chǎn)方法是將鋁礬土礦，純堿，石灰石按一定的比例配成生料。將生料在1300℃左右的高溫下煅燒。煅燒熟料的有效成分主要是偏鋁酸鈉。熟料再加一定量的石膏，生石灰等輔料經(jīng)球磨機(jī)研磨后則制成SN。為保證足夠快的速凝時間，一般要求SN達(dá)到一定的細(xì)度要求。這種SN含堿量較高，混凝土的后期強(qiáng)度降低較大，但加入無水石膏可以在一定程度上降低堿度并提高后期強(qiáng)度。

早強(qiáng)劑：結(jié)晶硫酸鈉工業(yè)品(Na2SO4·10H2O)亦稱芒硝，干燥環(huán)境下易失水風(fēng)化，失水為無水硫酸鈉Na2SO4，工業(yè)品稱元明粉，其早強(qiáng)效果以Na2SO4·10H2O為最佳。硫酸鈉的早強(qiáng)作用是由于硫酸鈉加入水泥中，可與Ca(OH)2反應(yīng)生成分散度極高的CaSO4·2H2O。生成的硫酸鈣比生產(chǎn)水泥時加入的石膏的比表面積大很多，所以可以和水泥中的鋁酸鈣迅速反應(yīng)生成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3 CaSO4·31 H2O)，體積膨脹，使水泥石致密，從而提高早期強(qiáng)度［5］。另一方面由于Ca(OH)2被消耗，又加速了C3S，C2S水化反應(yīng)，也有助于混凝土早期強(qiáng)度的提高。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計

2.1 因素水平確定

本實(shí)驗(yàn)的目的是找出各組分不同配比和外加劑對混凝土強(qiáng)度影響的規(guī)律，同時滿足混凝土早期強(qiáng)度高的要求。因此，確定試驗(yàn)考核指標(biāo)為強(qiáng)度和坍落度，選擇1d，3d，7d的抗壓強(qiáng)度作對比標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案確定

在保持其外加劑組分及含量不變的情況下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定混凝土材料的基本配合比。通過對材料基本性能(流動性及強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律)的測定來調(diào)整其水灰比、水膠比、用水量等因素，不斷優(yōu)化混凝土的配比，具體方案如下。

水泥：42.5普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰：二級粉煤灰。

石子：粒徑≤6 mm，含水率小于1%，石粉含量小于5%。

砂：中砂，含水率小于3%。

外加劑：速凝劑，早強(qiáng)劑。

各組成成分按重量比范圍為：水泥為10%—20%、粉煤灰為7%—40%、石子為15%—40%、砂為15%—25%、水為10%—30%;復(fù)合外加劑有效成分的摻量按重量百分比為水泥和粉煤灰總量的0.5%—2.0%。確定上述內(nèi)容后進(jìn)行下面的試驗(yàn)，測試不同配合比混凝土的基本性能。

具體試驗(yàn)中各成分和性能的代號表示如下。C：水泥的體積重量;F：粉煤灰的體積重量;G：石子的體積重量;S：砂子的體積重量;W：用水量重量百分比;A：早強(qiáng)劑體積百分比;N：速凝劑體積百分比;T：坍落度;P1：1d 的強(qiáng)度;P3：3d 的強(qiáng)度;P7：7d 的強(qiáng)度。

外加劑影響實(shí)驗(yàn)方案和混凝土配合比試驗(yàn)方案分別如表3和表4所示。

表3 外加劑影響試驗(yàn)方案

表4 混凝土配合比試驗(yàn)方案 /kg·m-3

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照上表實(shí)驗(yàn)方案，在相同條件下，對不同配比的混凝土進(jìn)行成型，以塌落度大小對拌合物進(jìn)行工作性檢測，驗(yàn)試件成型采用100 mm×100 mm×100 mm試模，澆筑一天后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測定其1 d，3 d及7d的抗壓強(qiáng)度，具體結(jié)果如表5、圖1和表6、圖2所示。

表5 外加劑影響試驗(yàn)結(jié)果

圖1 外加劑與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系

表6 混凝土配合比結(jié)果

圖2 混凝土材料配合比與強(qiáng)度的關(guān)系

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)和圖1可以得出在材料基本組分不變的情況下，外加劑的加入使其在流動性及強(qiáng)度的發(fā)展上有著明顯增強(qiáng)。速凝劑的效果：混凝土中摻入速凝劑后，不減少拌和用水量，其坍落度從21.5cm上升到24 cm。早強(qiáng)劑的效果：加速混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展。由圖1知，第一組和加入速凝劑的第二組以及加入速凝劑、早強(qiáng)劑的第三組對比來看，1d 強(qiáng)度分別為 0.6MPa，0.86MPa，0.94MPa，強(qiáng)度有著明顯的增大，而7d的強(qiáng)度分別為4.66 MPa，6.52 MPa，6.98MPa，得出第3組達(dá)到指定強(qiáng)度值的時間最短。說明早強(qiáng)劑的加入可以促進(jìn)水泥的水化和硬化，提高早期強(qiáng)度和縮短養(yǎng)護(hù)時間。

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)和圖2可以得出當(dāng)只改變水灰比時，水泥用量增加，粉煤灰用量減少時，水灰比增大，坍落度略有上升，強(qiáng)度也得到提高，當(dāng)水灰比越大，多余的水分增多，會增加硬化水泥石中的毛細(xì)孔，孔隙率變大，強(qiáng)度開始降低，從強(qiáng)度的增減確定最佳配比。

隧道混凝土材料應(yīng)力—應(yīng)變過程可分為5個階段：第1階段，主要特點(diǎn)是曲線的斜率是逐漸增大的，曲線是上彎的，隨變形的加大，應(yīng)力隨之增大;第2階段，該段為彈性階段，主要特點(diǎn)是曲線近似為直線，即曲線斜率為常數(shù)，此段隨應(yīng)力的增加，應(yīng)變增量很小，齡期越大，彈性模量越大，極限強(qiáng)度越大;第3階段，主要特點(diǎn)是曲線下彎，即曲線斜率逐漸減小，此段在荷載作用下，縱向裂隙擴(kuò)展導(dǎo)致試件達(dá)到峰值強(qiáng)度。需要指出的是，采用剛性伺服機(jī)測得充填材料的峰值強(qiáng)度比普通材料壓力試驗(yàn)機(jī)測試結(jié)果適當(dāng)偏高;第4階段，為應(yīng)力軟化階段，在這階段內(nèi)，試件隨應(yīng)變的繼續(xù)增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，到殘余強(qiáng)度。峰值強(qiáng)度越大，相對殘余強(qiáng)度越小;第5階段，殘余變形階段，在這階段，隨應(yīng)變繼續(xù)增加，材料抗壓強(qiáng)度基本維持在殘余強(qiáng)度水平。

實(shí)驗(yàn)顯示，所配置的混凝土材料擁有較高的強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度和適宜的強(qiáng)度發(fā)展速度，可以滿足承載需要。

4 結(jié)論

通過以上大量試驗(yàn)，優(yōu)化得到隧道混凝土的基本配合比。由水泥、粉煤灰、石子、砂、水和復(fù)合外加劑組成，各組成成分按重量比為 21∶12∶24∶29∶14，此外添加復(fù)合外加劑能減少養(yǎng)護(hù)時間，或縮短蒸養(yǎng)時間，可提早拆模加速模板周轉(zhuǎn)，加快進(jìn)度，使配置的混凝土凝結(jié)時間快，早期強(qiáng)度高，滿足隧道材料的要求。但是外加劑對混凝土有雙重作用，使用得當(dāng)能發(fā)揮良好的作用，使用不當(dāng)則會起相反的作用，存在著水泥對外加劑的適應(yīng)性和摻量問題，本文速凝劑和早強(qiáng)劑含量分別為0.6%。

粉煤灰與水泥是不同特性的材料，在配合比設(shè)計時，應(yīng)把它作為細(xì)骨料來看待，這樣才能充分地發(fā)揮粉煤灰早期的物理填充作用和后期的膠凝材料作用。低水膠比、大摻量粉煤灰在合理的配合比情況下完全可以配制出強(qiáng)度和耐久性均優(yōu)良的混凝土。

外加劑的應(yīng)用是多品種混凝土的一個發(fā)展方向，前景廣闊，大力開展和推廣應(yīng)用混凝土外加劑將推動混凝土制備工藝和新型混凝土的發(fā)展，也是促進(jìn)建筑業(yè)科學(xué)進(jìn)步的重要途徑。

［1］ Steven H Kosmatka.混凝土設(shè)計與控制［M］.錢覺時.重慶：重慶大學(xué)出版社，2005.

［2］ 高強(qiáng)和高性能混凝土委員會.高強(qiáng)混凝土應(yīng)用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

［3］ 覃維祖.利用粉煤灰開發(fā)高性能混凝土若干問題的討論［J］.粉煤灰，2000(5) ：3-6.

［4］ 張大偉，閆偉峰，原磊.混凝土外加劑的種類及其作用［J］.山西建筑，2009(8).

［5］ 田培，王玲.我國混凝土外加劑現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.施工技術(shù)，2009(4).