水泥類型對隧道混凝土基本性能影響試驗研究

于淑程

(沈陽市水務事務服務與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽 110013)

當前，國內(nèi)外長距離隧道建設越來越多，混凝土結構裂縫問題十分普遍，其成因非常復雜，不僅與混凝土配合比有關，還與施工工藝方法、外部環(huán)境因素等有關。目前，我國正大規(guī)模進行隧道工程建設，改善結構混凝土的耐久性十分緊迫。本文重點結合大伙房輸水工程三段隧道施工一標1#隧洞施工，從混凝土的生命周期源頭出發(fā)，重點研究水泥類型普適性和砂細度模數(shù)對混凝土性能影響規(guī)律，在嚴控施工工藝方法基礎上，研究不同水泥類型對工程結構的影響，具有重大實踐意義。

水泥基材料最核心的組分是水泥。熟料礦物主要有C3S、C2S、C3A、C4AF，加水拌和發(fā)生化學反應。C3S是主要強度礦物，其水化速率快、放熱量大，生成硅酸鈣難溶于水，后期發(fā)展成為強度很高的網(wǎng)狀結構，C3S在混凝土增長的早期與后期強度均較高；同C3S相比，C2S水化速率慢、放熱量小，早期強度低，約365d后其強度可與C3S相當；4種礦物中的C3A水化速率最快、放熱量最大，是混凝土早強的主要礦物，但其水化生成的晶體強度較低，后期可能產(chǎn)生強度變小現(xiàn)象；C4AF水化放熱中等而水化速率快，生成晶體強度低[1- 3]。

C3S和C3A水化速率均較快、放熱量均較大且集中，使得混凝土成型早期極易產(chǎn)生溫度裂縫，水化后層間水的蒸發(fā)以及水化產(chǎn)物形成過程中體積收縮而變小。尤其C3A的高水化速率、高水化熱，使得混凝土在凝結硬化早期溫度變形增大、收縮增大，極易產(chǎn)生內(nèi)部或表面裂縫，C3A量的大小對混凝土抗裂性能具有重要影響[4- 5]。若減少C4AF比例而增大C3A比例，會增加硬化水泥漿體微裂縫和水泥的干縮率，還會降低水泥耐磨性、抗折強度和抗沖擊韌性[6]。

大型引調水隧道工程對混凝土強度、耐久性、抗裂性等性能要求越來越高，這就導致水泥細度在不斷增大[7]。大量研究表明，適量增加水泥細顆粒組成比例，可提高水泥基材料混凝土早期強度。雖然提高水泥細度對提高混凝土早期強度很有幫助，但其也有弊端，如初始流動度降低，與減水劑相容性變差，加劇混凝土干濕循環(huán)損傷，抗凍循環(huán)次數(shù)下降，因干燥引起開裂程度加重，進而影響混凝土結構耐久性[8- 10]。

1 工程應用

1.1 概述

大伙房輸水工程三段隧道施工一標1#洞二次襯砌：隧道全長3362m。通過室內(nèi)原材料試驗，將復摻礦物混凝土基本力學性能及抗裂性能、耐久性能進行分析研究，并將此試驗結果應用于實際工程。

(1)工程沿線不僅有隧洞工程，還有長距離PCCP輸水管線，工程施工中會用到大量的混凝土原材料，這就使得原材料來源不固定、不穩(wěn)定。給混凝土質量控制增大難度，研究水泥類型對混凝土基本性能的影響，并對復摻礦物混凝土進行長達365d的跟蹤測試，研究混凝土齡期與其基本力學性能的相互關系，考慮齡期對混凝土抗壓強度和抗劈裂強度的影響。

(2)通過對比不同配合比的復摻礦物混凝土與常規(guī)基準混凝土，得出混凝土基本力學性能、抗裂性能和抗?jié)B性能之間差異，進而找出降低隧道二次襯砌混凝土裂縫的源頭控制方案。

1.2 試驗研究

本試驗研究項目為大伙房輸水工程三段隧洞施工一標1#洞復摻礦物混凝土基本力學性能，施工中使用泵送混凝土，本試驗使用原材料與三段隧洞施工一標隧道襯砌混凝土原材料相同，細骨料選用大清河上游貂皮屯河砂。

施工現(xiàn)場選用細度模數(shù)為2.19和2.62的河砂作為試驗細骨料，經(jīng)過試驗確定細度模數(shù)為2.62時，滿足施工技術要求，細度模數(shù)為2.19時，發(fā)現(xiàn)試驗倉混凝土和易性差，不能滿足現(xiàn)場施工質量要求，通過對原始配合比調整，使其滿足施工技術要求及混凝土基本力學性能要求。1#隧道襯砌用混凝土原始基準配合比與復摻礦物配合比對比見表1。

1.2.1試驗用原材料

為了研究不同類型的水泥在輸水隧道襯砌混凝土中應用的普適性及其對混凝土基本性能的影響，同時結合工程建設地區(qū)混凝土用料特色，選用3種不同類型的強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥作為研究對象，其中3#普通硅酸鹽水泥也是全國范圍內(nèi)普遍使用的42.5的水泥類型。3種不同類型水泥化學成分含量見表2。

1#、2#、3#普通硅酸鹽水泥的膠砂強度試驗結果見表3。

1.2.2混凝土配合比

本段輸水隧洞二次襯砌混凝土抗壓強度設計等級為C30，澆筑完成1d齡期強度需要達到5MPa，設計抗凍等級為F200，設計抗?jié)B等級為W4，為了滿足泵送混凝土施工技術要求，混凝土坍落度需要控制在200mm±20mm范圍內(nèi)，當施工現(xiàn)場河砂的細度模數(shù)由2.62調整為2.19時，即按照表1的復摻配合比時，襯砌混凝土基本力學性能不達標，因此需要對其進行調整，使其滿足工程技術要求，試驗確定針對河砂細度模數(shù)為2.19的混凝土配合比設計見表4。

對復摻調整配合比拌制混凝土進行基本力學和混凝土抗壓試驗，試驗結果見表5—6。

表1 C30F200W4混凝土配合比參數(shù)對比表

表2 不同類型42.5水泥的化學組成和水泥的細度對比表(W/%)

表3 不同水泥類型膠砂強度試驗結果對比表單位：MPa

表4 細度模數(shù)為2.19河砂配制混凝土配合比參數(shù)表

表5 混凝土基本性能試驗結果統(tǒng)計表

表6 混凝土抗壓強度試驗結果統(tǒng)計表 單位：MPa

從表5可以看出復摻(調整)配合比的初始坍落度為200mm，滿足泵送混凝土對初始坍落度的要求，即混凝土坍落度需要控制在200mm±20mm范圍內(nèi)。從表6可以看出復摻(調整)配合比的1d抗壓強度5.9MPa，滿足1d強度大于5MPa的強度要求，28d抗壓強度為36.5MPa，也滿足C30混凝土28d抗壓強度設計要求。

1.2.3最終確定混凝土配合比

表4給出了細度模數(shù)為2.19時的河砂配合比，結合表1給出的配合比，得出本工程試驗研究的最終配合比，詳見表7。

1.2.4立方體抗壓強度

通過液壓式萬能試驗機對不同齡期混凝土試塊進行抗壓試驗，試驗所得原始數(shù)據(jù)經(jīng)過SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規(guī)程》換算，得到各齡期試塊抗壓強度詳見表8。

從圖1—2結合表8可以看出原始基準和1# A類型配合比混凝土抗壓強度增長趨勢。數(shù)據(jù)分析可以得出：7d以前1# A類型配合比均小于原始基準混凝土配合比的抗壓強度，3d時原始基準、1# A類型的抗壓強度分別占28d抗壓強度的60.3%和42.8%，1d到3d，原始基準混凝土配合比抗壓強度增長了35.0%，大于1# A類型1d到3d增長的24.1%；而3d到7d，原始基準混凝土配合比抗壓強度增長了18.0%，小于1# A類型3d到7d增長的27.0%，這表明復摻礦物配合比對抗壓強度在1d到3d沒有原始基準配合比對抗壓強度貢獻大，而3d到7d，復摻礦物配合比對混凝土抗壓強度貢獻較大，這主要是因為早期混凝土拌合物中的粉煤灰和礦粉的活性沒有被激發(fā)出來，水化物相對較少，所以3d內(nèi)強度相對較低，在14d時，1# A類型抗壓強度為39.2MPa，大于原始基準抗壓強度的36.5MPa，尤其是在120d測試時，1# A類型抗壓強度達到51.6MPa，比28d抗壓強度增長了22.0%，而原始基準抗壓強度為47.6MPa，比28d抗壓強度增長了14.2%。

表7 C30F200W4混凝土配合比參數(shù)表

表8 不同配合比混凝土各齡期抗壓強度對比表

圖1 365d混凝土抗壓強度增長趨勢

圖2 28d砼抗壓強度增長趨勢

這表明復摻礦物配合比在混凝土強度增長后期起到了積極的推動作用。二次水化反映生成了較多的硅酸鈣物質和穩(wěn)定性更好、強度更好的低堿活性硅酸鈣，同時二次水化反應改善了混凝土細微結構，混凝土孔隙率降低，粗骨料與水泥石黏結力加強，進而提高了混凝土的后期強度。另外粉煤灰和礦物成分顆粒組分比水泥細，比較面積更大，膠凝材料的緊密程度得到提高，因此1# A類型混凝土配合比后期強度要高于原始基準混凝土后期強度。

1.2.5經(jīng)濟效益對比

本工程試驗復摻粉煤灰和礦粉混凝土，保證混凝土基本力學性能的基礎上，改進了其抗裂性能和耐久性，減少了水泥用量，兼顧了經(jīng)濟合理性，降低了工程造價。各種原材料以2018年12月份遼寧地區(qū)市場行情為準(不計運輸成本)。1m3混凝土用原材價格對比詳見表9。

從表9可以看出，應用復摻配合比和復摻(調整)配合比的單方混凝土原材料造價均比基準原始配合比低，復摻和復摻(調整)單方配合比混凝土原材造價比基準原始配合比混凝土原材造價分別低23.1元和43.2元，節(jié)約資金比例分別為6.8%和12.8%。

因此，合理應用粉煤灰和礦物等復摻材料作為混凝土拌和原材，不僅對提高混凝土基本力學性能有保障，而且對降低工程造價很有幫助，經(jīng)濟合理。

2 結論與建議

試驗主要對五種水泥類型配合比基本力學性能進行長達365d跟蹤測試，研究混凝土基本力學性能隨齡期發(fā)展變化規(guī)律。

(1)1#水泥中砂、1#水泥細砂、2#水泥細砂、3#水泥細砂的坍落度和拓展度隨時間延長逐漸降低。對比1#水泥中砂和1#水泥細砂，其坍落度和拓展度基本相同，表明初始坍落度基本相同情況下，二者和易性基本相同。

(2)5種水泥類型混凝土抗壓強度增長規(guī)律基本相同。即前期增長速率較快、后期增長速率緩慢。前期原始基準混凝土抗壓強度增長較快，但3d后，復摻礦物混凝土抗壓強度增長較快，1#水泥中砂各齡期均比1#水泥細砂高，但都在設計等級范圍內(nèi)。1#水泥細砂、2#水泥細砂和3#水泥細砂各齡期混凝土抗壓強度差別不大，表明水泥類型對混凝土抗壓強度影響不大。

表9 1m3混凝土用原材價格對比表

(3)本文主要從宏觀上研究了水泥類型、砂細度模數(shù)對復摻礦物摻合料混凝土的和易性、基本力學性能的影響，而沒有從微觀上給予詳細解釋，在今后的研究工作中有必要從微觀角度予以分析解釋。