地鐵盾構(gòu)管片用高性能混凝土性能研究

權(quán)軍力

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350)

隨著地鐵盾構(gòu)管片用混凝土耐久性的提高，普通混凝土的性能已經(jīng)無(wú)法滿足要求，高性能混凝土逐漸被應(yīng)用于管片結(jié)構(gòu)中。內(nèi)外相關(guān)學(xué)者相繼對(duì)高性能混凝土(HPC)開(kāi)展研究，針對(duì)實(shí)際工程要求的差異，高性能混凝土的性能探究路徑不盡相同，主要集中于礦物摻合料和高性能聚羧酸減水劑方面。20世紀(jì)90年代以來(lái)，相關(guān)學(xué)者就高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中摻入礦物摻合料的觀點(diǎn)基本達(dá)成一致[1-3]，結(jié)論主要集中于粉煤灰顆粒的預(yù)處理可以改善顆粒組成與特性、提高混凝土氯離子抗侵入能力以及適當(dāng)比例的礦物摻合料替代水泥時(shí)混凝土兼具抗?jié)B性能和抗腐蝕能力；方坤禮[4]指出將不同摻量的超細(xì)礦粉摻入到管片混凝土中，結(jié)果表明摻加超細(xì)礦粉的管片混凝土耐久性優(yōu)良，其效果優(yōu)于S95 級(jí)礦粉；孫鑫鵬等[5]提出將超細(xì)粉煤灰摻入高性能混凝土，混凝土兼具抗凍性、抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕性能等多方面優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低高性能混凝土單位面積磨損量，改善混凝土早期強(qiáng)度和干縮性能；簡(jiǎn)宜端[6]提出粉煤灰、礦粉雙摻觀點(diǎn)，雙摻的高性能混凝土一定程度上能夠改善混凝土的工作性能、強(qiáng)度以及耐久性，且具有更好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

本研究立足于天津地鐵項(xiàng)目，施工過(guò)程中管片滲水是項(xiàng)目面臨的主要難題，綜合現(xiàn)有高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用控制變量的方法，在膠凝材料、集料、外加劑、水不變的條件下，通過(guò)調(diào)整膠凝組分中礦物摻合料的類型、比例，設(shè)計(jì)出不同膠凝組分配合比，旨在提高地鐵盾構(gòu)管片用高性能混凝土力學(xué)性能，同時(shí)結(jié)合耐久性中電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)以及抗?jié)B等級(jí)分析，得出最佳配合比并應(yīng)用于工程實(shí)際中。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥：天津金隅振興水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O 42.5 低堿水泥，水泥中鋁酸三鈣含量低于5%；礦物摻合料：天津軍電電力有限公司生產(chǎn)的FⅠ類粉煤灰，天津大港油田億通礦粉有限公司生產(chǎn)的400～500 m2/kg礦粉，SiO2≥85% 微硅粉由山東三美硅材料有限公司提供；細(xì)集料：遼寧綏中有限公司提供的細(xì)度模數(shù)2.7、含泥量2.0%的中砂；粗集料：河北三河有限公司提供的5～20 mm碎石，含泥量0.5%，針、片狀含量小于10%；高性能減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 拌合物性能測(cè)試方法

(1) 新拌混凝土工作性能測(cè)試坍落度、含氣量試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50080-2016)。

(2) 混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50081-2019)。

(3) 混凝土的電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗?jié)B等級(jí)測(cè)試依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50082-2019)。

1.2.2 高性能混凝土配比設(shè)計(jì)

天津地鐵盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)年限100 a，結(jié)合公司盾構(gòu)管片生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)管片用高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：①混凝土水膠比≤0.36，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，強(qiáng)度等級(jí)富余系數(shù)≥1.08；②依據(jù)耐久性設(shè)計(jì)要求，抗?jié)B等級(jí)為P10，混凝土總堿含量≤3.0 kg/m3， 56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤3×10-12m/s，56 d電通量<1 000 C；③綜合成本考慮，最大膠凝材料用量480 kg/m3。摻合料采用礦粉、粉煤灰、微硅粉，其中摻合料總量占膠凝材料的20%～50%，依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，天津地鐵項(xiàng)目礦物摻合料總量取40%，設(shè)計(jì)出3種配比，見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì) kg/m3

2 結(jié)果與分析

2.1 工作性能分析

依據(jù)地鐵盾構(gòu)管片用高性能混凝土質(zhì)量要求，混凝土自出機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)澆筑嚴(yán)格控制在2 h以內(nèi)，因此新拌混凝土坍落度值、含氣量值2 h的發(fā)展變化對(duì)混凝土施工效率及后期服役過(guò)程中的耐久性至關(guān)重要?；炷僚浜媳刃掳杼涠戎岛? h坍落度值變化趨勢(shì)如表2所示。從表2中可以看出：①C1、C2、C3配合比新拌混凝土、2 h坍落度值均遵循C2>C3>C1；②新拌至2 h坍落度損失的發(fā)展規(guī)律為：C1>C3>C2。其中，C1配合比2 h損失最高，C2、C3的2 h損失較低且較為接近。C1配合比為水泥膠凝組分，C2、C3配合比分別為水泥-粉煤灰-礦粉、水泥-粉煤灰-礦粉-微硅粉膠凝組分，礦物摻合料的摻入減小了2 h內(nèi)坍落度損失率，有利于早期混凝土的可施工性。對(duì)比C2、C3可得，新拌混凝土的坍落度值變化為C3>C2，主要原因： C2、C3配合比中粉煤灰摻量依次為20%、17.5%，粉煤灰微觀形貌(見(jiàn)圖1)呈球形可以改善早期混凝土的流動(dòng)性，因此C2坍落度值較高；微硅粉微結(jié)構(gòu)形貌(見(jiàn)圖2)呈規(guī)則納米級(jí)球形顆粒分布，比表面積較大，早期水化速率較快，致使早期流動(dòng)性顯著下降。2 h時(shí)C1坍落度損失最大，主要原因是早期水泥水化反應(yīng)迅速，快速水化的水泥在顆粒表面形成阻隔水泥進(jìn)一步水化的產(chǎn)物，而摻加摻合料的膠凝組分中水泥組分較少，水化速度較緩，損失率均低于C1。

高性能混凝土相較于普通混凝土的工作性能、可施工性能優(yōu)良，設(shè)計(jì)配合比時(shí)引入尺寸小、分散性好、密閉的氣泡可進(jìn)一步提升混凝土的高流動(dòng)性、抗離析性，同時(shí)氣體的引入兼具粘度的提高，即增加膠凝材料對(duì)集料的包裹性，最終形成密實(shí)、均質(zhì)的混凝土管片構(gòu)件。遵循高性能混凝土含氣量的質(zhì)量要求，含氣量控制范圍為2.0%～4.0%，含氣量發(fā)展趨勢(shì)如表2所示，分析可得：①新拌混凝土、2 h時(shí)含氣量發(fā)展規(guī)律與坍落度發(fā)展規(guī)律等同，即C2>C3>C1；②2 h含氣量損失的發(fā)展規(guī)律為：C1>C3>C2。C1含氣量的損失分?jǐn)?shù)高于C2、C3，主要原因：水泥具有較強(qiáng)的吸附作用，水泥早期水化吸附了混凝土拌制過(guò)程中產(chǎn)生的氣體，且隨著水泥摻量的增加，吸附的氣體量增多，最終致使混凝土含氣量降低，C1膠凝組分中水泥的占比量最高，因此C1含氣量的損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大；粉煤灰因其微結(jié)構(gòu)的形態(tài)和生產(chǎn)工藝摻入混凝土?xí)r會(huì)增大混凝土的含氣量，且隨著摻量的增大，含氣量隨之增大，其中C2、C3配合比中粉煤灰摻量依次為20%、17.5%，因此C2混凝土含氣量高于C3，C3微硅粉的摻入導(dǎo)致水化速率加快，降低了早期混凝土的流動(dòng)性，施工攪拌引入氣體的能力下降。

表2 不同配合比坍落度值、含氣量值和強(qiáng)度發(fā)展變化

圖1 粉煤灰掃描電鏡圖 圖2 微硅粉掃描電鏡圖

2.2 強(qiáng)度分析

混凝土服役過(guò)程中強(qiáng)度是制約耐久性的關(guān)鍵指標(biāo)，基于C1、C2、C3配合比下混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)展開(kāi)分析，通過(guò)表2分析可得：①標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)，C1配合比抗壓強(qiáng)度值均高于C2、C3，C2、C3膠凝組分中水泥的占比質(zhì)量相同，其抗壓強(qiáng)度值也較為接近，證實(shí)養(yǎng)護(hù)齡期3 d 時(shí)摻合料水化的作用較弱，且生成的水化產(chǎn)物未能提高早期強(qiáng)度；②養(yǎng)護(hù)齡期7～56 d抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)為C3>C2>C1。

7～56 d養(yǎng)護(hù)階段C1強(qiáng)度始終低于C2、C3，其主要原因是：C1配合比中參與水化反應(yīng)并為后期提供強(qiáng)度的膠凝組分與C2、C3不同，C1膠凝組分以水泥為主，水泥遇水發(fā)生劇烈的水化反應(yīng)，早期生成的水化產(chǎn)物和結(jié)晶點(diǎn)較多，但是由于反應(yīng)較快，水化產(chǎn)物彼此交錯(cuò)搭接形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)較為疏松，微觀形貌上易出現(xiàn)水化“空洞”現(xiàn)象。C2、C3強(qiáng)度較高的原因歸結(jié)于摻合料(粉煤灰、礦粉)在混凝土中的二次水化反應(yīng)：C2、C3膠凝組分中水泥占比量相同，為摻合料的進(jìn)一步反應(yīng)提供了堿性環(huán)境和Ca(OH)2[7]，膠凝組分中粉煤灰參與水化反應(yīng)，因其自身呈空心球形顆粒分布，球形顆粒表面水化產(chǎn)物的附著力較弱，即使膠凝組分處于較強(qiáng)的堿性環(huán)境，水化作用能力也較弱，在水泥水化進(jìn)程中具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)性能，達(dá)到提高混凝土整體強(qiáng)度的均勻密實(shí)性；相較于粉煤灰，礦粉的微觀粒徑呈片狀顆粒分布，處于較強(qiáng)的堿性時(shí)片狀顆粒發(fā)生肢解、重組[8]形成粒徑尺寸較小的水化產(chǎn)物填充于水泥早期水化反應(yīng)生成的“空洞”，提高微觀結(jié)構(gòu)下水化產(chǎn)物整體的密實(shí)性，加之其片狀顆粒較易附著水化結(jié)晶點(diǎn)，因此7～56 d C2、C3強(qiáng)度高于 C1。3種配比56 d時(shí)的微觀形貌見(jiàn)圖3～圖5。對(duì)比C2、C3，C3強(qiáng)度較高的原因：C3配比中摻加5%微硅粉，微硅粉是在冶煉硅鐵合金和工業(yè)硅時(shí)產(chǎn)生的以SiO2和Si為主超細(xì)硅質(zhì)粉體材料，其微結(jié)構(gòu)形貌多以納米級(jí)球形顆粒形態(tài)分布，活性較高、比表面積較大，水化速率較快，有利于提高混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)其納米級(jí)粒徑的有效填充增加了混凝土結(jié)構(gòu)整體的密實(shí)性，因此強(qiáng)度較高。

2.3 耐久性分析

圖3 C1配合比56 d微觀形貌 圖4 C2配合比56 d微觀形貌 圖5 C3配合比56 d微觀形貌

地鐵盾構(gòu)管片處于地下環(huán)境，其高性能混凝土設(shè)計(jì)技術(shù)要求的耐久性分析主要以電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗?jié)B等級(jí)為主[4]。C1、C2、C3配合比56 d 電通量值如表3所示，養(yǎng)護(hù)齡期56 d時(shí)電通量值均低于1 000 C，其發(fā)展規(guī)律為C1>C2>C3，宏觀強(qiáng)度規(guī)律為C3>C2>C1，其斷面水化產(chǎn)物微觀密實(shí)度C1C3，氯離子擴(kuò)散能力C2>C3，即C3微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物致密程度高于C2。依據(jù)工程設(shè)計(jì)的抗?jié)B等級(jí)P10，C1配合比已不滿足設(shè)計(jì)要求；C2抗?jié)B等級(jí)雖然滿足設(shè)計(jì)要求，但環(huán)境發(fā)生突變滲水嚴(yán)重時(shí)，其抗?jié)B性低于C3配合比，因此綜合耐久性分析，C3配合比混凝土性能最優(yōu)。

表3 3種高性能混凝土56 d耐久性數(shù)據(jù)

2.4 工程應(yīng)用

綜合上述分析，可知C2、C3配合比均滿足地鐵盾構(gòu)管片用高性能混凝土的技術(shù)要求，其中C3配合比的各項(xiàng)檢測(cè)均優(yōu)于C2，其宏觀分析上強(qiáng)度最高，耐久性分析抗?jié)B透能力最低，因此C3配合比是選取的最優(yōu)配合比?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)對(duì)粗細(xì)集料含泥量把控嚴(yán)格，C3配合比的初始坍落度為210 mm、含氣量為2.8%，靜置60 min坍落度為195 mm、含氣量為2.5%，其56 d電通量值532 C、抗?jié)B等級(jí)大于P12，均優(yōu)于試驗(yàn)室條件下選取C3配合比的技術(shù)指標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

C1配合比工作性劣于C2、C3，新拌高性能混凝土及2 h坍落度、含氣量的損失率均高于其他配合比；3種配合比力學(xué)性能發(fā)展趨勢(shì)為C3>C2>C1，其中C3 56 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度可到達(dá)66.3 MPa；3種配合比56 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)均呈C1>C2>C3趨勢(shì)發(fā)展，且C1已不滿足設(shè)計(jì)要求。C3配合比早期工作性能、力學(xué)性能、電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)指標(biāo)均優(yōu)于其他配合比，目前已應(yīng)用于天津地鐵項(xiàng)目盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)中。