特長水工隧洞襯砌混凝土配合比的優(yōu)化研究

羅 毅

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410014)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和高新技術(shù)的不斷應(yīng)用，我國隧洞及地下工程得到了前所未有的迅速發(fā)展。截止2013年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，已建成的各類水工隧洞超過10 000 km，正在建設(shè)的引水隧洞超過1 000 km，已規(guī)劃的引水隧洞超過2 000 km。這些隧洞中，連續(xù)長度超過10 km以上的特長隧洞不勝枚舉，如已建成的大伙房隧洞單洞長度達85 km，在建的引漢濟渭工程中秦嶺隧洞單洞長度達82 km等。

輸水隧洞作為引、調(diào)水工程的主要建筑，其中混凝土襯砌環(huán)節(jié)是制約工期和保證質(zhì)量最關(guān)鍵的一道工序。而長距離輸水隧洞混凝土襯砌施工具有更多的問題和挑戰(zhàn)，如支洞控制段過長所帶來的混凝土運輸、混凝土拌和物入倉特性、襯砌臺車的布置以及混凝土襯砌施工方案等系列問題。這就要求在混凝土的襯砌過程中，首先要嚴(yán)格控制襯砌混凝土的質(zhì)量，優(yōu)化混凝土配合比，以配制出適合現(xiàn)場技術(shù)要求和施工環(huán)境的混凝土；最后對施工組織方案進行科學(xué)設(shè)計和安排，二者配合下完成隧洞的襯砌施工。

混凝土配合比是按照一定方法，通過一系列試驗成果分析，確定滿足混凝土設(shè)計性能指標(biāo)和施工工藝要求的單位體積混凝土中各種材料的用量[1,2]。配合比的優(yōu)化就是在施工過程根據(jù)原材料質(zhì)量的波動、施工工藝和環(huán)境的變化以及混凝土技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，在理論設(shè)計配合比成果的基礎(chǔ)上進行調(diào)整，以確定具體操作的施工配合比。

隨著對混凝土材料性能的深入研究，混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化已突破傳統(tǒng)的物理、力學(xué)以及耐久性能因素指標(biāo)，還充分考慮了混凝土的變形、熱學(xué)以及經(jīng)濟指標(biāo)等因素。因此，混凝土配合比的設(shè)計優(yōu)化[2,3]是試驗和研究相結(jié)合的過程，需要根據(jù)不同試驗組合下的成果分析，才能確定最終的混凝土配合比。本文立足于理論結(jié)合實踐，以某特長輸水隧洞工程為研究背景，對特長水工隧洞襯砌混凝土配合比的試配、調(diào)整、優(yōu)化進行全過程研究。

1 工程概況

某重點供水工程，主體建筑物為無壓水工隧洞，隧洞全長131 km；洞室最大埋深590 m，最小埋深約12 m，主體埋深位于100～350 m。

隧洞全長共分為五個施工標(biāo)段，采用鉆爆法為主和TBM為輔的聯(lián)合施工方法。其中鉆爆法施工隧洞呈馬蹄形斷面，成洞洞徑為7.3 m，長度為87 km，占隧洞總長的67%；TBM施工隧洞斷面為圓形，開挖洞徑為8.5 m，占隧洞總長的33%，如圖1所示。

圖1 輸水隧洞襯砌斷面圖(單位：mm)Fig.1 Section diagram of convey tunnel

隧洞襯砌混凝土屬于“薄壁”混凝土，如圖1所示，鉆爆法施工的馬蹄形隧洞斷面襯砌厚度為30 cm，TBM施工的圓形隧洞斷面襯砌厚度為35 cm。隧洞襯砌混凝土主要性能設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

表1 隧洞襯砌混凝土主要性能設(shè)計指標(biāo)Tab.1 Main design indexes of lining concrete

參閱相關(guān)水利工程規(guī)范，對設(shè)計使用年限為100年的耐久性混凝土原材料如何選取、配合比如何設(shè)計等問題沒有給出明確的規(guī)定，這就更加有必要借鑒工程實踐的相關(guān)經(jīng)驗和做法，對耐久性混凝土進行系統(tǒng)性研究，以確保工程采用的襯砌混凝土達到設(shè)計使用年限，減少后期的維修次數(shù)和費用。

2 混凝土配合比的設(shè)計

2.1 配合比的設(shè)計方法

混凝土配合比設(shè)計方法一般按照下列步驟進行計算[1,2]：①計算混凝土的配制強度；②根據(jù)配制強度和設(shè)計允許的最大水膠比限值初選水膠比；③根據(jù)施工要求的和易性選定用水量，并計算出膠凝材料的用量；④選取砂率，計算粗細骨料的用量；⑤通過實驗和調(diào)整，根據(jù)配制強度、混凝土耐久性要求和允許的最大水膠比限值選定水膠比，確定每立方米混凝土材料用量和配合比。

其中對于步驟③～⑤：

(1)膠凝材料根據(jù)初選水膠比、水泥、摻合料計算，如式(1)～式(3)所示：

mc+mp=mw/[w/(c+p)]

(1)

mc=(1-Pm)/(mc+mp)

(2)

mp=Pm(mc+mp)

(3)

式中：mc、mp、mw、Pm分別為每立方米混凝土水泥用量、摻合料用量、水用量、摻合料比例。

(2)粗細骨料的用量由已確定的用水量、膠凝材料用量和砂率根據(jù)“質(zhì)量法”來計算，如式(4)～式(6)所示：

ms,g=mc,e-(mw+mc+mp)

(4)

ms=ms,gSm

(5)

mg=ms,g-ms

(6)

式中：ms,g、mc,e、ms、mg、Sm分別為每立方米混凝土骨料總質(zhì)量、拌合物質(zhì)量的假定值(根據(jù)相關(guān)規(guī)范取值)、細骨料質(zhì)量、粗骨料質(zhì)量以及砂率。

(3)水膠比的試配調(diào)整。水膠比除了應(yīng)滿足混凝土設(shè)計強度等級要求外，還應(yīng)滿足設(shè)計規(guī)定的抗?jié)B、抗凍、經(jīng)濟節(jié)省等要求。因此混凝土水膠比的試配調(diào)整，其目的在于找到一個既能滿足混凝土各項設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，同時又能節(jié)省水泥用量的經(jīng)濟配合比方案。工程實踐中，有時為了簡化程序，僅僅單一注重混凝土強度指標(biāo)，將混凝土的試配強度標(biāo)準(zhǔn)定得過高，以滿足其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d的強度。這種做法所帶來的問題是：一方面不經(jīng)過試驗難以保證混凝土的各項設(shè)計指標(biāo)均符合要求，另一方面會導(dǎo)致水泥等膠凝材料用量過大所帶來的溫度裂縫和浪費等負面影響。因此，在初選水膠比后還需要進行水膠比的調(diào)整研究。

根據(jù)上述步驟，計算出相關(guān)參數(shù)后即可獲得混凝土配合比結(jié)果。

2.2 配合比設(shè)計參數(shù)確定

設(shè)計參數(shù)是配合比中最為關(guān)鍵的部分，其直接關(guān)系到混凝土各種材料的比例大小，直接影響著混凝土性能的優(yōu)劣[2]?；炷恋脑O(shè)計參數(shù)有配制強度、水膠比、單方用水量、砂率、粗骨料比例、外加劑摻量以及摻合料摻量等。

(1)配制強度。參照相關(guān)規(guī)范，混凝土配制強度按式(7)計算：

fcu.o=fcu.k+tσ

(7)

式中：fcu.o為混凝土配制強度；fcu.k為混凝土設(shè)計齡期立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，為35 MPa；t為概率度系數(shù)，一般按抗壓強度保證率P=95%取值，為1.645；σ為混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)混凝土設(shè)計齡期立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值來取值，C35對應(yīng)4.5。計算得混凝土的配制強度fcu.o=42.4 MPa。

(2)水膠比。水膠比w/(c+p)為每立方米混凝土中用水量與所用膠凝材料(如粉煤灰、礦粉、硅粉等)用量的比值?；炷脸踹x水膠比參照28 d設(shè)計齡期混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值來取值，當(dāng)30 MPa

根據(jù)在實驗室試拌得出結(jié)果，0.34的水膠比強度普遍高于設(shè)計要求下的配制強度，為了得到最優(yōu)水膠比，又進行了0.34、0.37、0.40三種水膠比的對比試驗。實驗室按照配合比設(shè)計方法進行混凝土配合比計算和試拌，測定混凝土強度，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 混凝土28 d抗壓強度與水膠比關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of 28 d concrete compressive strength and water-binder ratio

由圖2可知，當(dāng)水膠比為0.37時，混凝土抗壓強度為46.1 MPa，達到了混凝土配制強度的要求，且混凝土拌和物和易性良好。因此，本工程將水膠比試配調(diào)整為0.37的推薦值。

(3)用水量?；炷劣盟繎?yīng)根據(jù)骨料最大粒徑、摻合料和外加劑的品種及摻量，采用初選混凝土用水量進行試拌，混凝土滿足設(shè)計及施工和易性要求的最小用水量。

(4)砂率。砂率為砂與砂和石子之和的比例。砂率的選擇在固定其他參數(shù)情況下，通過砂率增減以混凝土拌和物的黏聚性、和易性等物理性能達到最優(yōu)，混凝土坍落度最大情況下的砂率為最優(yōu)砂率。有條件時可以測定不同砂率下的混凝土強度，綜合度指標(biāo)判定最優(yōu)砂率。

(5)骨料級配。本工程粗骨料采用碎石的二級級配，粒徑級配分別為5～20 mm和20～40 mm。粗骨料級配按照不同比例下的緊密堆積密度最大為最佳粗骨料級配。當(dāng)無試驗資料時，可以先按40∶60的比例進行試配試驗。本工程中，實驗室分別按40∶60、50∶50、60∶40的三種摻配比例進行緊密堆積密度和篩分試驗，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，50∶50摻配比例下的緊密堆積密度最大，同時方孔篩累計篩余率也分布最合理，因此，骨料級配采用50∶50的二級級配。

(6)粉煤灰摻量。摻加粉煤灰取代部分水泥可以減少水泥水化產(chǎn)生的熱量，有效控制混凝土因水化熱引起的溫度裂縫[4]。根據(jù)國標(biāo)及水工標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)水膠比≤0.40時，最大摻量35%，且粉煤灰為F類。本工程中，分別按粉煤灰摻量10%、20%及30%進行混凝土抗凍性能試驗，結(jié)果如圖3所示。

表2 襯砌混凝土骨料級配試驗結(jié)果Tab.2 Aggregate grading test of lining concrete

圖3 粉煤灰摻量優(yōu)選試驗Fig.3 Optimizing test of coal ash

試驗表明，混凝土抗凍指標(biāo)隨著粉煤灰摻量增加呈下降規(guī)律，當(dāng)粉煤灰摻量超過20%之后相對動彈及質(zhì)量損失下降較快，綜合考慮優(yōu)選粉煤灰摻量為20%。

(7)抗裂防水劑摻量?？沽逊浪畡┑哪康闹饕茄a償收縮，提高混凝土密實性，減少襯砌混凝土存在裂縫的可能?？沽逊浪畡┮话銚搅繛?%～8%，最大不超過10%。

(8)外加劑摻量。外加劑是可以切實改變混凝土性能的材料，尤其是對提高混凝土抗凍耐久性起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)規(guī)范，有抗凍要求的混凝土必須采用引氣劑，其摻量應(yīng)根據(jù)混凝土的含氣量要求通過試驗確定。

2.3 初始配合比

根據(jù)上述配合比的計算步驟，在各配合比設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上得出了混凝土初始設(shè)計配合比，其結(jié)果如表3所示。

由表3可知，初始配合比為1∶0.19∶0.08∶0.47∶0.01∶0∶2.47∶1.6∶1.6，其中砂率為44%，水膠比為0.37，粗骨料級配為50∶50的二級級配，沒有摻入引氣劑。

3 混凝土配合比的優(yōu)化研究

3.1 優(yōu)化前的襯砌外觀質(zhì)量

根據(jù)上述混凝土初始配合比結(jié)果進行現(xiàn)場混凝土襯砌施工，但是在混凝土外觀質(zhì)量檢查過程中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯砌面有較多的早期環(huán)向裂縫、水壓裂縫和氣泡。這說明試驗所確定的混凝土配合比，不一定能完全適合施工現(xiàn)場的實際條件和環(huán)境。受現(xiàn)場施工設(shè)備、運輸方法、運輸距離以及施工氣候等條件的影響，混凝土特性受到影響。因此，需結(jié)合工程實踐對混凝土配合比進行優(yōu)化。對上述外觀質(zhì)量缺陷進行成因分析：

表3 混凝土初始配合比Tab.3 Initial mix proportion of concrete

(1)早期環(huán)向裂縫成因分析。對于早期環(huán)向裂縫[5]，根據(jù)其成因分析主要包括收縮裂縫、干縮裂縫和溫拉裂縫3種裂縫，逐一分析：①由于襯砌混凝土設(shè)計強度等級高，漿體體積比率大和混凝土穩(wěn)定性降低等因素，致使混凝土早期收縮較大，容易形成收縮裂縫。②隧洞貫通后，溫度下降，受熱空氣向上游流動的原因，產(chǎn)生干縮裂縫。③襯砌混凝土與初期支護混凝土之間設(shè)置有防水板，界面有較大的摩擦阻力。因水化熱原因襯砌混凝土內(nèi)部溫度高于表面溫度，內(nèi)部混凝土因與界面有摩擦阻力，限制其變化，這樣產(chǎn)生了溫拉裂縫。

(2)水壓裂縫成因分析。對于水壓裂縫，一般出現(xiàn)在混凝土分層處。分析其原因：①在分層處因泵送時間差和振搗不便，導(dǎo)致前后混凝土存在硬化時間差，沒有完全硬化的混凝土早期較為脆弱。②圍巖的滲流面滲入混凝土分層后形成了自由水，隨著積水越多產(chǎn)生一定的水壓，這樣沿混凝土分層處形成水壓裂縫。

(3)氣泡問題成因分析。襯砌混凝土產(chǎn)生氣泡的原因主要有以下幾方面：①冬季施工時溫度低，混凝土在攪拌、運輸過程中帶入空氣而產(chǎn)生的氣泡不易排出。②外加劑使混凝土產(chǎn)生氣泡。③混凝土入倉振搗后，混凝土溫度升高，氣泡遇熱膨脹在混凝土內(nèi)部不易破裂。④混凝土水化過程中有多余的自由水，受自由水和受熱氣泡的作用，容易在粗骨料和砂漿之間形成局部通道，從而形成了局部氣泡。

3.2 優(yōu)化措施方法

針對上述存在的外觀質(zhì)量問題，主要采取以下三種措施對混凝土進行調(diào)整：

(1)調(diào)整外加劑用量。一方面調(diào)整減水劑的用量；另一方面對減水劑進行消泡和破泡處理，具體措施為在減水劑中摻入0.1%消泡劑，控制不摻引氣劑前混凝土含氣量在3%以內(nèi)；然后摻入0.05%的引氣劑，使混凝土含氣量達到4.7%左右。

(2)調(diào)整膠凝材料用量。在保持混凝土強度和水膠比不變的條件下，降低混凝土用水量，減少混凝土內(nèi)部的自由水和混凝土漿體體積，降低水化熱。同時，考慮到混凝土抗壓強度指標(biāo)具有較大富余量，減小混凝土膠凝材料用量，降低襯砌混凝土經(jīng)濟成本。

(3)優(yōu)化施工工藝。現(xiàn)場施工中，將混凝土分層厚度控制在50 cm以內(nèi)。同時加強振搗，讓混凝土內(nèi)氣泡從混凝土分層面處排出，減少氣泡通道。

3.3 配合比優(yōu)化結(jié)果

基于上述優(yōu)化措施，在滿足襯砌混凝土強度、耐久性等各項性能和指標(biāo)的基礎(chǔ)上，各標(biāo)段結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對混凝土材料進行相關(guān)調(diào)整和優(yōu)化，得出系列優(yōu)化后的配合比數(shù)據(jù)，具體如表4所示：

表4 優(yōu)化后的混凝土配合比Tab.4 Optimized mix proportion of concrete

(1)由表4可知，在混凝土材料構(gòu)成中，水泥、水和砂每立方米的用量均有所減小，其中水泥用量從327 kg/m3最低降低至300 kg/m3左右，每立方米混凝土節(jié)約水泥達25 kg，極大地降低了工程造價。

(2)對上述優(yōu)化配合比后的混凝土進行外觀質(zhì)量進行檢測，發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫和氣泡均明顯減少，混凝土外觀質(zhì)量得到了明顯改善。數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可知，對于裂縫，混凝土配合比優(yōu)化前檢測出每100 m裂縫的條數(shù)為11.1條，混凝土配合比優(yōu)化后平均每100 m裂縫的條數(shù)為2.6條，減少比例為76.6%。對于氣泡，混凝土配合比優(yōu)化前檢測出每倉混凝土氣泡的面積為19 m2，混凝土配合比優(yōu)化后每倉混凝土氣泡的面積為9 m2，氣泡面積減少比例為52.6%。

圖4 襯砌混凝土配合比優(yōu)化前后外觀質(zhì)量檢測Fig.4 Appearance quality test results of lining concrete before and after optimization

4 結(jié) 語

本研究立足于理論結(jié)合實踐，對特長水工隧洞襯砌混凝土的配合比進行優(yōu)化研究。通過對混凝土配合比進行計算、試拌、調(diào)整以及優(yōu)化研究，在滿足襯砌混凝土設(shè)計要求的強度、耐久性以及外觀質(zhì)量等各項性能和指標(biāo)條件下，經(jīng)濟合理地選擇出了各種材料的用量，為隧洞混凝土襯砌施工的順利進行提供了有效保證。同時，這也說明在混凝土材料的制備中，不能只著重考慮強度指標(biāo)而忽略其他性能指標(biāo)，對配合比進行優(yōu)化研究極有必要。

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