C60盾構(gòu)式管片高性能混凝土配合比設計的研究

檀秋芬，扈惠敏，潘春生

（1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學院，安徽 蕪湖241003；2.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥230009；3.中交二航局 第四工程有限公司，安徽 蕪湖241006）

1 引 言

在盾構(gòu)隧道施工中，管片是最關(guān)鍵、最重要的結(jié)構(gòu)骨架。管片對混凝土的性能要求較高，不僅要求有比較高的強度和抗?jié)B性能，還應具有較高的防火性能和高的耐久性，其中耐久年限一般要求至少100年，盾構(gòu)管片質(zhì)量將直接關(guān)系到隧道的整體質(zhì)量和安全性。傳統(tǒng)的普通混凝土材料已經(jīng)遠遠不能滿足隧道管片工程的需要，高性能混凝土(又稱HPC)因為其所具有的獨特性能，即高的強度和早期強度，高耐久性，良好的工作性和工程經(jīng)濟性，近幾年來已被普遍應用于盾構(gòu)隧道管片中。

目前，國內(nèi)外的混凝土研究技術(shù)人員已針對單摻與雙摻礦物摻合料的高性能混凝土的原材料、性能、配合比設計展開了大量研究，而對其配合比設計方法的研究仍處于探索與發(fā)展階段。從已有的研究成果來看，長期的大量試驗和施工實踐經(jīng)驗積累是正確合理的配合比設計基礎，并構(gòu)成現(xiàn)在混凝土配合比設計所必須遵循的基本法則，即水灰比法則、最小單位用水量或最小膠凝材料用量法則、混凝土密實體積法則與最小水泥用量法則。[1-3]

高性能混凝土配合比設計同樣都必須遵循上述法則，由于引入了細摻料和外加劑，HPC 各組分間的關(guān)系與普通混凝土所常用的經(jīng)驗參數(shù)有所不同，又因水灰比取值較小，致使上述法則內(nèi)涵發(fā)生變化。如高性能混凝土中水灰比可稱為水膠比，其中“膠”應是水泥和超細摻合料重量的總量之和。此外用水量與混凝土坍落度的關(guān)系必須考慮外加劑的存在，施工尚須考慮泵送等。所有這些都必須通過無數(shù)次的試驗與工程實踐加以驗證。

2 C60 盾構(gòu)式管片高性能混凝土配合比確定方法

2.1 工程概況

南京緯三路過江通道工程N 線工區(qū)水泥混凝土C60 盾構(gòu)式管片設計要求混凝土為高性能混凝土，耐久性好，結(jié)構(gòu)使用年限為100年，因此在考慮混凝土配合比設計時，優(yōu)先采用了優(yōu)質(zhì)粉煤灰和磨細礦渣的雙摻技術(shù)，以降低水化熱，改善硬化混凝土的性能。在滿足設計要求的條件下，盡量采用低水泥用量和低水膠比，在滿足施工性能的條件下，盡量采用低坍落度。

2.2 性能指標

一般以C60 盾構(gòu)式管片HPC 常用性能指標作為基準，再通過試配調(diào)整來滿足其他要求。性能指標具體如下混凝土設計強度等級為C60；抗?jié)B等級為P12；混凝土設計坍落度為（30-70）mm；膠凝材料用量400-500kg/m3；水膠比不大于0.35；混凝土試配強度≥69.9MPa；總堿含量≤2.5kg/m3；氯離子含量不超過膠凝材料總量的0.06%，且不得使用含有氯化物的防凍劑及其他外加劑；混凝土氯離子擴散系數(shù)≤1.2×10-12m2/s。

2.3 原材料選擇

1.水泥：蕪湖白馬山海螺PⅡ52.5 級低堿硅酸鹽水泥。

2.砂：江西贛江中砂，細度模數(shù)為2.8，表觀密度2.609g/cm3。

3.石：安徽廬江，由（5-10）mm 和（10-25）mm 的兩級配碎石合成(5-25)mm 連續(xù)級配的碎石，合成比例為4：6，針片狀含量為4.2%，壓碎值為5.4%，表觀密度2.713g/cm3。

4.粉煤灰：南京華能，Ⅰ級粉煤灰。

5.礦粉：馬鞍山中天，S95 級。

6.高效減水劑：上海華登，摻量0.76%，液體聚羧酸系減水劑，減水率為21%。

7.改性聚丙烯纖維：武漢中鼎，摻量1.5kg/m3。

原材料按規(guī)程JTGE42-2005 及JTGE30-2005進行試驗，試驗結(jié)果符合規(guī)范要求。

2.4 配合比試驗[4-8]

2.4.1 計算初步配合比

高性能混凝土試配強度應超過其設計要求的強度標準值以達到強度保證率的要求，其超出的數(shù)值應依據(jù)混凝土強度標準差而定。

1.確定試配強度

fcu，0=fcu，k+1.645σ=69.9MPa

式中：fcu，0—混凝土試配強度（MPa）；

fcu，k—混凝土立方體抗壓強度標注值（MPa）；

σ—混凝土強度標準差 （MPa），≥C50 級取6，其余取5。

2.計算水灰比（或水膠比）

高性能混凝土配置特點是采用低水膠比。水膠比影響著水泥漿基體和粗骨料間過渡區(qū)這兩者的孔隙率，能夠保證混凝土的充分密實，阻止腐蝕性氣體的滲入，以達到HPC 耐久性。HPC 中因摻入的磨細摻合料改善了膠凝材料的級配關(guān)系，使混凝土密實，并提高了膠結(jié)強度。HPC 混凝土強度仍可視為與水膠比成線性關(guān)系，符合保羅米公式理論。

式中：W/C—計算得的基準水灰比；

αa、αb—回歸系數(shù)。當采用碎石時，αa取0.46，αb取0.07；

fce—水泥28d 抗壓強度實測值（MPa）；

fcu，0—混凝土試配強度（MPa）。

取水泥28 天經(jīng)驗強度fce=57MPa，按耐久性及設計要求校核計算的基準水灰比，綜合考慮外摻料對強度的影響，基準水灰比取用0.28。

3.單位用水量

單位用水量是保證高性能混凝土拌合物流動性的基本因素，但用水量大，膠凝材料用量增大，高性能混凝土結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生干縮裂紋。單位用水量決定于集料最大粒徑與混凝土的坍落度。但高性能混凝土最主要是考慮高效減水劑的質(zhì)量與用量以及摻合料的關(guān)系控制坍落度，其集料最大粒徑和坍落度波動范圍不大。試驗顯示單位用水量與強度通常成反比，故可在《普通混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ55-2000 基礎上，根據(jù)強度等級估算混凝土單位用水量，如表1 所示。

表1 混凝土單位用水量

初選混凝土單位用水量mw=175kg/m3，依據(jù)下式確定所用的修正用水量mw0：

mw0=mw·（1-β）=175×(1-21%)=139kg/m3

式中：mw0—摻高效減水劑混凝土單位用水量；

mw—混凝土單位用水量；

β—外加劑的減水率（%）。

4.單位膠凝材料用量

外加劑用量為：495×0.76%=3.76kg/m3。

5.初選砂率βs

在水泥漿一定的情況下，砂率在混凝土中主要影響高性能混凝土的工作性。依據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》的基礎上，可根據(jù)膠凝材料用量、粗細集料的級配及泵送要求等因素，由經(jīng)驗確定砂率，見表2 所示，高性能泵送混凝土的砂率宜控制在35%-45%之間。試驗表明，砂率小于35%時混凝土和易性變差，施工操作困難，對泵送不利，且密實度降低；超過45%時將增大高性能混凝土的收縮，對抗裂不利。本試驗砂率初選36%。

表2 砂率的選用

6.確定粗細集料用量

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ55-2000中重量法確定：

式中：mc0—每立方米混凝土的膠凝材料用量（kg）；

mg0—每立方米混凝土的粗骨料用量（kg）；

ms0—每立方米混凝土的細骨料用量（kg）；

mwa—每立方米摻高效減水劑混凝土的用水量（kg）；

mcp—每立方米混凝土拌合物的假定重量（kg），其值可取2350-2450kg；

βs—砂率（%）。

取βs=36%，且假定混凝土的密度mcp=2480kg/m3，代入上面兩式可得：

mg0=1181kg/m3，ms0=665kg/m3

7.試驗室初步配合比

膠材：砂∶石子∶水∶減水劑∶改性聚丙烯纖維=495∶665∶1181∶139∶3.76∶1.5

8.計算摻合料及水泥用量

按等量替換法取粉煤灰為膠凝材料用量的10%、礦粉為膠凝材料用量的25%，則：

粉煤灰：mf=mc0×10%=495×10%=50kg/m3，

礦粉：mk=mc0×25%=495×25%=124kg/m3，

水泥用量：mc=mc0×(1-35%)=495×(1-35%)=321kg/m3。

2.4.2 調(diào)整工作性，確定基準配合比

1.按計算初步配合比試拌25L 混凝土拌合物，確定各種材料用量

水泥：321×0.025=8.025kg；

粉煤灰：50×0.025=1.250kg；

礦粉：124×0.025=3.100kg；

水：139×0.025=3.475 kg；

砂：665×0.025=16.625kg；

碎石：1181×0.025=29.525kg；

減水劑：3.76×0.025=0.094kg；

改性聚丙烯纖維：1.5×0.025=0.038kg。

調(diào)整工作性：測定坍落度為55mm，棍度中，粘聚性良好，保水性少量，含砂中。

2.提出基準配合比

(水泥+粉煤灰+礦粉):砂:石子:水:減水劑:改性聚丙烯纖維

=(321+50+124)∶665∶1181∶139∶3.76:1.5

=(0.65+0.1+0.25)∶1.34∶2.39∶0.28∶7.60×10-3∶3.03×10-3

2.4.3 檢定強度，確定試驗室配合比

把基準配合比記為GP，按照普通配合比設計規(guī)程《JGJ55-2000》要求，在基準配合比的基礎上分別上下浮動0.02 個水灰比，保持用水量不變，分別記為GP0.26 和GP0.30，砂率上下0.1%，計算出配合比并進行試拌成型。

GP 組(W/C=0.28，砂率36%)

(水泥+粉煤灰+礦粉)∶砂∶石子∶水∶減水劑∶改性聚丙烯纖維

=(321+50+124)∶665∶1181∶139∶3.76∶1.5

=(0.65+0.1+0.25)∶1.34∶2.39∶0.28∶7.60×10-3∶3.03×10-3

GP0.30 組(W/C=0.30，砂率37%)

(水泥+粉煤灰+礦粉):砂:石子:水:減水劑:改性聚丙烯纖維

=(301+46+116)∶695∶1183∶139∶3.52∶1.5

=(0.65+0.1+0.25)∶1.50∶2.56∶0.30∶7.60×10-3∶3.24×10-3

GP0.26 組(W/C=0.26，砂率35%)

(水泥+粉煤灰+礦粉)∶砂∶石子∶水∶減水劑∶改性聚丙烯纖維

=(348+54+133)∶632∶1174∶139∶4.07∶1.5

=(0.7+0.1+0.2)∶1.39∶2.59∶0.40∶7.61×10-3∶2.8×10-3

強度結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表3 配合比抗壓強度總表

試驗結(jié)果顯示，在標準養(yǎng)護條件下，當混凝土膠凝材料一定時，隨著水膠比的增長，水泥水化比所需的水分增加，導致水泥石的孔隙增多，且石子下沉引起混凝土產(chǎn)生沉降收縮，并產(chǎn)生微細裂紋。孔隙與微細裂紋的存在減少了水泥石承載的有效面積，而且在水泥石界面以及孔隙周圍還將產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，從而降低了混凝土的抗壓強度。因此在膠凝材料、外加劑種類及用量一定時，宜采用低水膠比。經(jīng)驗證，GP 組與GP0.26 組配合比滿足C60坍落度及試配強度要求。

3 結(jié) 論

試配C60 盾構(gòu)式管片高性能混凝土，可從0.28水膠比開始，砂率按高性能泵送混凝土的砂率經(jīng)驗取用并進行試配，隨著配制高性能混凝土水膠比的上下浮動，相應砂率應進行上下調(diào)動，改變幅度以滿足工程要求的混凝土工作性及抗壓強度為準。

研究顯示對于C60 盾構(gòu)式管片高性能混凝土的配合比設計關(guān)鍵是配合比參數(shù)的控制：水膠比≤0.40，膠凝材料總質(zhì)量介于300kg/m3-550kg/m3，砂率宜控制在35%-45%之間，單位用水量應小于175kg/m3，另膠凝材料中礦物細粉用量宜不大于膠凝材料總量的40%，可采用粉煤灰和磨細礦粉共同摻入，利用粉煤灰和磨細礦粉的綜合效應，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，從而使混凝土的早期強度得到有效保證。一般按等量替換法取粉煤灰為膠凝材料用量的10%、磨細礦粉為膠凝材料用量的25%。此外高效減水劑最佳摻量一般占膠凝材料總質(zhì)量的0.5%-2%。

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