高性能混凝土在地鐵工程中的綜合性能研究

彭詩揚(yáng)

江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001

1 引言

近十年來，我國各地區(qū)大城市正如火如荼地進(jìn)行大規(guī)模的地鐵工程建設(shè)。地鐵工程大都先采用盾構(gòu)法挖通隧道，然后將混凝土管片組裝成通道。地鐵工程作為重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程，對其耐久性和長期性能要求較高，除了必須滿足工程需要的混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求，能承受隧道土層壓力、滲水壓力以及一些特殊荷載之外，還必須滿足設(shè)計(jì)要求的安全質(zhì)量指標(biāo)，如防水抗?jié)B等級、抗氯離子滲透性、開裂面積和收縮變形性能等［1］。但普通混凝土用于地鐵工程常常伴隨著開裂、破損、滲漏等質(zhì)量問題，難以達(dá)到50 年甚至100 年以上的服役壽命要求，地鐵工程后期維護(hù)、補(bǔ)強(qiáng)和堵漏等將耗費(fèi)大量的人力物力成本。

高性能混凝土與普通混凝土相比，是具有優(yōu)異耐久性能、工作性能、力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性能的新型綠色建筑材料，具有較高的強(qiáng)度和韌性，其抗?jié)B和抗腐蝕等耐久性能大大提升［2-3］。目前，高性能混凝土在國內(nèi)外重大重點(diǎn)工程都得到廣泛應(yīng)用，獲得了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文針對南昌某地鐵工程的質(zhì)量要求，配制出符合設(shè)計(jì)要求的高性能混凝土，并對高性能混凝土的耐久性進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)原材料和試驗(yàn)方法

2.1 原材料

（1）水泥：采用萬年青生產(chǎn)的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

（2）礦物摻合料：采用南昌某電廠II 級粉煤灰，粉煤灰的細(xì)度、需水量比和活性指數(shù)等主要性能指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1596 規(guī)定的要求。采用江西南方水泥廠生產(chǎn)的S95 礦粉，礦粉的細(xì)度、流動度比和活性指數(shù)等主要性能指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18046 規(guī)定的要求。

（3）粗骨料：采用江西高安碎石，5～31.5mm 連續(xù)級配，表觀密度為2705kg/m3，堆積密度為1660kg/m3，空隙率為42.8%，壓碎值為7.2%，

（4）細(xì)骨料：細(xì)骨料采用江西本地的贛江河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，松散堆積密度為1655kg/m3，空隙率為41.4%。

（5）外加劑：采用江西迪特科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高性能減水劑，固含量8%，減水率26%，推薦摻量為膠凝材料總量的0.8%～1.2%。采用武漢三源生產(chǎn)的膨脹劑和聚乙烯醇纖維，膨脹劑摻量為混凝土膠凝材料的6%～12%；纖維聚乙烯醇纖維抗拉強(qiáng)度≥270MPa，彈性模量≥3000MPa。此外還有巴斯夫生產(chǎn)的混凝土減縮劑。

2.2 試驗(yàn)配合比

工程設(shè)計(jì)要求采用C35 混凝土配合比，坍落度要求180±30mm，28d 抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)混凝土的強(qiáng)度等級要求，抗?jié)B等級不低于P8，本試驗(yàn)配合比見表2。

表2 不同混凝土的配合比設(shè)計(jì) kg/m3

2.3 試驗(yàn)方法

（1）混凝土工作性試驗(yàn)

按照（GBT 50080-2016）《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的方法進(jìn)行。包括坍落度和擴(kuò)展度以及1h 坍落度等性能指標(biāo)。

（2）混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

按照（GB ∕T 50081-2019）《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的方法進(jìn)行。試驗(yàn)采用尺寸為150mm×150mm×150mm的試件，測試其7d、14d、28d和60d抗壓強(qiáng)度。

（3）混凝土碳化試驗(yàn)

按照（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)》規(guī)定的方法進(jìn)行測試。試驗(yàn)試驗(yàn)采用尺寸為100mm×100mm×400mm 的試件。

（4）混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中的逐漸加壓法進(jìn)行混凝土抗?jié)B性能測試。

（5）混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)

按照（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)》中的電通量法和氯離子擴(kuò)散系數(shù)法進(jìn)行測試。試驗(yàn)尺寸為50mm 厚，100mm 直徑的試件。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 高性能混凝土的工作性能和力學(xué)性能

試驗(yàn)分別采用單摻纖維、膨脹劑和減縮劑以及三摻三種添加劑的高性能混凝土，并與基準(zhǔn)混凝土對比研究其工作性能和力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3 的試驗(yàn)結(jié)果可知，單摻纖維、膨脹劑或者減縮劑的混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，初始坍落度較好，和易性均表現(xiàn)良好，而摻加纖維、膨脹劑或者減縮劑的混凝土1h 坍落度與基準(zhǔn)混凝土相比有所降低，但降幅不大，仍可以滿足施工要求。整體而言，摻纖維、膨脹劑或者減縮劑并不會對混凝土工作性造成不利影響。

就混凝土的力學(xué)性能而言，與基準(zhǔn)混凝土相比，單摻纖維、膨脹劑或者減縮劑的混凝土7d、14d、28d 和60d 抗壓強(qiáng)度都有明顯提高，特別是混凝土后期強(qiáng)度得到快速穩(wěn)定增長。而三摻纖維、膨脹劑和減縮劑的混凝土7d 和14d 抗壓強(qiáng)度雖然略低于基準(zhǔn)混凝土，但其28d 和60d 抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土。整體而言，摻纖維、膨脹劑或者減縮劑，對混凝土有明顯的增強(qiáng)作用，并且單摻比復(fù)摻效果更好，成本也更低。

表3 各配比混凝土工作性能和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 高性能混凝土的碳化和抗水滲透性能

試驗(yàn)分別采用單摻纖維、膨脹劑和減縮劑以及三摻三種添加劑的高性能混凝土，并與基準(zhǔn)混凝土對比研究其碳化性能和抗水滲透性能，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 各配比混凝土碳化性能和抗水滲透性能試驗(yàn)結(jié)果

從表4 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻纖維、膨脹劑和減縮劑的混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，各齡期碳化深度均有所下降，說明摻纖維、膨脹劑和減縮劑可以降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的密實(shí)度，阻隔空氣中的水分和二氧化碳進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而提高混凝土的抗碳化性能。此外，摻纖維、膨脹劑和減縮劑的混凝土抗?jié)B等級達(dá)到P10 以上，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 高性能混凝土的抗氯離子滲透性能

混凝土抗氯離子滲透性能是混凝土抵抗氯離子通過毛細(xì)孔和空隙滲透到混凝土內(nèi)部引起混凝土鋼筋銹蝕，從而保證混凝土使用壽命的一種耐久性能。氯離子對混凝土的侵蝕過程是：首先地下水或其它氯離子源擴(kuò)散至混凝土表面，然后通過毛細(xì)管作用進(jìn)入混凝土內(nèi)部，再滲透至混凝土鋼筋位置，通過電化學(xué)作用引起混凝土鋼筋腐蝕。混凝土因氯離子引起的鋼筋腐蝕是混凝土結(jié)構(gòu)很常見的一種耐久性失效質(zhì)量問題。因此需要采取一定的技術(shù)措施來提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

試驗(yàn)分別采用單摻纖維、膨脹劑和減縮劑以及三摻三種添加劑的高性能混凝土，并與基準(zhǔn)混凝土對比研究其抗氯離子滲透性能，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 各配比混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果

從表5 的試驗(yàn)結(jié)果來看，單摻纖維、膨脹劑或者減縮劑以及三摻三種添加劑的混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，28d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)均有一定程度的下降，且降幅明顯，特別是三摻混凝土的28d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降了43%；同時單摻纖維、膨脹劑或者減縮劑以及三摻三種添加劑的混凝土56d 電通量也有顯著下降。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，摻纖維、膨脹劑或者減縮劑以及復(fù)摻三種添加劑可以對混凝土起到一定的增強(qiáng)作用，同時大幅提高混凝土的抗碳化、抗水滲透和抗氯離子滲透等耐久性能。

4 結(jié)語

（1）摻纖維、膨脹劑或者減縮劑可以在不影響混凝土工作性，并滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下，大幅提高混凝土的抗碳化、抗水滲透和抗氯離子滲透等耐久性能，使得地鐵工程混凝土的服役壽命顯著提高。

（2）目前城市地鐵工程的大規(guī)模建設(shè)，對緩解大城市交通擁堵發(fā)揮著越來越重要的作用，這就要求工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的防水抗?jié)B高性能混凝土，高性能混凝土用于地鐵工程還需要大量的實(shí)際應(yīng)用和進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，以彌補(bǔ)國內(nèi)地鐵工程防水抗?jié)B技術(shù)的不足，同時對混凝土耐久性進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以確保工程質(zhì)量。