長(zhǎng)大隧道高性能綠色新型混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

李耐善

摘要：文章對(duì)高性能綠色新型混凝土配合比進(jìn)行兩階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，通過雙摻粉煤灰和硅灰，提高其早期強(qiáng)度和耐久性，并通過石灰石微粉提高其粘結(jié)性能和降低回彈率，以達(dá)到綠色環(huán)保施工的目的。

關(guān)鍵詞：高性能綠色新型混凝土;早期強(qiáng)度;粘結(jié)性能;回彈率

中圖分類號(hào)：U416.02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.015

文章編號(hào)：1673-4874（2021）01-0054-03

0引言

廣西地處云貴高原東南邊緣，山丘和盆地交錯(cuò)，地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越這一地帶需要修建隧道。高地應(yīng)力、大埋深、高外水壓的地質(zhì)條件對(duì)隧道初期支護(hù)的支護(hù)性能與效率要求高，使其能更早地發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。同時(shí)，出于提高結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度及環(huán)境保護(hù)的目的，對(duì)噴射混凝土的原材料及其性能的要求也越來越高。如降低噴射混凝土的回彈率，減少混凝土的浪費(fèi)，降低施工中的粉塵濃度，提高噴射混凝土的早期及終凝強(qiáng)度，提高噴射混凝土的耐久性、密實(shí)性等。

本次研究涉及的路段有長(zhǎng)隧道3座，特長(zhǎng)隧道1座，地質(zhì)較復(fù)雜，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)大。通過對(duì)高速公路長(zhǎng)大隧道施工初期支護(hù)的噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化、施工技術(shù)優(yōu)化，降低長(zhǎng)大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，保障施工期間人員的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全，提高材料利用率，綠色施工。同時(shí)也為隧道運(yùn)營(yíng)安全提供保障，以打造“綠色公路示范工程”和“品質(zhì)示范工程”雙示范高速公路為目標(biāo)，并為類似情況的高速公路隧道施工積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)我國(guó)隧道施工技術(shù)的進(jìn)步。

1摻合料對(duì)高性能綠色混凝土性能影響研究

第一階段研究在普通混凝土配合比基礎(chǔ)上，以調(diào)整膠凝材料為主，使用雙摻硅灰和粉煤灰代替水泥展開試驗(yàn)研究，由此進(jìn)一步加強(qiáng)長(zhǎng)大隧道中噴射混凝土的性能。

1.1原材料

水泥選擇華潤(rùn)紅水河牌P·O42.5;粉煤灰選擇廣西華天能環(huán)?？萍奸_發(fā)有限公司II級(jí)灰;硅灰選擇成都科良建材有限公司KL-SF93型，平均粒徑為0.09μm，主要粒徑分布在0.05～0.18μm之間。

粗細(xì)集料均來自鼓鳴洞渣加工，花崗巖屬性，主要礦物成分為石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和云母。粗集料粒徑為5～10mm，細(xì)集料粒徑為0～5mm，其中細(xì)集料粉含量約為11%，細(xì)度模數(shù)為2.6。

外加劑采用南寧雨潤(rùn)高性能聚羧酸減水劑，固含量為12%，減水率為26%;速凝劑采用凱里市鼎堅(jiān)DJ-3型液體速凝劑。

1.2混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)性能測(cè)試

以鼓鳴隧道為例，根據(jù)此前設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)C25噴射混凝土配合比為基準(zhǔn)配合比。

（1）通過調(diào)整水灰比和外加劑摻量來實(shí)現(xiàn)配合比初步優(yōu)化的目的?；鶞?zhǔn)配合比及初步優(yōu)化配合比如表1所示。按照該配合比試拌了0.05m³混合料，發(fā)現(xiàn)混凝土拌和物工作性能得到改善，并對(duì)混凝土坍落度、凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果均符合規(guī)范要求。

（2）在初步優(yōu)化的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一組粉煤灰和硅灰雙摻的高性能濕噴混凝土進(jìn)行正交試驗(yàn)，充分考慮摻合料種類、摻量、膠凝材料總量（水膠比）、砂率四個(gè)因素對(duì)其工作性能和力學(xué)性能的影響，確定獲得滿足強(qiáng)度與工作性要求的最佳配合比，并分析其變化規(guī)律，見表2。配合比設(shè)計(jì)采用L₉（3⁴）正交試驗(yàn)表，配合比及力學(xué)性能分析如表3～5所示。

表4顯示了C25高性能噴射混凝土的力學(xué)性能，表5通過極差分析混凝土強(qiáng)度影響因素。從分析結(jié)果來看，膠凝材料用量和粉煤灰摻量對(duì)C25混凝土1d強(qiáng)度的影響最明顯，其次是硅灰摻量，但粉煤灰摻量對(duì)混凝土7d、28d強(qiáng)度影響最大，選定范圍內(nèi)的砂率對(duì)強(qiáng)度影響很小。綜合來看，確定較優(yōu)水平組合為：膠凝材料用量為440kg/m³，水膠比為0.40，硅灰摻量為7%，煤灰摻量為5%，砂率為52%。

1.3優(yōu)化配合比的混凝土耐久性能

抗?jié)B等級(jí)和電通量是混凝土抗?jié)B性能的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，本課題組用電通量來考察其耐久性能。選擇有代表性的配合比做電通量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6中可知，以上配合比電通量均滿足設(shè)計(jì)<1000C的要求。電通量與水膠比有很大的相關(guān)性，一般來講，水膠比小，電通量也低。從以上數(shù)據(jù)得知，粉煤灰使得混凝土更加密實(shí)，抑制了混凝土的氯離子擴(kuò)散和遷移，電通量下降。在雙摻硅灰和粉煤灰作用下，既提高了混凝土的早期強(qiáng)度，充分發(fā)揮了二者的疊加效應(yīng)，極大地改善了混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)，使孔隙率進(jìn)一步降低，又增強(qiáng)了混凝土致密性，提高其抗?jié)B性能，有效地改善并提高混凝土的綜合耐久性能。

2石灰石微粉末對(duì)高性能綠色混凝土性能影響研究

為提高材料利用率，需降低施工回彈率，這就要求噴射混凝土有足夠的粘結(jié)性，在施工過程中快速地與圍巖粘結(jié)。本次研究采用石灰石微粉末置換細(xì)集料的形式提高噴射混凝土的粘結(jié)性及密實(shí)性。

2.1原材料及試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)增加了石灰石微粉末，來自賀州市金科粉體廠，400目石灰石粉末，平均粒徑為11.8μm，主要粒徑分布在0.19～60μm之間，碳酸鈣含量為99.3%，比表面積491.2m²/kg。

在上次優(yōu)化配合的基礎(chǔ)上，采用石灰石微粉末置換5%、10%、15%的細(xì)集料，并進(jìn)行粘結(jié)性、強(qiáng)度、密實(shí)性、耐久性檢測(cè)。

2.2試驗(yàn)結(jié)果及討論

為考察石灰石微粉末對(duì)噴射混凝土粘結(jié)性和密實(shí)性的影響，采用不同摻量的石灰石微粉末制備4組試樣，測(cè)試噴射混凝土的試塊10cm下滑時(shí)間和電通量，結(jié)果見圖1、圖2。

由圖1、圖2可見，添加石灰石粉末后噴射混凝土抗?jié)B等級(jí)均達(dá)到10P，當(dāng)石灰石參量達(dá)到15%時(shí)電通量有所提升，表明摻適量的石灰石微粉末可顯著改善噴射混凝土的抗?jié)B性能及密實(shí)性;當(dāng)石灰石粉末含量達(dá)到一定程度時(shí)，噴射混凝土的密實(shí)性有所下降。在減水劑的調(diào)節(jié)下，噴射混凝土坍落度可以保持穩(wěn)定，而10cm下滑時(shí)間明顯延長(zhǎng)，可見石灰石微粉末可改善噴射混凝土的粘結(jié)性。同時(shí)，摻適量的石灰石粉末可有效地提高噴射混凝土的早期強(qiáng)度，但石灰石粉末含量過大會(huì)降低噴射混凝土的強(qiáng)度。

3結(jié)語(yǔ)

（1）第一階段配合比設(shè)計(jì)中膠凝材料由單一的水泥轉(zhuǎn)變?yōu)樗嗯c粉煤灰、硅灰等各種礦物摻合料，大大減少混凝土中的水泥用量，符合低碳環(huán)保要求。摻入粉煤灰減少水泥水化熱，有利于抑制混凝土早期開裂。摻入硅灰可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度，減少回彈量。硅灰和粉煤灰的雙摻對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性能均有較大程度提高。

（2）采用石灰石微粉末置換細(xì)集料，可以增加噴射混凝土的粘結(jié)性，降低噴射混凝土施工回彈量，達(dá)到節(jié)約資源綠色施工的要求。同時(shí)通過控制減水劑含量、保持噴射混凝土施工和易性，提高了早期強(qiáng)度、抗?jié)B性能等級(jí)和密實(shí)度，可改善隧道支護(hù)功能。

（3）下步工作重點(diǎn)為，采用優(yōu)化后的配合比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土試驗(yàn)，測(cè)試回彈率，室內(nèi)制樣，現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行SEM及孔結(jié)構(gòu)分析。

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