隧道混凝土配比实验研究

何松晟，高 玮，汪 磊

(武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

近年来，随着我国经济建设的蓬勃发展及西部地区的大建设的进一步落实，使得交通基础设施建设得到迅速发展，混凝土作为隧道工程中最重要的材料之一更是大量的使用，而混凝土结构耐久性问题对于工程的正常使用和服务寿命意义重大，而这很大程度上依赖于混凝土配比设计［1］的合理性，好的配比不仅节约材料，提高混凝土强度，达到高强［2］、高耐久性、绿色混凝土等要求，而且具有很强的社会经济意义。

1 混凝土材料的基本组分

水泥：42.5普通硅酸盐水泥，水泥熟料的组成部分主要是由50%—75%的C3S(3CaO·SiO2)、10%—20%的β-C2S2(2CaO·SiO2)、5%—10%的C3A(3CaO·Al2O3)和10%C4AF(4CaO·Al2O3·F2O3)等矿物组成。因水泥熟料的生产是在部分熔融的状态下进行的，熟料中各矿物的形成温度差别较大，因此，水泥熟料中，除了C3S、β-C2S具有较好的晶形外，C3A、C4AF及其它物相多以微晶或玻璃相形式产出。

粉煤灰：粉煤灰是具有一定活性的火山灰质材料，其主要组成是二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙。粉煤灰的矿物组成主要是铝硅玻璃体、石英(SiO2)和莫来石(Al6Si2O13)等结晶矿物。粉煤灰颗粒细小，球形玻璃体多，表面光滑，能充填于钙矾石或水泥颗粒之间，增加致密性。新型胶凝材料中掺入一定量的粉煤灰可以增加浆体的流动性，具有一定的减水效果。大掺量粉煤灰能大大降低水泥用量，使后期强度得到提高［3］。

石子：因泵送设备的要求，最大粒径≤6 mm;含水率小于1%，石粉含量小于5%，石子筛分析如表1所示。

表1 石子筛分析

砂：为当地产的中砂，含水率小于3%，砂子筛分析如表2所示。

表2 砂子筛分析

外加剂：多功能复合外加剂，塑化、调凝、早强、保水、引气等功能［4］。

速凝剂(SN)：其主要的速凝成分为铝氧熟料，碳酸钠以及生石灰。这种SN生产方法是将铝矾土矿，纯碱，石灰石按一定的比例配成生料。将生料在1300℃左右的高温下煅烧。煅烧熟料的有效成分主要是偏铝酸钠。熟料再加一定量的石膏，生石灰等辅料经球磨机研磨后则制成SN。为保证足够快的速凝时间，一般要求SN达到一定的细度要求。这种SN含碱量较高，混凝土的后期强度降低较大，但加入无水石膏可以在一定程度上降低碱度并提高后期强度。

早强剂：结晶硫酸钠工业品(Na2SO4·10H2O)亦称芒硝，干燥环境下易失水风化，失水为无水硫酸钠Na2SO4，工业品称元明粉，其早强效果以Na2SO4·10H2O为最佳。硫酸钠的早强作用是由于硫酸钠加入水泥中，可与Ca(OH)2反应生成分散度极高的CaSO4·2H2O。生成的硫酸钙比生产水泥时加入的石膏的比表面积大很多，所以可以和水泥中的铝酸钙迅速反应生成钙矾石(3CaO·Al2O3·3 CaSO4·31 H2O)，体积膨胀，使水泥石致密，从而提高早期强度［5］。另一方面由于Ca(OH)2被消耗，又加速了C3S，C2S水化反应，也有助于混凝土早期强度的提高。

2 试验方案设计

2.1 因素水平确定

本实验的目的是找出各组分不同配比和外加剂对混凝土强度影响的规律，同时满足混凝土早期强度高的要求。因此，确定试验考核指标为强度和坍落度，选择1d，3d，7d的抗压强度作对比标准。

2.2 实验方案确定

在保持其外加剂组分及含量不变的情况下，进行实验，确定混凝土材料的基本配合比。通过对材料基本性能(流动性及强度的发展规律)的测定来调整其水灰比、水胶比、用水量等因素，不断优化混凝土的配比，具体方案如下。

水泥：42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰：二级粉煤灰。

石子：粒径≤6 mm，含水率小于1%，石粉含量小于5%。

砂：中砂，含水率小于3%。

外加剂：速凝剂，早强剂。

各组成成分按重量比范围为：水泥为10%—20%、粉煤灰为7%—40%、石子为15%—40%、砂为15%—25%、水为10%—30%;复合外加剂有效成分的掺量按重量百分比为水泥和粉煤灰总量的0.5%—2.0%。确定上述内容后进行下面的试验，测试不同配合比混凝土的基本性能。

具体试验中各成分和性能的代号表示如下。C：水泥的体积重量;F：粉煤灰的体积重量;G：石子的体积重量;S：砂子的体积重量;W：用水量重量百分比;A：早强剂体积百分比;N：速凝剂体积百分比;T：坍落度;P1：1d 的强度;P3：3d 的强度;P7：7d 的强度。

外加剂影响实验方案和混凝土配合比试验方案分别如表3和表4所示。

表3 外加剂影响试验方案

表4 混凝土配合比试验方案 /kg·m-3

3 实验结果及分析

3.1 试验结果

按照上表实验方案，在相同条件下，对不同配比的混凝土进行成型，以塌落度大小对拌合物进行工作性检测，验试件成型采用100 mm×100 mm×100 mm试模，浇筑一天后脱模，标准养护，测定其1 d，3 d及7d的抗压强度，具体结果如表5、图1和表6、图2所示。

表5 外加剂影响试验结果

图1 外加剂与混凝土强度的关系

表6 混凝土配合比结果

图2 混凝土材料配合比与强度的关系

3.2 结果分析

根据表5中的数据和图1可以得出在材料基本组分不变的情况下，外加剂的加入使其在流动性及强度的发展上有着明显增强。速凝剂的效果：混凝土中掺入速凝剂后，不减少拌和用水量，其坍落度从21.5cm上升到24 cm。早强剂的效果：加速混凝土早期强度发展。由图1知，第一组和加入速凝剂的第二组以及加入速凝剂、早强剂的第三组对比来看，1d 强度分别为 0.6MPa，0.86MPa，0.94MPa，强度有着明显的增大，而7d的强度分别为4.66 MPa，6.52 MPa，6.98MPa，得出第3组达到指定强度值的时间最短。说明早强剂的加入可以促进水泥的水化和硬化，提高早期强度和缩短养护时间。

根据表6中的数据和图2可以得出当只改变水灰比时，水泥用量增加，粉煤灰用量减少时，水灰比增大，坍落度略有上升，强度也得到提高，当水灰比越大，多余的水分增多，会增加硬化水泥石中的毛细孔，孔隙率变大，强度开始降低，从强度的增减确定最佳配比。

隧道混凝土材料应力—应变过程可分为5个阶段：第1阶段，主要特点是曲线的斜率是逐渐增大的，曲线是上弯的，随变形的加大，应力随之增大;第2阶段，该段为弹性阶段，主要特点是曲线近似为直线，即曲线斜率为常数，此段随应力的增加，应变增量很小，龄期越大，弹性模量越大，极限强度越大;第3阶段，主要特点是曲线下弯，即曲线斜率逐渐减小，此段在荷载作用下，纵向裂隙扩展导致试件达到峰值强度。需要指出的是，采用刚性伺服机测得充填材料的峰值强度比普通材料压力试验机测试结果适当偏高;第4阶段，为应力软化阶段，在这阶段内，试件随应变的继续增加，抗压强度逐渐降低，到残余强度。峰值强度越大，相对残余强度越小;第5阶段，残余变形阶段，在这阶段，随应变继续增加，材料抗压强度基本维持在残余强度水平。

实验显示，所配置的混凝土材料拥有较高的强度及残余强度和适宜的强度发展速度，可以满足承载需要。

4 结论

通过以上大量试验，优化得到隧道混凝土的基本配合比。由水泥、粉煤灰、石子、砂、水和复合外加剂组成，各组成成分按重量比为 21∶12∶24∶29∶14，此外添加复合外加剂能减少养护时间，或缩短蒸养时间，可提早拆模加速模板周转，加快进度，使配置的混凝土凝结时间快，早期强度高，满足隧道材料的要求。但是外加剂对混凝土有双重作用，使用得当能发挥良好的作用，使用不当则会起相反的作用，存在着水泥对外加剂的适应性和掺量问题，本文速凝剂和早强剂含量分别为0.6%。

粉煤灰与水泥是不同特性的材料，在配合比设计时，应把它作为细骨料来看待，这样才能充分地发挥粉煤灰早期的物理填充作用和后期的胶凝材料作用。低水胶比、大掺量粉煤灰在合理的配合比情况下完全可以配制出强度和耐久性均优良的混凝土。

外加剂的应用是多品种混凝土的一个发展方向，前景广阔，大力开展和推广应用混凝土外加剂将推动混凝土制备工艺和新型混凝土的发展，也是促进建筑业科学进步的重要途径。

［1］ Steven H Kosmatka.混凝土设计与控制［M］.钱觉时.重庆：重庆大学出版社，2005.

［2］ 高强和高性能混凝土委员会.高强混凝土应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.

［3］ 覃维祖.利用粉煤灰开发高性能混凝土若干问题的讨论［J］.粉煤灰，2000(5) ：3-6.

［4］ 张大伟，闫伟峰，原磊.混凝土外加剂的种类及其作用［J］.山西建筑，2009(8).

［5］ 田培，王玲.我国混凝土外加剂现状及发展趋势［J］.施工技术，2009(4).