预制盾构管片混凝土配合比的优化及应用

董献国

预制盾构管片混凝土配合比的优化及应用

董献国

一、引言

预制盾构是一种使用机械潜挖隧道的新型施工方法，具有进度快、作业安全、防水性能好、地表沉降小等优点，是修建越河跨江隧道和城市地铁的主要施工方法。管片是盾构工程中最重要和最关键的钢筋混凝土构件，采用蒸汽养护工艺生产，管片性能的优劣对盾构隧道工程质量和服役寿命具有决定性的影响。混凝土在蒸汽养护过程中尤其是升温过程，其内部的气相和液相受热膨胀，对混凝土内部结构产生应力作用，同时水、气发生转移可能造成混凝土中定向孔隙，这些作用可能会降低管片混凝土的力学性能和耐久性。因此本文采用最紧密堆积理论进行管片混凝土配合比设计，并对管片蒸养混凝土的力学性能、抗渗性能、抗氯离子侵蚀性能等耐久性能进行试验研究。

二、原材料与试验方法

1.原材料

水泥：巢湖铁鹏PO52.5水泥，安定性合格，3d抗折、抗压强度分别为6.1MPa、29.2MPa，28d 抗折、抗压强度分别为9.6MPa、55.6MPa。粉煤灰：淮南平圩Ⅰ级粉煤灰，细度为11.0%，需水量比为93%，烧失量为4%。砂：江西赣江河砂，细度模数为2.8，含泥量0.2%，泥块含量0.1%。石：安徽巢湖碎石，大石和小石按质量比7∶3混合后为连续粒级5～25mm，含泥量为0.1%，泥块含量为0%。外加剂：山西黄腾化工有限公司产HT-HPC聚羧酸高性能减水剂，外掺1.0%。

2.试验方法

力学性能试验方法按照国家标准GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》测试混凝土的抗压强度，其中抗压强度采用150mm×150mm×l50mm立方体试件，抗渗性能按照国家标准GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行试验，氯离子扩散系数按GB/T50082-2009中RCM法进行检测。

3.试件的制备及蒸汽养护制度

混凝土由强制式搅拌机拌合，搅拌时间为4min，试件振动成型的时间为1 min。由于静停时间、升温速度、恒温时间及温度、降温速度对胶凝材料水化和混凝土性能的影响比较复杂，蒸养过程均采用统一的蒸养制度，蒸养制度为：25℃静停4h，升温3h至55℃（确保混凝土中心温度不高于65℃），恒温6h，降温3h，温度降至25℃。蒸养完毕立即脱模，测量其抗压强度，28d抗压强度测试为蒸养结束后拆模标养至相应龄期。

三、C50预制管片混凝土的优化配制

1.试验设计

本试验混凝土配合比设计要求C50W12F200，计算采用最紧密堆积理论，控制坍落度50～90cm，采用 L9（34）正交表安排试验，考虑水胶比、粉煤灰掺量、外加剂掺量对蒸汽养护混凝土性能的影响，考核指标如下：混凝土拌合物的性能；16h蒸养混凝土抗压强度；蒸养转标养至28d龄期时混凝土的力学性能和耐久性能。

2.预制管片混凝土配合比优化

通过水胶比的调整满足混凝土抗渗、耐久性等要求，通过调整粉煤灰和外加剂的掺量可以使混凝土拌合物工作性满足施工要求。采用正交试验进行配合比优化，能客观地反映各主要因素对混凝土性能的影响规律，减少试验次数，缩短优化时间。

表1 影响因素水平表

表2 试验方案及结果分析表

表3 正交试验结果极差分析

表4 C50预制管片混凝土配合比试验结果

（1）正交试验考核指标、影响因素和因素水平

①考核指标

将混凝土拌合物工作性指标（定量指标为初始坍落度，定性指标为拌合物的和易性）和混凝土抗压强度（蒸汽养护后的抗压强度及蒸养脱模后标养至28d的抗压强度）作为正交试验考核指标。

②影响因素和各因素水平

将水胶比、粉煤灰掺量、聚羧酸减水剂掺量作为影响因素，见表1。

（2）正交试验

试验结果如表2所示，共9组试验，分别测定9种试验的初始坍落度和16h蒸汽养护后抗压强度及蒸养脱模后转标养28d的抗压强度。

（3）试验结果分析

C50预制管片混凝土正交试验结果的极差分析如表3所示。利用综合平衡法进行分析：

①C50预制管片坍落度要求50～90mm，因此P3首先排除，由表3可知，4个因素对混凝土拌合物初始坍落度的影响顺序为：高效减水剂C>粉煤灰掺量B>水胶比A，好的因素组合为A1B2C2。

②混凝土16h蒸养强度：提高混凝土16h蒸养强度，可加快施工进度。由表3可知，4个因素对混凝土16h蒸养强度的影响顺序为：水胶比A>粉煤灰掺量B>高效减水剂C，好的因素组合为A1B3C1。

③混凝土28d强度：混凝土28d抗压强度应满足配制强度59.8MPa的要求，由表3可知，4个因素对28d抗压强度的影响顺序为：水胶比A>粉煤灰掺量B>高效减水剂C，好的因素组合为A1B3C1。

综合以上试验结果，满足条件的有4组混凝土，试验编号分别为P1、P2、P5、P6，故最优组合为A1B3C1。由表2可知，粉煤灰掺量为15%时，混凝土16h蒸养强度比其余两种掺量的混凝土强度高，这是由于当粉煤灰掺入后，因为其颗粒较细，从而起密实填充作用，能够提高混凝土的密实度，在蒸养条件下，粉煤灰的火山灰效应更容易得到发挥，在整个水化过程中生成类似托勃莫来石凝胶，使混凝土更加密实，从而提高了混凝土的早期力学性能。

四、C50预制管片混凝土配合比试验结果及分析

对编号P3的配合比进行混凝土其他方面的性能检测，结果表明均满足设计要求，部分指标超过设计要求。检测结果见表4。

试验结果中混凝土的抗渗等级达到了P14，这是由于当粉煤灰大量掺入时，粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑，在水泥石中相当于未水化的水泥颗粒，极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显改善和增强混凝土及制品的结构强度，提高匀质性和致密性，从而提高了混凝土的抗渗等级。同时，由于粉煤灰含有较高的氧化铝和氧化铁，可与氯离子发生反应，起到化学吸附作用，能够降低孔隙率，提高混凝土密实性，降低氯离子在混凝土中的渗透速度，提高混凝土抗氯离子扩散性能。

五、结论

工程中实际使用时，根据现场原材料情况对P2配合比进行微调后，已大规模进行生产，其管片混凝土的力学性能、抗渗性能、耐久性能等技术指标均能符合设计要求，同时在配合比掺入了15%的粉煤灰，产生了显著的社会效益和经济效益

安徽省合肥工业大学 230001）