自密實(shí)混凝土在預(yù)制綜合管廊生產(chǎn)中的實(shí)踐

吳成浩 ，解建光 ，李進(jìn) ，周利睿 ，邢士波 ，李可可 ，耿飛

（1.南京航空航天大學(xué) 土木工程系，江蘇 南京 210016；2.山東龍泉管道股份有限公司，山東 淄博 255000；3.江蘇方洋科技投資發(fā)展有限公司，江蘇 連云港 222066）

0 引言

綜合管廊是建設(shè)于城市地下用于容納二類(lèi)及以上城市工程管線(xiàn)的建筑物及附屬設(shè)施，不僅緩解了城市交通擁堵問(wèn)題，還極大方便了電力、通信、燃?xì)?、供排水等市政設(shè)施的維護(hù)和檢修，是21世紀(jì)新型城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，是城市發(fā)展的趨勢(shì)和潮流[1]，是充分利用地下空間的有效手段，已在全國(guó)范圍內(nèi)推廣建設(shè)[2-3]。

根據(jù)工程規(guī)模、地質(zhì)環(huán)境和使用功能（給水、污水、電力、通信等）的要求，綜合管廊的建設(shè)主要分為現(xiàn)澆和預(yù)制兩類(lèi)[4]。工廠(chǎng)預(yù)制綜合管廊通常采用塑性混凝土澆筑，施工全程需要強(qiáng)力振動(dòng)，極易導(dǎo)致混凝土過(guò)振，不僅使得管廊底板上表面形成較大直徑的凹坑，而且上頂板漿骨分離，形成10 cm厚的砂漿層；此外，持續(xù)振搗會(huì)帶來(lái)噪聲污染，還會(huì)讓模具產(chǎn)生變形、難以拼裝，增加生產(chǎn)成本。因此，采用高性能自密實(shí)混凝土，無(wú)需振搗，實(shí)現(xiàn)均勻密實(shí)地填充預(yù)制管廊，提高綜合管廊的質(zhì)量和耐久性。

本文進(jìn)行了預(yù)制管廊用C50自密實(shí)混凝土的制備，測(cè)試分析了水膠比、摻合料與砂率對(duì)其工作性能的影響，并在工廠(chǎng)進(jìn)行了試生產(chǎn)，探討了預(yù)制管廊的表面質(zhì)量以及質(zhì)量缺陷的原因，為自密實(shí)混凝土在預(yù)制綜合管廊中的應(yīng)用提供了理論參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

膠凝材料：水泥，當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的P·Ⅱ42.5R水泥，性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；粉煤灰，Ⅱ級(jí)灰，細(xì)度16.5%，需水量比為101%；礦粉，S95級(jí)，流動(dòng)度比為96%，7 d和28 d的活性指數(shù)分別為87%和105%。

集料：砂，河砂，細(xì)度模數(shù)3.3，含泥量1.0%；石，5～10 mm和10～20 mm的石子按1∶2的質(zhì)量比摻配而成（符合5～20 mm連續(xù)級(jí)配要求），含泥量0.4%，大石子扁平狀略多，針片狀含量為14.8%，壓碎值為9.5%。

減水劑：江蘇某公司生產(chǎn)的固含量為40%的醚類(lèi)聚羧酸型減水劑復(fù)配相容性較好的0.01%聚醚類(lèi)消泡劑和0.003%脂肪醇類(lèi)引氣劑而成。當(dāng)減水劑摻量為0.3%時(shí)，水灰比0.29的水泥凈漿流動(dòng)度為240 mm。

1.2 試驗(yàn)方案和測(cè)試方法

由于綜合管廊尺寸較大、配筋密集，自密實(shí)混凝土應(yīng)具有4個(gè)特性：在大落差與大流動(dòng)性下保持不離析不泌水、自密實(shí)性能經(jīng)時(shí)損失小、管廊表面氣孔少、蒸養(yǎng)后強(qiáng)度不損失。結(jié)合CCES 202：2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》、GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》關(guān)于混凝土性能的相關(guān)要求，預(yù)制綜合管廊用自密實(shí)混凝土應(yīng)達(dá)到以下設(shè)計(jì)指標(biāo)：

（1）工作性能：混凝土自密實(shí)性能等級(jí)為二級(jí)，坍落擴(kuò)展度為600～650 mm，T500擴(kuò)展時(shí)間為2～12 s；

（2）力學(xué)性能：抗壓強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C50，28 d配制強(qiáng)度宜控制在60～65 MPa；

（3）表面質(zhì)量：管廊表面不得出現(xiàn)直徑大于10 mm的氣孔。

自密實(shí)性能包括填充性、間隙通過(guò)性與抗離析性，不僅與混凝土的施工性能密切相關(guān)，也影響混凝土微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展和勻質(zhì)性，從而影響到混凝土的耐久性與變形性能。本文在基準(zhǔn)配合比（見(jiàn)表 1）的基礎(chǔ)上，研究了水膠比（0.26、0.29、0.32）、砂率（0.38、0.42、0.46）以及礦粉摻合料（15%、20%、25%）3個(gè)因素對(duì)自密實(shí)混凝土工作性的影響，優(yōu)化和完善預(yù)制管廊用自密實(shí)混凝土的配合比。

表1 預(yù)制管廊用自密實(shí)混凝土的基準(zhǔn)配合比 kg/m3

新拌混凝土的自密實(shí)性能按照J(rèn)GJ/T283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試坍落擴(kuò)展度時(shí)，應(yīng)一次性使混凝土拌合物均勻填滿(mǎn)坍落度筒，且不得振搗。硬化混凝土強(qiáng)度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水膠比對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

在自密實(shí)、大流態(tài)混凝土的配比設(shè)計(jì)中，高效減水劑等使得混凝土的工作性能對(duì)單位用水量非常敏感[5-6]，研究水膠比對(duì)預(yù)制管廊用自密實(shí)混凝土工作性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表2，不同水膠比下自密實(shí)混凝土的狀態(tài)如圖1所示。

表2 水膠比對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

圖1 不同水膠比下自密實(shí)混凝土的狀態(tài)

由表2和圖1可見(jiàn)，對(duì)于C50自密實(shí)混凝土，水膠比為 0.26時(shí)，混凝土T500擴(kuò)展時(shí)間較長(zhǎng)，擴(kuò)展度較??；水膠比為0.32時(shí)，雖然T500擴(kuò)展時(shí)間較短，但是漿體粘聚性較差，出現(xiàn)輕微離析現(xiàn)象。分析原因可能是水膠比變小（即單位用水量減少）后，漿體粘聚性增大，導(dǎo)致拌合物的流動(dòng)性、填充性與間隙通過(guò)性能變差；當(dāng)水膠比過(guò)大時(shí)，漿體的粘聚性減小、流動(dòng)性增加，導(dǎo)致混凝土拌合物的抗離析性下降、工作性能變差。因此，在其它配比參數(shù)與試驗(yàn)條件相同的情況下，水膠比為0.29時(shí)混凝土的自密實(shí)性能較好。

2.2 砂率對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

固定其它參數(shù)不變，研究砂率對(duì)預(yù)制管廊用自密實(shí)混凝土工作性能的影響，結(jié)果如表3所示，不同砂率下自密實(shí)混凝土的狀態(tài)如圖2所示。

表3 砂率對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響。

圖2 不同砂率下自密實(shí)混凝土的狀態(tài)

從表3和圖2可以看出，隨著砂率從0.38增大到0.46，混凝土拌合物的擴(kuò)展度越來(lái)越大，T500擴(kuò)展時(shí)間越來(lái)越短，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，增加砂率可以改善漿體的自密實(shí)性能。這是因?yàn)樯奥蕦?duì)漿體的流變性能存在著雙重效應(yīng)：（1）在一定范圍內(nèi)，砂主要起圓形顆粒的滾動(dòng)減水效應(yīng)，可以在一定程度上改善流變性能；（2）若砂率超過(guò)一定范圍，隨著砂的總表面積增大，需要更多的自由水潤(rùn)濕表面，導(dǎo)致漿體變得粘稠、流動(dòng)性能變差[7]。此外，砂率過(guò)大會(huì)減小自密實(shí)混凝土的彈性模量，削弱抵抗變形的能力。因此，綜合考慮工作性能與彈性模量，選取砂率為0.42時(shí)自密實(shí)混凝土的工作性能較優(yōu)。

2.3 摻合料對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

自密實(shí)混凝土使用了大量的膠凝材料，若僅用水泥作為膠凝材料，容易導(dǎo)致混凝土早期水化熱多、硬化收縮大以及耐久性差等缺陷。在自密實(shí)混凝土中添加礦物摻合料，合理搭配膠凝材料，不僅能夠改善其工作性能，還可以發(fā)揮礦物摻合料的物理效應(yīng)、填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，形成密實(shí)均勻的結(jié)構(gòu)，并提高自密實(shí)混凝土的耐久性能[8-9]。固定其它參數(shù)不變，研究粉煤灰與礦粉2種摻合料按1∶1的質(zhì)量比雙摻時(shí)，摻合料總用量對(duì)預(yù)制管廊用自密實(shí)混凝土工作性能的影響，結(jié)果如表4所示，不同摻合料用量自密實(shí)混凝土的狀態(tài)如圖3所示。

表4 摻合料總用量對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

圖3 不同摻合料用量時(shí)自密實(shí)混凝土的狀態(tài)

由表4和圖3可以看出，摻合料總用量從15%增加到25%時(shí)，自密實(shí)混凝土的工作性能越來(lái)越好。這是因?yàn)榉勖夯遗c礦粉按1∶1的質(zhì)量比雙摻時(shí)，可以在水泥基材料中發(fā)揮出“疊加效應(yīng)”和“超疊加效應(yīng)”，且優(yōu)于單摻粉煤灰或礦粉的性能[9]。但是，摻合料是低活性材料，用量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致混凝土的早期抗壓強(qiáng)度降低，影響預(yù)制管廊的脫模與吊裝。綜合考慮，摻合料總用量為20%（其中粉煤灰與礦粉各摻10%）時(shí)，自密實(shí)混凝土的工作性能較優(yōu)。

3 工程應(yīng)用

3.1 自密實(shí)混凝土管廊制備

工廠(chǎng)預(yù)制管廊為單倉(cāng)管廊，規(guī)格為（B×H×L）2600 mm×3000 mm×2000 mm，壁厚為250 mm。試生產(chǎn)時(shí)，按照施工工藝，進(jìn)行各種原材料的計(jì)量、混合攪拌，生產(chǎn)配合比見(jiàn)表5，單位用水量根據(jù)原材料狀態(tài)可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。配制的混凝土自密實(shí)性較好，物理力學(xué)性能如表6所示，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表5 城市地下綜合管廊用C50自密實(shí)混凝土的配合比 kg/m3

地下管廊的制備工藝流程如圖4和圖5所示。

圖4 自密實(shí)混凝土地下綜合管廊制備工藝流程

圖5 自密實(shí)混凝土綜合管廊的制備過(guò)程

澆筑時(shí)，為保證自密實(shí)混凝土的工作性能，配備2個(gè)料斗（每斗約 3.2 m3）從鋼模上方進(jìn)行澆筑[見(jiàn)圖 5（a）]，先從模具一側(cè)立面正上方開(kāi)始澆筑，使得鋼模下部充滿(mǎn)混凝土。待混凝土達(dá)到頂面后換至另一側(cè)立面正上方進(jìn)行澆筑，兩側(cè)立面澆滿(mǎn)混凝土后緩慢移動(dòng)料斗持續(xù)澆筑，直至澆筑完成。最后刮除多余混凝土并抹平[見(jiàn)圖5（b）]，靜置 5 h后進(jìn)行 8 h蒸汽養(yǎng)護(hù)[見(jiàn)圖 5（c）]，養(yǎng)護(hù)完成后拆除模具并放置于沙地存放[見(jiàn)圖 5（d）]。

料斗出料速度由施工人員手動(dòng)控制，澆筑時(shí)料斗要左右擺動(dòng)，以便澆筑均勻。澆筑過(guò)程中要進(jìn)行輔助振動(dòng)，每澆1 m3的料要輔助振動(dòng)，每次振動(dòng)約20 s左右。

3.2 自密實(shí)混凝土管廊表面質(zhì)量

管廊混凝土靜置5 h后開(kāi)始蒸汽養(yǎng)護(hù)，8 h后脫模，發(fā)現(xiàn)自密實(shí)混凝土澆筑的預(yù)制管廊也存在一些表面質(zhì)量問(wèn)題，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）預(yù)制管廊底板上表面存在很多微小氣孔[見(jiàn)圖6（a）]，與普通混凝土澆筑的綜合管廊相比，氣孔直徑較小，而普通混凝土澆筑的管廊局部凹坑直徑可達(dá)120 mm；（2）預(yù)制管廊外立面局部缺漿、石子裸露[見(jiàn)圖 6（b）]，有 4～5 處出現(xiàn)此情況；（3）預(yù)制管廊出現(xiàn)多處水紋以及起砂的情況[見(jiàn)圖6（c）]。

自密實(shí)混凝土預(yù)制管廊質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）管廊結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，整體布筋較密，容易導(dǎo)致石子堵塞，影響混凝土的流動(dòng)和填充密實(shí)；同時(shí)，管廊高度達(dá)3 m，澆筑落差大，易出現(xiàn)漿骨分離的情況。（2）在原材料上，骨料級(jí)配較差，大石子中扁平狀居多。（3）兩次料澆筑時(shí)間間隔較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致第一斗料的流動(dòng)性和自密實(shí)性損失，以致在第二斗料澆筑時(shí)難以保證第一斗料的流動(dòng)和重新填充模板。（4）進(jìn)行輔助振動(dòng)時(shí)，只有鋼模外表面有振動(dòng)器，內(nèi)表面則沒(méi)有，局部氣孔難以排除。

自密實(shí)混凝土預(yù)制管廊質(zhì)量缺陷的改善措施：（1）宜采用5～20 mm連續(xù)級(jí)配的石子（針片狀含量不大于8%，含泥量不大于1.0%）；（2）在減水劑中復(fù)配增粘組分，可改善漿體的粘聚性，減少泌水；（3）2斗料澆筑的時(shí)間間隔應(yīng)小于10 min，并盡可能短。

圖6 預(yù)制管廊的表面質(zhì)量缺陷

4 結(jié)語(yǔ)

（1）原材料與配比參數(shù)顯著影響自密實(shí)混凝土的工作性能。隨著水膠比增大，混凝土的流動(dòng)性增加，離析泌水傾向加大；當(dāng)砂率從0.38增至0.46時(shí)，拌合物的擴(kuò)展度增大、T500擴(kuò)展時(shí)間縮短；摻合料總用量從15%增加到25%時(shí)，自密實(shí)混凝土的工作性能變好，但早期抗壓強(qiáng)度降低，影響預(yù)制管廊的脫模與吊裝。

（2）進(jìn)行工程應(yīng)用時(shí)，需要綜合考慮自密實(shí)混凝土的工作性能、物理力學(xué)性能以及表觀質(zhì)量等。除了嚴(yán)格控制原材料性能和配合比參數(shù)等，還可以改變澆注工藝來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量，如保證澆注過(guò)程的連續(xù)性，進(jìn)行短時(shí)輔助振搗等。

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