C60盾构式管片高性能混凝土配合比设计的研究

檀秋芬，扈惠敏，潘春生

（1.芜湖职业技术学院，安徽 芜湖241003；2.合肥工业大学，安徽 合肥230009；3.中交二航局 第四工程有限公司，安徽 芜湖241006）

1 引 言

在盾构隧道施工中，管片是最关键、最重要的结构骨架。管片对混凝土的性能要求较高，不仅要求有比较高的强度和抗渗性能，还应具有较高的防火性能和高的耐久性，其中耐久年限一般要求至少100年，盾构管片质量将直接关系到隧道的整体质量和安全性。传统的普通混凝土材料已经远远不能满足隧道管片工程的需要，高性能混凝土(又称HPC)因为其所具有的独特性能，即高的强度和早期强度，高耐久性，良好的工作性和工程经济性，近几年来已被普遍应用于盾构隧道管片中。

目前，国内外的混凝土研究技术人员已针对单掺与双掺矿物掺合料的高性能混凝土的原材料、性能、配合比设计展开了大量研究，而对其配合比设计方法的研究仍处于探索与发展阶段。从已有的研究成果来看，长期的大量试验和施工实践经验积累是正确合理的配合比设计基础，并构成现在混凝土配合比设计所必须遵循的基本法则，即水灰比法则、最小单位用水量或最小胶凝材料用量法则、混凝土密实体积法则与最小水泥用量法则。[1-3]

高性能混凝土配合比设计同样都必须遵循上述法则，由于引入了细掺料和外加剂，HPC 各组分间的关系与普通混凝土所常用的经验参数有所不同，又因水灰比取值较小，致使上述法则内涵发生变化。如高性能混凝土中水灰比可称为水胶比，其中“胶”应是水泥和超细掺合料重量的总量之和。此外用水量与混凝土坍落度的关系必须考虑外加剂的存在，施工尚须考虑泵送等。所有这些都必须通过无数次的试验与工程实践加以验证。

2 C60 盾构式管片高性能混凝土配合比确定方法

2.1 工程概况

南京纬三路过江通道工程N 线工区水泥混凝土C60 盾构式管片设计要求混凝土为高性能混凝土，耐久性好，结构使用年限为100年，因此在考虑混凝土配合比设计时，优先采用了优质粉煤灰和磨细矿渣的双掺技术，以降低水化热，改善硬化混凝土的性能。在满足设计要求的条件下，尽量采用低水泥用量和低水胶比，在满足施工性能的条件下，尽量采用低坍落度。

2.2 性能指标

一般以C60 盾构式管片HPC 常用性能指标作为基准，再通过试配调整来满足其他要求。性能指标具体如下混凝土设计强度等级为C60；抗渗等级为P12；混凝土设计坍落度为（30-70）mm；胶凝材料用量400-500kg/m3；水胶比不大于0.35；混凝土试配强度≥69.9MPa；总碱含量≤2.5kg/m3；氯离子含量不超过胶凝材料总量的0.06%，且不得使用含有氯化物的防冻剂及其他外加剂；混凝土氯离子扩散系数≤1.2×10-12m2/s。

2.3 原材料选择

1.水泥：芜湖白马山海螺PⅡ52.5 级低碱硅酸盐水泥。

2.砂：江西赣江中砂，细度模数为2.8，表观密度2.609g/cm3。

3.石：安徽庐江，由（5-10）mm 和（10-25）mm 的两级配碎石合成(5-25)mm 连续级配的碎石，合成比例为4：6，针片状含量为4.2%，压碎值为5.4%，表观密度2.713g/cm3。

4.粉煤灰：南京华能，Ⅰ级粉煤灰。

5.矿粉：马鞍山中天，S95 级。

6.高效减水剂：上海华登，掺量0.76%，液体聚羧酸系减水剂，减水率为21%。

7.改性聚丙烯纤维：武汉中鼎，掺量1.5kg/m3。

原材料按规程JTGE42-2005 及JTGE30-2005进行试验，试验结果符合规范要求。

2.4 配合比试验[4-8]

2.4.1 计算初步配合比

高性能混凝土试配强度应超过其设计要求的强度标准值以达到强度保证率的要求，其超出的数值应依据混凝土强度标准差而定。

1.确定试配强度

fcu，0=fcu，k+1.645σ=69.9MPa

式中：fcu，0—混凝土试配强度（MPa）；

fcu，k—混凝土立方体抗压强度标注值（MPa）；

σ—混凝土强度标准差 （MPa），≥C50 级取6，其余取5。

2.计算水灰比（或水胶比）

高性能混凝土配置特点是采用低水胶比。水胶比影响着水泥浆基体和粗骨料间过渡区这两者的孔隙率，能够保证混凝土的充分密实，阻止腐蚀性气体的渗入，以达到HPC 耐久性。HPC 中因掺入的磨细掺合料改善了胶凝材料的级配关系，使混凝土密实，并提高了胶结强度。HPC 混凝土强度仍可视为与水胶比成线性关系，符合保罗米公式理论。

式中：W/C—计算得的基准水灰比；

αa、αb—回归系数。当采用碎石时，αa取0.46，αb取0.07；

fce—水泥28d 抗压强度实测值（MPa）；

fcu，0—混凝土试配强度（MPa）。

取水泥28 天经验强度fce=57MPa，按耐久性及设计要求校核计算的基准水灰比，综合考虑外掺料对强度的影响，基准水灰比取用0.28。

3.单位用水量

单位用水量是保证高性能混凝土拌合物流动性的基本因素，但用水量大，胶凝材料用量增大，高性能混凝土结构易产生干缩裂纹。单位用水量决定于集料最大粒径与混凝土的坍落度。但高性能混凝土最主要是考虑高效减水剂的质量与用量以及掺合料的关系控制坍落度，其集料最大粒径和坍落度波动范围不大。试验显示单位用水量与强度通常成反比，故可在《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000 基础上，根据强度等级估算混凝土单位用水量，如表1 所示。

表1 混凝土单位用水量

初选混凝土单位用水量mw=175kg/m3，依据下式确定所用的修正用水量mw0：

mw0=mw·（1-β）=175×(1-21%)=139kg/m3

式中：mw0—掺高效减水剂混凝土单位用水量；

mw—混凝土单位用水量；

β—外加剂的减水率（%）。

4.单位胶凝材料用量

外加剂用量为：495×0.76%=3.76kg/m3。

5.初选砂率βs

在水泥浆一定的情况下，砂率在混凝土中主要影响高性能混凝土的工作性。依据《普通混凝土配合比设计规程》的基础上，可根据胶凝材料用量、粗细集料的级配及泵送要求等因素，由经验确定砂率，见表2 所示，高性能泵送混凝土的砂率宜控制在35%-45%之间。试验表明，砂率小于35%时混凝土和易性变差，施工操作困难，对泵送不利，且密实度降低；超过45%时将增大高性能混凝土的收缩，对抗裂不利。本试验砂率初选36%。

表2 砂率的选用

6.确定粗细集料用量

根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000中重量法确定：

式中：mc0—每立方米混凝土的胶凝材料用量（kg）；

mg0—每立方米混凝土的粗骨料用量（kg）；

ms0—每立方米混凝土的细骨料用量（kg）；

mwa—每立方米掺高效减水剂混凝土的用水量（kg）；

mcp—每立方米混凝土拌合物的假定重量（kg），其值可取2350-2450kg；

βs—砂率（%）。

取βs=36%，且假定混凝土的密度mcp=2480kg/m3，代入上面两式可得：

mg0=1181kg/m3，ms0=665kg/m3

7.试验室初步配合比

胶材：砂∶石子∶水∶减水剂∶改性聚丙烯纤维=495∶665∶1181∶139∶3.76∶1.5

8.计算掺合料及水泥用量

按等量替换法取粉煤灰为胶凝材料用量的10%、矿粉为胶凝材料用量的25%，则：

粉煤灰：mf=mc0×10%=495×10%=50kg/m3，

矿粉：mk=mc0×25%=495×25%=124kg/m3，

水泥用量：mc=mc0×(1-35%)=495×(1-35%)=321kg/m3。

2.4.2 调整工作性，确定基准配合比

1.按计算初步配合比试拌25L 混凝土拌合物，确定各种材料用量

水泥：321×0.025=8.025kg；

粉煤灰：50×0.025=1.250kg；

矿粉：124×0.025=3.100kg；

水：139×0.025=3.475 kg；

砂：665×0.025=16.625kg；

碎石：1181×0.025=29.525kg；

减水剂：3.76×0.025=0.094kg；

改性聚丙烯纤维：1.5×0.025=0.038kg。

调整工作性：测定坍落度为55mm，棍度中，粘聚性良好，保水性少量，含砂中。

2.提出基准配合比

(水泥+粉煤灰+矿粉):砂:石子:水:减水剂:改性聚丙烯纤维

=(321+50+124)∶665∶1181∶139∶3.76:1.5

=(0.65+0.1+0.25)∶1.34∶2.39∶0.28∶7.60×10-3∶3.03×10-3

2.4.3 检定强度，确定试验室配合比

把基准配合比记为GP，按照普通配合比设计规程《JGJ55-2000》要求，在基准配合比的基础上分别上下浮动0.02 个水灰比，保持用水量不变，分别记为GP0.26 和GP0.30，砂率上下0.1%，计算出配合比并进行试拌成型。

GP 组(W/C=0.28，砂率36%)

(水泥+粉煤灰+矿粉)∶砂∶石子∶水∶减水剂∶改性聚丙烯纤维

=(321+50+124)∶665∶1181∶139∶3.76∶1.5

=(0.65+0.1+0.25)∶1.34∶2.39∶0.28∶7.60×10-3∶3.03×10-3

GP0.30 组(W/C=0.30，砂率37%)

(水泥+粉煤灰+矿粉):砂:石子:水:减水剂:改性聚丙烯纤维

=(301+46+116)∶695∶1183∶139∶3.52∶1.5

=(0.65+0.1+0.25)∶1.50∶2.56∶0.30∶7.60×10-3∶3.24×10-3

GP0.26 组(W/C=0.26，砂率35%)

(水泥+粉煤灰+矿粉)∶砂∶石子∶水∶减水剂∶改性聚丙烯纤维

=(348+54+133)∶632∶1174∶139∶4.07∶1.5

=(0.7+0.1+0.2)∶1.39∶2.59∶0.40∶7.61×10-3∶2.8×10-3

强度结果汇总如表3 所示。

表3 配合比抗压强度总表

试验结果显示，在标准养护条件下，当混凝土胶凝材料一定时，随着水胶比的增长，水泥水化比所需的水分增加，导致水泥石的孔隙增多，且石子下沉引起混凝土产生沉降收缩，并产生微细裂纹。孔隙与微细裂纹的存在减少了水泥石承载的有效面积，而且在水泥石界面以及孔隙周围还将产生应力集中现象，从而降低了混凝土的抗压强度。因此在胶凝材料、外加剂种类及用量一定时，宜采用低水胶比。经验证，GP 组与GP0.26 组配合比满足C60坍落度及试配强度要求。

3 结 论

试配C60 盾构式管片高性能混凝土，可从0.28水胶比开始，砂率按高性能泵送混凝土的砂率经验取用并进行试配，随着配制高性能混凝土水胶比的上下浮动，相应砂率应进行上下调动，改变幅度以满足工程要求的混凝土工作性及抗压强度为准。

研究显示对于C60 盾构式管片高性能混凝土的配合比设计关键是配合比参数的控制：水胶比≤0.40，胶凝材料总质量介于300kg/m3-550kg/m3，砂率宜控制在35%-45%之间，单位用水量应小于175kg/m3，另胶凝材料中矿物细粉用量宜不大于胶凝材料总量的40%，可采用粉煤灰和磨细矿粉共同掺入，利用粉煤灰和磨细矿粉的综合效应，使混凝土结构更加致密，从而使混凝土的早期强度得到有效保证。一般按等量替换法取粉煤灰为胶凝材料用量的10%、磨细矿粉为胶凝材料用量的25%。此外高效减水剂最佳掺量一般占胶凝材料总质量的0.5%-2%。

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