高強(qiáng)薄壁預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯混凝土配合比優(yōu)化及性能研究

王俊禮,謝小輝,姚楚康,唐欣薇,余青山,焦石磊

(1.廣東粵海珠三角供水有限公司,廣州,511458;2.廣東水電二局股份有限公司,廣州,511340;3.華南理工大學(xué),廣州,510641;4.廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州,510635)

1 概述

水工隧洞是水利水電工程中最常見的引水建筑物之一,通常采用圓形斷面,并大多設(shè)置襯砌,襯砌與圍巖聯(lián)合工作,共同承受各種內(nèi)外壓力。隨著施工技術(shù)及建筑材料的不斷發(fā)展創(chuàng)新,近年來又出現(xiàn)了高壓固結(jié)灌漿混凝土襯砌[1]和預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌[2]。預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌通過張拉混凝土襯砌內(nèi)的環(huán)向錨索使襯砌產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,可以有效彌補(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度低和延展性能低的缺點(diǎn),可使襯砌厚度減薄,節(jié)省材料和開挖量,顯著降低工程造價。雙層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)[3-4]是一種新型隧洞襯砌結(jié)構(gòu)形式,其外襯承受外部水土壓力,內(nèi)襯承受內(nèi)水壓力,體現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)聯(lián)合、功能獨(dú)立”的新型輸水隧洞設(shè)計(jì)理念。外襯為預(yù)制混凝土管片,內(nèi)襯為現(xiàn)澆混凝土。隧洞襯砌混凝土裂縫[5-7]形成原因較為復(fù)雜,通常是多種不利因素綜合作用的結(jié)果。裂縫形成機(jī)理主要是襯砌混凝土澆筑后,由于水泥水化熱作用,混凝土內(nèi)部溫度快速升高,形成較大的內(nèi)外溫差,在混凝土降溫過程中,體積收縮受到外襯管片(或基巖)的約束作用,產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力,當(dāng)局部應(yīng)力集中超過強(qiáng)度薄弱域點(diǎn)混凝土即抗拉強(qiáng)度時,就會開裂并延伸形成裂縫[8-9]。溫度應(yīng)力的大小與溫差成正比,混凝土內(nèi)外溫差越大、外襯管片(或基巖)的彈性模量越高,襯砌厚度越薄,則越容易產(chǎn)生裂縫[10]。因此,隧洞內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力混凝土溫度裂縫防控是一個巨大的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外大量研究實(shí)踐表明,礦物摻合料可替代部分水泥,降低混凝土溫升峰值,延遲峰值發(fā)生時間,從而降低混凝土早期溫度裂縫。粉煤灰及?；郀t礦渣粉(簡稱:礦渣粉)是目前最常用的混凝土摻合料,粉煤灰、礦渣粉中的活性Al2O3和SiO2,可與水泥水化形成的Ca(OH)2反應(yīng),生成膠凝性的水化鋁/硅酸鈣,摻合料的微集料填充作用和二次水化作用,可優(yōu)化混凝土孔結(jié)構(gòu),增加后期強(qiáng)度,提高抗?jié)B性能、抗化學(xué)侵蝕等耐久性能,抑制堿骨料反應(yīng)的不良影響。粉煤灰、礦渣粉替代部分水泥作為水泥混合料或混凝土摻合料使用,還有助于降低生產(chǎn)成本和工程造價。

優(yōu)質(zhì)粉煤灰中含有較多的球狀和海綿狀玻璃體,吸水率較低,球狀顆粒在混凝土中可起到“滾珠潤滑作用”,可改善新拌混凝土的工作性能,減少離析泌水,減少坍落度經(jīng)時損失,便于泵送、澆筑、振搗;粉煤灰的活性比水泥低,可降低水化熱峰值,延遲峰值發(fā)生時間,從而抑制大體積混凝土溫度裂縫的形成與發(fā)展等;雖然粉煤灰的摻入對混凝土早期強(qiáng)度有一定的不利影響,但后期強(qiáng)度增長較大,甚至可能超過普通水泥混凝土。礦渣粉的摻入可明顯改善混凝土的抗氯鹽性能[11-12],但是對于大流動性泵送混凝土,單摻大量礦渣粉易引起泌水、離析、板結(jié)[13],利用粉煤灰與礦渣、硅灰復(fù)摻,可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。

因此,項(xiàng)目基于工程現(xiàn)狀,擬通過提高粉煤灰和礦渣粉摻量,降低混凝土的水泥用量,優(yōu)化內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力混凝土配合比,降低混凝土絕熱溫升,從而減小混凝土溫度應(yīng)力,避免混凝土早期溫度裂縫。

2 工程概況

某工程盾構(gòu)隧洞外襯采用預(yù)制管片,外徑8.3m,內(nèi)徑7.5m,襯砌管片厚0.4m,襯砌環(huán)寬1.6m,襯砌管片通過螺栓連接。內(nèi)襯采用現(xiàn)澆后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),采用C50W12F50預(yù)應(yīng)力混凝土,厚度0.55m,環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨索布置間距0.5m,錨具槽左右交錯布置,單束為8根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成,雙層雙圈布置,單個標(biāo)準(zhǔn)段共布置23束。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土配合比優(yōu)化

3.1 混凝土設(shè)計(jì)性能指標(biāo)

隧洞內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)性能等級為C50W12F50;混凝土工作性能滿足泵送施工要求,設(shè)計(jì)坍落度170mm～230mm;為滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求,設(shè)計(jì)要求混凝土及其原材料滿足以下要求:混凝土總堿含量小于2.5kg/m3,最大氯離子含量小于0.06%(設(shè)計(jì)年限100a),最大水膠比不大于0.40。標(biāo)養(yǎng)28d混凝土試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)(RCM法)小于等于7.0×10-12m2/s。

3.2 試驗(yàn)研究方法

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352-2020)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),通過內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力混凝土配合比優(yōu)化試驗(yàn)及工作性能、力學(xué)性能、耐久性能及絕熱溫升等性能指標(biāo)的研究,優(yōu)選適宜配合比,并溫控防裂仿真分析驗(yàn)證混凝土配合比及工程措施的可行性。

3.3 原材料

配合比優(yōu)化試驗(yàn)用混凝土原材料各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足國家行業(yè)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。其中,水泥采用P·O52.5水泥,比表面積355m2/kg,氯離子含量0.024%,堿含量0.51%,3d、28d抗折強(qiáng)度5.8MPa、8.1MPa,3d、28d抗壓強(qiáng)度32.5MPa、58.8MPa;粉煤灰采用F類Ⅱ級,活性指數(shù)78%,氯離子含量0.009%,堿含量0.84%;試驗(yàn)用礦渣粉第1批礦渣粉,比表面積519m2/kg,S95級,氯離子含量0.03%,堿含量0.30%,28d活性指數(shù)96%;第2批礦渣粉,比表面積412m2/kg,S95級,28d活性指數(shù)95%;外加劑采用B0Z-300型高性能聚羧酸減水劑(緩凝型),減水率27%,氯離子含量0.02%,堿含量1.64%,28d天抗壓強(qiáng)度比159%;細(xì)骨料采用天然河砂,細(xì)度模數(shù)2.9,屬Ⅱ區(qū)中砂,氯離子含量0.00%,屬非堿活性骨料;粗骨料采用5mm～20mm人工碎石,壓碎指標(biāo)6.2%,屬非堿活性骨料。

3.4 配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

工程預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯C50W12F50混凝土原施工配合比見表1“B3-0”,其膠凝材料用量454kg/m3,摻合料(單摻Ⅱ級粉煤灰)摻量15%,由于摻合料摻量偏低,水泥用量較高,混凝土早期水化熱較高。

表1 隧洞內(nèi)襯C50W12F50預(yù)應(yīng)力混凝土配合比

為滿足工程混凝土溫控防裂要求,在外加劑緩凝組分調(diào)整的基礎(chǔ)上,主要通過復(fù)摻粉煤灰、礦渣粉摻合料,提高摻合料摻量,以降低水泥用量,降低混凝土絕熱溫升,尤其是早齡期絕熱溫升。

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011),預(yù)應(yīng)力混凝土(水膠比≤0.40)采用普通硅酸鹽水泥配制時,單摻粉煤灰最大摻量不超過30%,單摻礦渣粉最大摻量不超過45%,復(fù)摻摻合料最大摻量不超過45%。

在滿足《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352-2020)、《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)等規(guī)程規(guī)范要求的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了B3-1～B3-4 四種不同摻合料方案(試驗(yàn)配合比見表1),B3-1～B3-4復(fù)摻為粉煤灰分別為15%、15%、20%、20%,礦渣粉分別為0%、15%、20%、25%,總摻合料摻量15%～45%,滿足規(guī)范最大摻量不超過45%的要求。通過研究不同摻合料摻量對混凝土絕熱溫升、力學(xué)性能及耐久性能等性能指標(biāo)的影響,以優(yōu)選出既能滿足設(shè)計(jì)、施工要求,又能有效降低絕熱溫升的內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力混凝土配合比。為了研究礦渣粉細(xì)度對混凝土絕熱溫升的影響,選擇了兩種不同細(xì)度的礦渣粉進(jìn)行同配合比比對試驗(yàn),見配合比B3-3與B3-3(A),外加劑摻量按工作性調(diào)整。

為了盡可能降低水化熱和混凝土絕熱溫升,在滿足泵送混凝土工作性能及設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上,盡可能降低混凝土膠凝材料。為確?；炷量箟簭?qiáng)度、工作性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)及泵送施工要求,配合比優(yōu)化試驗(yàn)時,根據(jù)粉煤灰、礦渣粉性能特點(diǎn),微調(diào)膠凝材料用量和水膠比,保證混凝土抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求(混凝土配制強(qiáng)度59.0MPa);通過調(diào)整外加劑摻量,控制混凝土坍落度基本一致,滿足泵送施工要求。

3.5 混凝土性能

3.5.1 混凝土工作性能

隧洞內(nèi)襯C50W12F50預(yù)應(yīng)力混凝土工作性能見表2,各混凝土配合比均滿足泵送施工工作性能要求。由表2對比可知,隨著膠凝材料總量降低,需增加水膠比、大幅增加外加劑摻量,以保證混凝土工作性能滿足要求。這也說明,混凝土膠凝材料454kg/m3時,單方混凝土膠凝材料已接近泵送混凝土工作性能要求所需的臨界點(diǎn);膠凝材料降低至438kg/m3以下,混凝土骨料之間缺少足夠漿液填充潤滑,將無法滿足泵送要求。對比B3-3與B3-3(A)可知,在配合比相同時,降低礦渣粉比表面積,混凝土達(dá)到工作性(坍落度)所需減水劑摻量降低。

表2 混凝土工作性能

3.5.2 混凝土力學(xué)性能

隧洞內(nèi)襯C50W12F50預(yù)應(yīng)力混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及靜壓彈性模量見表3。

表3 混凝土力學(xué)性能

由表3可知,混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、靜壓彈性模量均隨復(fù)摻摻合料總摻量的增加、水泥用量降低呈下降趨勢,早齡期(7d)下降趨勢較明顯,28d、56d、90d強(qiáng)度下降趨勢減緩;混凝土抗壓強(qiáng)度之間的規(guī)律與劈裂抗拉強(qiáng)度、靜壓彈性模量的規(guī)律基本一致?？傮w而言,對后期強(qiáng)度影響較小。

相比單摻15%粉煤灰的B3-1,B3-2～B3-4中水泥摻量逐漸減少,摻合料復(fù)摻摻量逐漸增加,即使水膠比略有降低,抗壓強(qiáng)度早期齡期仍有所降低,降低約3.3%～6.3%,這是因?yàn)榈V渣粉、粉煤灰的28d活性通常低于水泥。但B3-2～B3-4與B3-1的后期抗壓強(qiáng)度差距逐漸縮小,甚至90d時超過B3-1,這是由于粉煤灰、礦渣粉中的微細(xì)顆粒能充分填充水泥、骨料堆積體系中的部分孔隙,粉煤灰、礦渣粉中的活性二氧化硅、氧化鋁與水泥水化產(chǎn)物中的硅酸鈣、氫氧化鈣等發(fā)生二次水化反應(yīng),生成硅酸鈣、硫鋁酸鈣等,進(jìn)一步填充混凝土中存留的孔隙而增加密實(shí)度,改善孔結(jié)構(gòu),因此可保證混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展。B3-1～B3-2混凝土的28d抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到配制強(qiáng)度,B3-3混凝土的56d抗壓強(qiáng)度達(dá)到配制強(qiáng)度,而B3-4混凝土60d～90d齡期方可達(dá)到配制強(qiáng)度。混凝土中摻合料超過一定范圍時,宜采用56d或90d齡期強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì),以充分利用摻礦物摻合料混凝土的后期強(qiáng)度。

對比B3-3與B3-3(A)可知,礦渣粉比表面積從519m2/kg降低至412m2/kg,混凝土早期(7d)抗壓強(qiáng)度下降10.8%,28d～90d抗壓強(qiáng)度相差不大。

3.5.3 混凝土耐久性能

隧洞內(nèi)襯C50W12F50預(yù)應(yīng)力混凝土的抗?jié)B等級、抗凍等級、氯離子擴(kuò)散系數(shù)及混凝土堿含量、氯離子含量等耐久性相關(guān)性能指標(biāo)結(jié)果見表4。

表4 混凝土耐久性能相關(guān)指標(biāo)

由表4可知,各配合比28d、56d抗?jié)B等級,28d抗凍等級均達(dá)到了C50W12F50預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求,其中B3-1～B3-4 56d齡期抗?jié)B試驗(yàn)后檢測平均滲水高度分別為:17mm、17mm、18mm和16mm。混凝土堿含量小于2.5kg/m3,總氯離子含量小于0.06%(設(shè)計(jì)年限100a),均滿足設(shè)計(jì)要求。

B3-0、B3-2和B3-3混凝土28d齡期混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)(RCM法)均小于等于7.0×10-12m2/s,均滿足設(shè)計(jì)要求。對比可知,相比原配合比B3-0,B3-2、B3-3混凝土復(fù)摻適量的粉煤灰、礦渣粉,其氯離子擴(kuò)散系數(shù)顯著降低,這是由于粉煤灰、礦渣粉在混凝土中起到填充作用和二次水化作用,可降低混凝土的孔隙率,改善孔結(jié)構(gòu),有效提高混凝土密實(shí)度,進(jìn)而提高混凝土耐久性能。氯離子擴(kuò)散系數(shù)是混凝土耐久性重要指標(biāo)之一,混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的顯著降低,可從側(cè)面體現(xiàn)混凝土抗?jié)B性能的改善。

另外,混凝土中摻入一定量的粉煤灰、礦渣粉,降低水泥用量,混凝土總堿含量、氯離子含量均有所降低,對長期處于潮濕環(huán)境下的內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能有利。

3.6 混凝土絕熱溫升

隧洞內(nèi)襯C50W12F50預(yù)應(yīng)力混凝土各配合比對應(yīng)的絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果見表5。采用最小二乘法按絕熱溫升雙曲線式對絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,絕熱溫升θ的雙曲線表達(dá)式:θ(τ)=θ0·τ/(n+τ),式中,θ0為混凝土最終絕熱溫升,τ為混凝土齡期,n為待定常數(shù)。得到擬合結(jié)果見表5,可知,擬合優(yōu)度(R2)結(jié)果非常接近1,雙曲線式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好。

表5 預(yù)應(yīng)力C50W12F50混凝土絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知,相比單摻粉煤灰15%的原設(shè)計(jì)配合比B3-0,B3-1～B3-4及B3-3(A)混凝土的1d齡期絕熱溫升值均降低顯著,這可能與混凝土外加劑緩凝組分的調(diào)整有關(guān),部分外加劑緩凝組分能延長水化誘導(dǎo)期,抑制水泥早期水化,使混凝土初凝時間的延長、早期水化熱降低。

從表5、圖1中B3-1～B3-4絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果可知,在總膠凝材料用量略有增加或不變的前提下,隨著摻合料總摻量的增加(15%、30%、40%、45%),水泥用量降低,混凝土絕熱溫升呈下降趨勢,B3-4混凝土絕熱溫升最低;早期絕熱溫升值降低幅度較大,而后期絕熱溫升降低值逐漸減小。相比B3-1,B3-4對應(yīng)混凝土1d、10d齡期絕熱溫升試驗(yàn)值降低5.2℃、3.6℃,絕熱溫升擬合終值降低約1.7℃。這說明采用粉煤灰、礦渣粉的替代水泥作為摻合料可以一定程度上降低混凝土絕熱溫升,但對后期絕熱溫升影響較小。

圖1 不同摻合料摻量混凝土絕熱溫升值

從表5、圖2中B3-3與B3-3(A)絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果可知,礦渣粉比表面積從約520m2/kg降低至約410m2/kg,混凝土1d、10d絕熱溫升均有所下降1.1℃、0.8℃,擬合終值降低約0.5℃,說明降低礦渣粉比表面積對降低早期絕熱溫升有一定作用?？紤]到比表面積降低,礦渣粉活性下降,混凝土抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能降低,比表面積增大還會增加混凝土早期的自收縮。因此,綜合考慮礦渣粉細(xì)度的利弊,工程實(shí)際應(yīng)用時礦渣粉細(xì)度宜控制在(450±30)m2/kg,這樣既有利于降低混凝土早期水化熱又有利于充分利用礦物摻合料的后期強(qiáng)度。

圖2 不同礦渣粉細(xì)度混凝土絕熱溫升值

4 推薦預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯混凝土施工配合比

試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著復(fù)摻粉煤灰、礦渣粉摻量的增加,水泥用量的降低,混凝土早期絕熱溫升及抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能均呈降低趨勢,雖然后期混凝土絕熱溫升及力學(xué)性能之間差異縮小,但鑒于早期劈裂抗拉強(qiáng)度降低對混凝土早期裂縫防治不利,而隧洞內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力混凝土開裂主要出現(xiàn)在早期,因此,需要綜合考慮早期強(qiáng)度及混凝土絕熱溫升對溫控防裂的影響。

B3-2混凝土28d抗壓強(qiáng)度滿足配制強(qiáng)度、B3-3混凝土56d抗壓強(qiáng)度滿足配制強(qiáng)度,混凝土工作性能、耐久性能等指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求,綜合考慮混凝土設(shè)計(jì)齡期、力學(xué)性能、耐久性能、絕熱溫升及經(jīng)濟(jì)性等各項(xiàng)指標(biāo),初步確定B3-2和B3-3為較優(yōu)配合比。溫控防裂仿真分析結(jié)果表明,采用B3-2或B3-3混凝土配合比,綜合采取控制混凝土澆筑溫度小于27℃,噴水養(yǎng)護(hù)不少于28d(養(yǎng)護(hù)水溫40℃～32℃階梯式控制),隧洞腰線以下手孔封堵、鋪設(shè)土工布降低約束等工程措施,混凝土抗裂系數(shù)有一定富余,滿足溫控防裂要求。

雖然B3-2和B3-3中礦物摻合料摻量均符合《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)中的規(guī)定,但《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5055-2007)規(guī)定,預(yù)應(yīng)力混凝土采用普通硅酸鹽水泥配制時,F類粉煤灰最大摻量不超過15%;根據(jù)B3-2和B3-3在初步確定溫控防裂方案下的仿真計(jì)算分析結(jié)果,相比B3-3,B3-2早期強(qiáng)度更高,早期開裂風(fēng)險更低,因此,建議采用粉煤灰、礦渣粉摻量各15%的B3-2作為推薦混凝土配合比。

5 結(jié)語

通過優(yōu)化預(yù)應(yīng)力混凝土配合比,摻入一定量的粉煤灰、礦渣粉,減少水泥用量,可降低早期混凝土絕熱溫升,同時對長期處于潮濕環(huán)境下的內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能有利。超過一定范圍時,宜采用56d或90d齡期強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì),以充分利用摻礦物摻合料混凝土的后期強(qiáng)度。