隧道工程C40高保坍大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能研究

趙日煦，劉通，楊文，高飛，龐二波，劉離

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

隧道工程C40高保坍大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能研究

趙日煦，劉通，楊文，高飛，龐二波，劉離

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

結(jié)合國內(nèi)某隧道工程的施工，通過原材料選擇、混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能檢測，研制出了 C40 高保坍大體積混凝土。研究結(jié)果表明，采用保坍型聚羧酸鹽高效減水劑，摻入 25%Ⅰ級粉煤灰和 8% 膨脹劑配制的隧道 C40 混凝土具有良好的工作性能，較高的早期強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能，特別是 28d 收縮率為 1.52×10-4，有利于提高隧道混凝土的耐久性能。

隧道工程；大體積混凝土；高保坍；膨脹劑；耐久性能

0 前言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展及中西部地區(qū)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被大量使用，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。結(jié)構(gòu)維修費(fèi)用，很大程度上依賴于對耐久性設(shè)計(jì)與施工的重視程度和工程質(zhì)量[1]。而這很大程度上依賴于混凝土配比設(shè)計(jì)[2-4]的合理性，好的配比不僅能節(jié)約材料，提高混凝土強(qiáng)度，達(dá)到高強(qiáng)[5]、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。

國內(nèi)某隧道工程提出 100 年的正常使用壽命的設(shè)計(jì)目標(biāo)，施工方法為明挖隧道，隧道全長約 6km。隧道主體工程為大體積混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 C40，混凝土材料的抗?jié)B性、體積穩(wěn)定性要求很高，是混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)的主要考慮因素。

1 原材料與配合比設(shè)計(jì)要求

1.1 原材料

（1） 膠凝材料

水泥選用華新 P·O42.5，堿含量 0.56%，氯離子含量0.02%；粉煤灰采用 Ⅰ 級灰，材料性能指標(biāo)滿足相應(yīng)規(guī)范要求，其膠凝材料的化學(xué)組成和性能指標(biāo)見表 1～3。

（2） 集料

河砂和碎石的指標(biāo)參數(shù)如表 4 和表 5 所示。

（3）外加劑

外加劑應(yīng)與水泥之間具有良好的適應(yīng)性，減水率高，坍落度經(jīng)時(shí)損失小。據(jù)此，采用博特生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率為 26.5%。

（4）膨脹劑

某廠家膨脹劑比表面積≥200m2/kg，限制膨脹率（砂漿）：水中 7d≥0.080%，膨脹性能優(yōu)異。

表 1 膠凝材料的化學(xué)組成 %

表 2 水泥性能指標(biāo)

表 3 粉煤灰性能指標(biāo)

表 4 河砂的性能指標(biāo)

表 5 碎石的性能指標(biāo)

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)和施工要求，隧道混凝土需達(dá)到的主要性能指標(biāo)為：拌合物坍落度 (200±20)mm，擴(kuò)展度 (500±50)mm，坍損 2h 內(nèi)不大于 20mm；硬化混凝土 7d 強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 90%；28d 彈性模量不低于 32.5GPa，且 7d 達(dá)到設(shè)計(jì)要求的 90% 以上；混凝土 28d 自干燥收縮率低于萬分之二，56d 電通量小于 1000C，體積穩(wěn)定性、抗碳化性良好。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

影響隧道 C40 高保坍大體積混凝土強(qiáng)度、工作性、自干燥收縮的因素有許多方面，在施工工藝、養(yǎng)護(hù)條件一定的情況下，在試配中只考慮原材料的情況，根據(jù)以往的試配經(jīng)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)[1-5]，選擇 4 個(gè)主要影響因素：膠凝材料用量、水膠比、粉煤灰摻量和膨脹劑摻量，對每個(gè)因素各指定 3 個(gè)水平，因素水平表如表 6 所示。

表 6 因素水平表

按照因素水平表，把具體的因素水平選出列于正交表上，并依據(jù)具體內(nèi)容，計(jì)算出每一試驗(yàn)號的配合比，試配時(shí)混凝土假定容重為 2450kg/m3，砂率選擇按水膠比 0.35，0.37，0.38 分別為 38%，30%，42%，試配結(jié)果見表 7。

表 7 混凝土試配方案與結(jié)果

由表 7 可以看出，影響混凝土坍落度的主次順序?yàn)椋耗z凝材料用量→粉煤灰摻量→水膠比→膨脹劑摻量，最佳組合為 A3B3C3D2；影響混凝土 R28 主次順序?yàn)椋核z比→膠凝材料用量→粉煤灰摻量→膨脹劑摻量，最佳組合為A3B1C3D2；影響混凝土自干燥收縮主次順序?yàn)椋号蛎泟搅俊z比→膠凝材料用量→粉煤灰摻量，最佳組合為A2B1C3D3。為保證混凝土強(qiáng)度且滿足工程需要 7d 強(qiáng)度達(dá)到90% 的條件，應(yīng)盡量選取較小的水膠比，增加粉煤灰用量，同時(shí)這也有利于減少混凝土收縮裂縫，抑制堿骨料反應(yīng)。從強(qiáng)度上看，水膠比 0.35，混凝土各組的 7d 強(qiáng)度的平均值為37.5MPa。如果優(yōu)化其他組分，混凝土配制強(qiáng)度和自干燥收縮是能滿足施工要求的，綜合各方面的考慮，C40 高保坍大體積混凝土配合比選定水膠比為 0.35，膨脹劑摻量 8%，膠凝材料總量為 430kg/m3。

表 8 混凝土塑性收縮開裂試驗(yàn)結(jié)果

粉煤灰對于混凝土的坍落度、早期強(qiáng)度、自干燥收縮都有著不同程度的影響，而最重要的是，摻加一定量的粉煤灰對于混凝土的工作性、和易性、粘聚性有著很大的提高，對于大體積混凝土，可降低混凝土的水化溫升。由于粉煤灰摻量不是主要的影響因素，在保證強(qiáng)度的情況下應(yīng)選擇大摻量粉煤灰，因此根據(jù)工程的實(shí)際需要，粉煤灰摻量選用 25%。

綜合平衡分析坍落度、自干燥收縮、28d 抗壓強(qiáng)度、實(shí)際工作性能，經(jīng)大量的試驗(yàn)和反復(fù)驗(yàn)證，確定了 C40 高保坍大體積混凝土的配合比，膠凝材料 430kg/m3，其中膨脹劑8%，粉煤灰 25%；砂率 41%；水膠比 0.35；外加劑 1.3%。

2.2 工作性能與力學(xué)性能

（1）初始性能坍落度 220mm，擴(kuò)展度 550mm，倒坍落度時(shí)間 5.0s；（2）混凝土 2h 性能坍落度 210mm，擴(kuò)展度500mm，倒坍落度時(shí)間 6.0s；（3）初凝時(shí)間 31.6h；（4）7d抗壓強(qiáng)度為 35.8MPa，28d 為 53.4MPa；（5）7d 彈性模量為31.6 GPa，28d 為 38.2 GPa。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，該施工配合比滿足設(shè)計(jì)要求，新拌混凝土勻質(zhì)性好、黏聚性好，不泌水、不離析，滿足箱梁混凝土的要求；混凝土出機(jī)坍落度保證在 (200±20)mm，2h 經(jīng)時(shí)損失小于 10mm，混凝土 7d 抗壓強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求的 90% 以上。

2.3 耐久性能

2.3.1 抗氯離子滲透性能

本文采用 ASTMC 1202—05《混凝土抗氯離子滲透性電測法》的直流電量法，取 3 個(gè)試件（齡期為 56d）的平均值作為檢測結(jié)果，6h 導(dǎo)電量 457C，說明氯離子滲透性非常低。

試驗(yàn)結(jié)果表明，C40 高保坍大體積混凝土的 6h 電通量只有 457C，滿足隧道混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為 100 年時(shí)對電通量 ＜1000C 的要求，表明該混凝土抗氯離子滲透性能好，硬化混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，具有良好的耐久性。

2.3.2 抗碳化性能

本部分試驗(yàn)依據(jù) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，用碳化箱測定混凝土28d碳化深度，試驗(yàn)環(huán)境條件為：CO2濃度 (20±3)%，溫度(20±5)℃，濕度 (70±5)%。經(jīng)測量，C40 高保坍大體積混凝土 28d 碳化深度只有 1.1mm，試驗(yàn)結(jié)果表明該混凝土的抗碳化性能優(yōu)異。

2.3.3 收縮性能

采用 (100×100×515)mm 的試件，測試 7# 混凝土的自收縮性能。圖 1 為 C40 高保坍大體積混凝土的收縮率。從圖1 可以看出，C40 高保坍大體積混凝土自身收縮較小，14d 以后收縮趨于平緩，其 28d 收縮率僅為 1.52×10-4，有利于該工程結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫控制。

圖 1 混凝土的收縮率

2.3.4 抗裂性能

混凝土塑性收縮開裂試驗(yàn)采用日本笠井芳夫教授平板試件約束抗裂性試驗(yàn)方法。試件尺寸為 (600×600×63)mm，用于澆筑試件的鋼制模具、試驗(yàn)方法及開裂參數(shù)計(jì)算公式詳見CECS 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》。平板法抗裂試驗(yàn)的結(jié)果見表 8。由表 8 可知，混凝土抗裂等級為Ⅱ 級，說明混凝土具有較高的抗裂性能，大大降低混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

（1）材料的優(yōu)選是 C40 高保坍大體積混凝土研制、應(yīng)用成功的關(guān)鍵，選擇適宜、優(yōu)質(zhì)的原材料是滿足 C40 高保坍大體積混凝土施工可行性的前提。

（2）通過正交試驗(yàn)，采用膨脹劑和Ⅰ級粉煤灰雙摻技術(shù)，C40 高保坍大體積混凝土配合比為膠凝材料 430kg/m3，粉煤灰 25%，膨脹劑摻量 8%，水膠比 0.35，砂率 41%，外加劑 1.3%。

（3）C40 高保坍大體積混凝土配合比具有較高的早期強(qiáng)度、抗裂性能及抗氯離子滲透性能，較低的自收縮，有利于提高隧道混凝土的耐久性能。

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[2] 李青，師磊．國內(nèi)某隧道混凝土配合比設(shè)計(jì)及其耐久性實(shí)驗(yàn)研究[J]．建材世界，2009, 30(6): 30-34．

[3] 姚保新．特長隧道耐久性混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工控制[J].鐵道建筑，2014, (1): 121-124．

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[5] 何松晟，高瑋，汪磊．隧道混凝土配比實(shí)驗(yàn)研究[J]．武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011, 3(2): 74-77．

［通訊地址］湖北省武漢市華光大道 18 號高科大廈 16 樓（430074）

Research on C40 slump loss resistance mass concrete mix ratio and performance in a domestic tunnel

Zhao Rixu, Liu Tong, Yang Wen, Gao Fei, Pang Erbo, Liu Li

(China Construction Ready-mixed Concrete Co., Ltd., Wuhan Hubei 430074, China)

According to construction of the Tunnel engineering in a domestic Tunnel, C40 slump loss resistance mass concrete was developed, by means of raw material selection, concrete mix proportion design and performance testing. The results show that the concrete mixture prepared from polycarboxylate superplasticizer and 25% grade I fl y ash possess and 8% expansive agent not only has good workability, high early strength and as well as high resistance to chloride ion penetration, especially the self-constriction were 1.52×10-4. This was good to improve the durability of box girder concrete.

tunnel engineering; mass concrete; slump loss resistance; expansive agent; durability

趙日煦（1976—），男，工程師，主要研究特種混凝土及施工技術(shù)。