高强负温自密实混凝土的配制技术研究

李欢欢

（上海隧道工程股份有限公司混凝土分公司，上海 200124）

0 前言

在上海地区，众多大型隧道联络通道施工工艺通常采用冰冻法施工，即采取特定工艺人为对施工区域内的土体实施冰冻，在冻土中挖掘联络通道，并浇筑混凝土结构，待混凝土强度达到设计要求时，再撤除冷冻设施，最终完成联络通道结构的施工。在众多的冰冻法施工的隧道中，由于隧道的联络通道的顶板与土体紧密接触，因此混凝土施工时无法振捣，而自密实混凝土以其良好的流淌性和填充性能够完成这一异型结构的施工。

由于处在冻土包围的环境中，浇筑入模的自密实混凝土一直处于负温的条件下，水化程度和水化速度都会逐渐降低，甚至会停止或被破坏，因此，必须考虑在负温条件下混凝土的抗冻措施，同时仍能确保满足其自密实的工作性能的要求。

根据以往施工经验，冰冻土体的温度较低（约-15℃），与空气接触的开挖面（即与混凝土相接触的冻土面）上温度约为-5℃，通常设计要求60天内混凝土在负温状况下强度需要达到C40。本文研究时设计负温混凝土的配制温度为-5℃，考虑混凝土的安全温度在-10℃。

1 试验用材料

（1）水泥：上海海螺明珠水泥有限责任公司，P.O42.5；

（2）复合矿物掺合料：FS（自配）；

（3）高效减水剂：FLE-2 （自配）；

（4）高效复合防冻剂：CL（自配）；

（5）砂：安徽芜湖，中砂，细度模数2.7；

（6）碎石：舟山，自密实专用石子。

2 高强负温自密实混凝土设计强度概值讨论

针对工程实际要求，在本研究中除采用正确的抗冻措施确保混凝土不受冻害外，首要的是合理确定混凝土配制强度概值，使混凝土在负温条件下、工程规定龄期内能满足结构强度规定值。

在冬期混凝土施工中一般用成熟度法来确定(推测)混凝土早期强度。为判断所设计的混凝土配合比在长期恒负温条件下能取得的强度值，本研究建立在成熟度推断方法上进行探讨。

在冬季条件下混凝土的施工，养护温度与时间是影响混凝土强度最重要的两个参数。早在1951年英国学者绍耳(A.Saul)就提出，混凝土强度是以水的冰点起算的温度与时间的乘积的单叶函数，他把温度和时间的积称为成熟度(度时积)，即认为同一种配合比的混凝土，只要达到相同的成熟度(M)，就会有大致相同的强度。随后有学者提出了绍耳度时积公式、阿累尼乌斯成熟度公式等。在进一步实践中发现，混凝土强度相同时，成熟度值未必相同，绍耳混凝土成熟度适应的温度段和强度段窄。为了拓宽公式的适用范围我国学者方光秀等于2002年提出了新混凝土成熟度[1]公式，见公式（1）。

式中 M——新混凝土成熟度，℃·d；

Ti——在ti时间内混凝土养护的平均温度(℃)，适用于-10～105℃；

ki——温度影响系数；它的含义是以20℃为基准的不同温度的影响效应(倍数)。

新成熟度公式把成熟度小于或等于840℃·d的混凝土强度统称为早期，并提出了用成熟度预测混凝土早期强度的公式，见公式（2）。

式中 fcu－预测混凝土早期相对强度值（相对于标准条件下养护28d的混凝土强度，以百分点计）

设计负温混凝土的配制温度为-5℃，养护周期为60d。温度影响系数ki查表[1]为0.27，按新成熟度公式（公式（3））计算：

由于该成熟度远小于840℃·d，可按混凝土新成熟度强度公式(3)推算：fcu=46.1。

由计算结果可知，在冻土环境条件下，负温混凝土的强度相对于标准条件下养护28d的混凝土强度为46.1%，由于通常自密实混凝土配方采用低水胶比(≤0.42)，并掺加复合矿物掺合料，fcu推测值将会增大，故fcu取值考虑50%较为适宜。由此可算得所需混凝土配制强度概值约为80MPa左右。

3 高强负温自密实混凝土配制技术研究

3.1 基本配合比的设计研究

由上述强度推算，混凝土配制强度概值为80MPa，属高强混凝土。混凝土需同时满足高强、自密实和适应负温施工性能，初步考虑配制基本特点是在低用水量、低水胶比、掺加复合矿物掺合料及掺入一定量的混凝土外加剂（含减水剂、防冻剂与早强剂等）条件下，使新拌混凝土的流变性能符合高填充性要求，并要确保硬化混凝土在负温条件下不受冻害，且在负温介质下混凝土的强度增长能满足工程要求。

考虑配制强度概值为80MPa，根据我公司以往的工程实践经验，确定混凝土水胶比为0.29。据我公司对自密实混凝土试验研究及工程实践认知：配制预拌自密实混凝土的技术关键是解决新拌混凝土的高流动性与高抗离析性的平衡与制约，并要确保在混凝土浇注入模前始终保持这种适宜的平衡与制约，然后在浇注入模后新拌混凝土中砂浆要迅速聚沉凝结，才能确保预拌自密实混凝土的工作质量[2]。

对于自密实混凝土的高流动性与高抗离析性的平衡与制约这对矛盾可以用图1表示。

由图1可见新拌混凝土具有良好填充性的区间是在高流动性与高抗离析性平衡点的附近。在这良好填充区间内尚可分两个区域，A区域为高流动性略大于高抗离析性区域；B区域为高抗离析性略高于高流动性区域。对自密实混凝土的配制宜采用高抗离析性略大于高流动性B区域的混凝土，此时用U形仪测得的△U（U型仪高度差指标）较小。在低水胶比自密实混凝土配方设计中，胶凝材料组成、砂浆体积与混凝土外加剂用量是影响新拌混凝土高填充性的重要参数。为使新拌混凝土的塑性粘度与抗剪屈服值取得接近最佳平衡点，配制较合理的配方，采用正交表L9(33)设计试验，试验因素水平见表1，试验结果见表2。

表 1 试验因素水平表

由正交试验结果可以观察到，在所选择的设计参数范围内，由U形仪测得的△U值除6号和2号点外，其余的测定值均小于2mm，说明均有良好的填充性；从△U的极差R分析中发现A、B与C三因素未有显著差异。但从扩展度∮测定结果中分析，发现A因素（Vp），即净浆体积是影响扩展度的首要参数，为使新拌混凝土的工作性接近符合图1中的B区域，即采用高抗离析性略大于高抗流动性的混凝土，综合分析△U与扩展度测定结果，自密实混凝土确定采用A3B1C3配方，U型仪高差△U为0 mm，扩展度∮为585mm，工作性能良好。故以此配方作为本项目的基本配合比。

3.2 抗冻技术措施的探讨和抗冻临界温度的确定

对于混凝土的抗冻机理从60年代的冰点理论开始发展至今形成了多种理论。其中，临界强度理论较为实用，从抗冻临界强度或从抗冻临界状态考虑，在负温混凝土中防冻剂是不可缺少的组分[3]。

抗冻临界温度可近似理解为不硬化温度,对于不硬化温度许多学者认为对应于防冻剂掺量不应为一个定值[4]。本研究设计最低安全温度为-10℃，采用高效复合防冻剂的混凝土工程配方能否经受住-10℃的抗冻损伤，有必要测定其抗冻临界温度。由于没有精确测定抗冻临界温度的试验条件,本研究采用的试验方法是：混凝土试件成型后经过多次降温，绘制混凝土强度发展曲线，出现强度下降转折点的温度近似理解为本负温混凝土的抗冻临界温度。环境温度变化状况如表3，相应混凝土抗压强度变化数据见表4和图3。

表3 抗冻临界温度试验方法

表4 抗冻临界温度试验抗压强度数据

由图3 测定结果可以发现:

（1）不掺加防冻剂仅掺高效减水剂的混凝土B4，其负温下的强度值远低于掺加高效复合防冻剂的混凝土B3，3d强度仅为3.3MPa，低于冬期施工规程规定的临界强度是4～5MPa的技术要求。

（2）掺有高效复合防冻剂的混凝土B3，3d负温强度为8.8 MPa,满足冬期施工规程规定的临界强度指标。在超过临界强度后转入-10℃环境中养护7d,混凝土强度仍能持续增长；但在转入-15℃环境中养护7d后混凝土强度呈现下降,表明本研究确定的工程混凝土配方,其抗冻临界温度概值为-10℃，能满足工程安全环境温度要求。

（3）在第18d开始将温度恢复到-5℃以后，B3和B4的强度均有所增长，表明两者均具有一定的抗负温潜力。

3.3 高强负温自密实混凝土配合比参数的确定

根据上述测定结果我们设计了满足大型隧道冻土法施工联络通道用高强负温自密实混凝土的配合比，参数如表5。

表5 高强负温自密实混凝土配合比参数

由于预计环境温度在-5℃,根据表5所确定的混凝土配方在恒负温(-5℃)养护条件下，模拟强度测定结果见表6。

表6 联络通道混凝土负温(-5℃)混凝土强度测定值 MPa

由表6测定结果可见，本研究采用高效复合防冻剂的技术方案是正确的。它能在负温条件下混凝土强度持续增长，其60d强度值仍能满足工程施工要求。

4 结语

（1）采用低水胶比、适宜复合矿物掺合料组成与高效减水剂是设计高强负温自密实混凝土的基本手段；掺入复配的高效复合防冻剂有利于降低混凝土抗冻临界温度。

（2）在低水胶比自密实混凝土配方设计中，胶凝材料组成、砂浆体积与混凝土外加剂用量是影响新拌混凝土高填充性的重要参数。其中砂浆体积是首要参数，采用高抗离析性略大于高抗流动性B区域的技术方案是正确的。

（3）用成熟度法来确定(推测)混凝土早期强度，通过判断所设计的混凝土配合比在长期恒负温条件下能取得的强度值，来确定高强负温自密实混凝土配制强度概值是可行的。

[1]方光秀，李发千等．混凝土成熟度新论及新成熟度准则应用[J]．低温建筑技术，2002，（2）：2-4

[2]林政，林莺等．预拌自密实混凝土工作质量控制技术研究[A]．“高强与高性能混凝土及其应用”专题研讨会论文集[C]，2002：154-160

[3]朱卫中．负温混凝土科学技术研究再反思[J]．低温建筑技术，2002(3)：1-4

[4]朱卫中，尚晓林．冬施中混凝土抗冻临界强度若干概念的理解与实践[J]．施工技术，1995(10)：30-33