港珠澳大橋人工島隧道混凝土配制技術(shù)研究

焦運(yùn)攀 ，劉可心 ，高凡 ，占文

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040）

0 引言

港珠澳大橋隧道總長(zhǎng)約6289 m，其中沉管隧道長(zhǎng)約5664 m，東西人工島隧道長(zhǎng)約625 m[1]。人工島隧道結(jié)構(gòu)具有超大斷面、鋼筋密集等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)要求混凝土密實(shí)無裂縫，結(jié)構(gòu)耐久無滲水，使用壽命120年[2]。沉管隧道混凝土結(jié)構(gòu)，采用分段工廠化預(yù)制，浮運(yùn)至沉放地點(diǎn)拼接組裝。而人工島隧道混凝土結(jié)構(gòu)要求現(xiàn)場(chǎng)澆筑，人工島所處環(huán)境較差，高溫時(shí)間較長(zhǎng)，常年濕度較大，水蒸氣中氯離子含量較高，同時(shí)澆筑與養(yǎng)護(hù)條件遠(yuǎn)不如工廠化預(yù)制優(yōu)越[3-6]。但對(duì)混凝土的工作性、強(qiáng)度、耐久性以及體積穩(wěn)定性等性能指標(biāo)要求嚴(yán)格，要求混凝土結(jié)構(gòu)具備高抗裂、低滲透、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)[7-8]。

因此，根據(jù)人工島隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及施工工藝要求，分析混凝土配合比中的水膠比、膠凝材料用量以及組成對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響規(guī)律，優(yōu)選混凝土配合比，配制滿足工作性、強(qiáng)度、耐久性的低滲透高抗裂的高性能混凝土，降低隧道混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 混凝土性能指標(biāo)要求

根據(jù)人工島隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工要求，對(duì)其混凝土的工作性、強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗?jié)B等級(jí)等技術(shù)參數(shù)提出了相應(yīng)的要求（見表1）。同時(shí)要求混凝土的水膠比（W/B）不大于0.36，膠凝材料用量為360～480 kg/m3，為防止水化熱和干燥收縮引起的混凝土開裂，要求混凝土的絕熱溫升不超過43℃，90 d干燥收縮不大于300×10-6mm/mm。

表1 港珠澳大橋暗埋段沉管混凝土的配制要求

1.2 原材料

水泥：廣西平南生產(chǎn)的華潤(rùn)P·Ⅱ42.5水泥，比表面積318 m2/kg，C3A含量7.0%；粉煤灰：江蘇諫壁電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，需水量比為94%；礦粉：首鋼盾石牌S95級(jí)礦粉，比表面積420 m2/kg，7 d、28 d活性指數(shù)分別為82%、109%；細(xì)骨料：廣西西江中砂，細(xì)度模數(shù)2.75；粗骨料：廣東江門白水帶碎石，5～20 mm連續(xù)級(jí)配；外加劑：江蘇博特聚羧酸鹽高性能減水劑，減水率不低于25%。

1.3 混凝土配合比

混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)采用體積法，試驗(yàn)研究過程中膠凝材料用量為380～460 kg/m3、膠凝材料中水泥所占比例C/B為35%～50%、水膠比W/B為0.30～0.36，分析研究W/B、膠凝材料用量以及C/B的變化對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響，各組試驗(yàn)配合比參數(shù)見表2。試驗(yàn)中混凝土坍落度控制在（200±20）mm，含氣量控制在（2.0±0.5）%。

表2 混凝土配合比參數(shù)

1.4 試驗(yàn)方法

混凝土拌和物的工作性能依據(jù)GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，力學(xué)性能依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，抗?jié)B性能、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和干縮試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，絕熱溫升依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土的工作性能

對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，新拌混凝土具有良好的工作性能是保證其硬化后性能的前提，在混凝土配合比中W/B和膠凝材料用量是影響新拌混凝土工作性能的重要因素。

由表 2可知，3#、9#配合比的 W/B 分別為 0.32、0.30，新拌混凝土保水性良好，但粘度較大，甚至出現(xiàn)抓底現(xiàn)象，工作性能較差；4#、10#配合比的W/B增大至0.34，新拌混凝土工作性能良好，無離析或泌水現(xiàn)象；5#配合比的W/B為0.36時(shí)，新拌混凝土粘度雖有所降低，但是保水性能下降，出現(xiàn)離析和泌水現(xiàn)象，工作性能不良。

1#、2#配合比的膠凝材料用量分別為 380、400 kg/m3，新拌混凝土雖然無離析泌水現(xiàn)象，但流動(dòng)性和漿體對(duì)骨料包裹性不足；11#配合比的膠凝材料用量為460 kg/m3，新拌混凝土漿體富余且有輕微泌水現(xiàn)象；4#、10#配合比的膠凝材料用量分別為420、440 kg/m3，新拌混凝土漿體包裹性良好，無離析或泌水現(xiàn)象。

綜上可知，W/B為0.34，膠凝材料用量為420～440 kg/m3時(shí)，新拌混凝土的工作性能良好。若膠凝材料用量增加，新拌混凝土中富余的漿體較多，泌水風(fēng)險(xiǎn)較大；若膠凝材料用量減少，新拌混凝土的流動(dòng)性及漿體的包裹性變差。若增大W/B，混凝土易產(chǎn)生離析泌水，保水性降低；若降低W/B，混凝土粘度增大，流動(dòng)度變差。

2.2 混凝土的力學(xué)性能

各組配合比試樣在不同齡期的抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表3 各組配合比試樣在不同齡期的抗壓強(qiáng)度

由表3可知，各組配合比試樣的28 d、56 d抗壓強(qiáng)度均高于設(shè)計(jì)指標(biāo)，但W/B較高的5#配合比和C/B較低的6#配合比的早期強(qiáng)度較低。

當(dāng)W/B作為單一變量時(shí)，W/B增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)膠凝材料用量為420 kg/m3，W/B小于0.34時(shí)，混凝土強(qiáng)度富余量過多，但是工作性能較差，施工質(zhì)量不易控制；W/B大于0.34時(shí)，混凝土強(qiáng)度偏低，強(qiáng)度保證率不足；W/B為0.34時(shí)，混凝土強(qiáng)度富余量較為合理。

當(dāng)C/B作為單一變量時(shí)，C/B在35%～50%范圍內(nèi)時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著C/B的增大總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。當(dāng)W/B為0.34、膠凝材料用量為420 kg/m3時(shí)，分析C/B的變化對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響可知，C/B為40%、45%的配合比試樣，混凝土的早期強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，56 d抗壓強(qiáng)度接近甚至超過C/B為50%的配合比，然而C/B為35%的配合比試樣的早期和后期強(qiáng)度均為最低。分析原理可認(rèn)為，當(dāng)C/B為40%～50%時(shí)，礦物摻合料通過參與二次水化反應(yīng)，使其活性得到充分激發(fā)，雖然早起強(qiáng)度發(fā)育緩慢，若養(yǎng)護(hù)得當(dāng)，后期強(qiáng)度發(fā)展迅速，達(dá)到甚至超過設(shè)計(jì)要求，這是由于二次水化反應(yīng)后，礦物摻合料細(xì)化了混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，從而降低孔隙率，增加混凝土的密實(shí)度，達(dá)到提高強(qiáng)度的效果。若礦物摻合料摻量過多，由于二次水化反應(yīng)速率緩慢，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度發(fā)育長(zhǎng)期處于比較緩慢的階段，混凝土強(qiáng)度偏低。

2.3 混凝土的耐久性

各組配合比試樣的抗氯離子滲透和抗水滲試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，各組配合比試樣在各齡期的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均符合配制要求，但W/B、膠凝材料用量、C/B等因素的變化對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律各不相同。

由表4中3#、4#、5#配合比的試驗(yàn)結(jié)果可知，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著W/B增大而增大，雖然混凝土的28 d、56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，但是5#配合比試樣的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加至5.2×10-12m2/s，是3#配合比試樣的1.55倍，抗氯離子滲透性能顯著降低。由此可見，水膠比增大，水化反應(yīng)后混凝土內(nèi)部大孔數(shù)量增加，從而降低混凝土的抗氯離子滲透性能。因此，為確保混凝土的抗氯離子滲透性能，W/B不應(yīng)大于0.34。

由表 4 中 1#、2#、4#、10#、11#配合比的試驗(yàn)結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，隨著膠凝材料用量增加，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)先降低后升高。分析原因可知，當(dāng)膠凝材料用量較少時(shí)，漿體對(duì)骨料的包裹性不足，水化反應(yīng)過后混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較多大孔，便于氯離子擴(kuò)散；隨著膠材用量增多，漿體對(duì)骨料的包裹性改善，水化后混凝土中大孔減少，使其更密實(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)減?。荒z凝材料用量繼續(xù)增加，導(dǎo)致漿體富余過多，雖然混凝土內(nèi)部大孔數(shù)量減少，但是毛細(xì)孔數(shù)量較多，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大。因此，膠凝材料的用量在420～440 kg/m3時(shí)，混凝土的抗氯離子滲透性能較好。

由表4中6#、4#、7#、8#配合比的試驗(yàn)結(jié)果同樣可以發(fā)現(xiàn)，隨著C/B增加，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大。這是因?yàn)榈V物摻合料比例增加，混凝土內(nèi)部的空隙不斷得到細(xì)化或填充，混凝土抗氯離子滲透性能增強(qiáng)。具體分析可以認(rèn)為，礦渣粉具有一定的潛在活性，水化產(chǎn)物可以切斷混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔隙，使之不能互相連通，從而阻礙氯離子擴(kuò)散。而粉煤灰的活性相對(duì)較低，在改善孔隙結(jié)構(gòu)能力方面不如礦渣粉，但可以提高混凝土的工作性，使混凝土具有較好的流動(dòng)性，填充粗大空隙，提高混凝土的密實(shí)度，混凝土的抗氯離子滲透性能提高。因此，C/B在40%～50%時(shí)，混凝土的抗氯離子滲透性能較好。

表4 混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與抗水壓滲透等級(jí)

各組配合比試樣28 d的抗水壓滲透等級(jí)均大于P12，抗水壓滲透性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求，W/B、膠凝材料用量和C/B的變化對(duì)混凝土抗水壓滲透等級(jí)影響不明顯。

2.4 混凝土的體積穩(wěn)定性

各組配合比試樣在90 d的干燥收縮值和7 d的絕熱溫升如表5所示。

表5 混凝土的干燥收縮值與絕熱溫升

由表5可知，混凝土的干縮值隨著W/B、膠凝材料用量和C/B的增加而增大；膠凝材料用量為420～460 kg/m3時(shí)，膠凝材料用量的變化對(duì)混凝土干縮值的影響幅度最大，W/B次之，C/B最小。其中膠凝材料用量為460 kg/m3的配合比試樣90 d干縮值更是超過了300×10-6mm/mm。因此，在要求低水膠比、高摻量礦物摻合料的條件下，設(shè)計(jì)人工島隧道混凝土配合比過程中，應(yīng)把膠凝材料用量作為控制混凝土干燥收縮主要因素，控制膠凝材料用量不超過420 kg/m3。

混凝土的絕熱溫升是水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化而成。因此，水泥用量是影響混凝土絕熱溫升的主要因素。由表5可知，當(dāng)膠凝材料用量大于420 kg/m3或C/B超過45%時(shí)，混凝土的絕熱溫升超過43℃，為控制混凝土的絕熱溫升，降低溫度應(yīng)力引起的混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)控制膠凝材料的用量小于420 kg/m3、C/B低于45%。

2.5 配合比優(yōu)選

在港珠澳大橋人工島隧道工程的大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的條件下，綜合分析W/B、膠凝材料用量以及C/B等因素的變化對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響，優(yōu)選出兼顧工作性、力學(xué)性能、耐久性以及體積穩(wěn)定性的最佳配合比，為4#配合比，該組配合比混凝土絕熱溫升與干燥收縮值較低，可降低水化熱和干燥收縮引起的混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

（1）混凝土的工作性能受W/B和膠凝材料用量的影響，當(dāng)W/B為0.34、膠凝材料用量為420～440 kg/m3時(shí)，新拌混凝土的工作性能最佳。

（2）混凝土的抗壓強(qiáng)度隨W/B降低和C/B增大而提高，當(dāng)W/B為0.34，C/B為40%～50%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最為理想。

（3）W/B、膠凝材料用量以及C/B的變化都會(huì)影響混凝土的抗氯離子滲透性，當(dāng)W/B不大于0.34、膠凝材料用量為420～440 kg/m3、C/B為40%～45%時(shí)，混凝土的抗氯離子滲透性能最佳；以上3種因素對(duì)高摻量礦物摻合料和低水膠比的混凝土抗水滲性能影響較小。

（4）水泥用量是影響高摻量礦物摻合料、低水膠比混凝土體積穩(wěn)定性的主要因素，控制膠凝材料用量不大于420 kg/m3、C/B低于45%，可以保證混凝土具有良好的體積穩(wěn)定性。

（5）綜合分析水膠比、膠凝材料用量、膠凝材料組成對(duì)人工島隧道混凝土工作性、力學(xué)性、耐久性和體積穩(wěn)定性的影響，確定混凝土配合比的最佳水膠比為0.34，膠凝材料用量為420 kg/m3，膠凝材料組成為40%水泥+30%粉煤灰+30%礦粉。

[1] 孟凡超.港珠澳大橋主體工程總體設(shè)計(jì)[C]//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)橋梁及結(jié)構(gòu)工程分會(huì)，上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì).第十九屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)）.上海，2010：57-77.

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[7] 王勝年，蘇權(quán)科，范志宏，等.港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)原則與方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014（6）：1-8.

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