自密实混凝土在预制综合管廊生产中的实践

吴成浩 ，解建光 ，李进 ，周利睿 ，邢士波 ，李可可 ，耿飞

（1.南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京 210016；2.山东龙泉管道股份有限公司，山东 淄博 255000；3.江苏方洋科技投资发展有限公司，江苏 连云港 222066）

0 引言

综合管廊是建设于城市地下用于容纳二类及以上城市工程管线的建筑物及附属设施，不仅缓解了城市交通拥堵问题，还极大方便了电力、通信、燃气、供排水等市政设施的维护和检修，是21世纪新型城市市政基础设施建设现代化的重要标志之一，是城市发展的趋势和潮流[1]，是充分利用地下空间的有效手段，已在全国范围内推广建设[2-3]。

根据工程规模、地质环境和使用功能（给水、污水、电力、通信等）的要求，综合管廊的建设主要分为现浇和预制两类[4]。工厂预制综合管廊通常采用塑性混凝土浇筑，施工全程需要强力振动，极易导致混凝土过振，不仅使得管廊底板上表面形成较大直径的凹坑，而且上顶板浆骨分离，形成10 cm厚的砂浆层；此外，持续振捣会带来噪声污染，还会让模具产生变形、难以拼装，增加生产成本。因此，采用高性能自密实混凝土，无需振捣，实现均匀密实地填充预制管廊，提高综合管廊的质量和耐久性。

本文进行了预制管廊用C50自密实混凝土的制备，测试分析了水胶比、掺合料与砂率对其工作性能的影响，并在工厂进行了试生产，探讨了预制管廊的表面质量以及质量缺陷的原因，为自密实混凝土在预制综合管廊中的应用提供了理论参考和实践经验。

1 试验

1.1 原材料

胶凝材料：水泥，当地产的P·Ⅱ42.5R水泥，性能符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求；粉煤灰，Ⅱ级灰，细度16.5%，需水量比为101%；矿粉，S95级，流动度比为96%，7 d和28 d的活性指数分别为87%和105%。

集料：砂，河砂，细度模数3.3，含泥量1.0%；石，5～10 mm和10～20 mm的石子按1∶2的质量比掺配而成（符合5～20 mm连续级配要求），含泥量0.4%，大石子扁平状略多，针片状含量为14.8%，压碎值为9.5%。

减水剂：江苏某公司生产的固含量为40%的醚类聚羧酸型减水剂复配相容性较好的0.01%聚醚类消泡剂和0.003%脂肪醇类引气剂而成。当减水剂掺量为0.3%时，水灰比0.29的水泥净浆流动度为240 mm。

1.2 试验方案和测试方法

由于综合管廊尺寸较大、配筋密集，自密实混凝土应具有4个特性：在大落差与大流动性下保持不离析不泌水、自密实性能经时损失小、管廊表面气孔少、蒸养后强度不损失。结合CCES 202：2004《自密实混凝土设计与施工指南》、GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》关于混凝土性能的相关要求，预制综合管廊用自密实混凝土应达到以下设计指标：

（1）工作性能：混凝土自密实性能等级为二级，坍落扩展度为600～650 mm，T500扩展时间为2～12 s；

（2）力学性能：抗压强度等级达到C50，28 d配制强度宜控制在60～65 MPa；

（3）表面质量：管廊表面不得出现直径大于10 mm的气孔。

自密实性能包括填充性、间隙通过性与抗离析性，不仅与混凝土的施工性能密切相关，也影响混凝土微观结构的发展和匀质性，从而影响到混凝土的耐久性与变形性能。本文在基准配合比（见表 1）的基础上，研究了水胶比（0.26、0.29、0.32）、砂率（0.38、0.42、0.46）以及矿粉掺合料（15%、20%、25%）3个因素对自密实混凝土工作性的影响，优化和完善预制管廊用自密实混凝土的配合比。

表1 预制管廊用自密实混凝土的基准配合比 kg/m3

新拌混凝土的自密实性能按照JGJ/T283—2012《自密实混凝土应用技术规程》和JGJ/T 221—2010《纤维混凝土应用技术规程》进行测试。测试坍落扩展度时，应一次性使混凝土拌合物均匀填满坍落度筒，且不得振捣。硬化混凝土强度参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对自密实混凝土工作性能的影响

在自密实、大流态混凝土的配比设计中，高效减水剂等使得混凝土的工作性能对单位用水量非常敏感[5-6]，研究水胶比对预制管廊用自密实混凝土工作性能的影响，结果见表2，不同水胶比下自密实混凝土的状态如图1所示。

表2 水胶比对自密实混凝土工作性能的影响

图1 不同水胶比下自密实混凝土的状态

由表2和图1可见，对于C50自密实混凝土，水胶比为 0.26时，混凝土T500扩展时间较长，扩展度较小；水胶比为0.32时，虽然T500扩展时间较短，但是浆体粘聚性较差，出现轻微离析现象。分析原因可能是水胶比变小（即单位用水量减少）后，浆体粘聚性增大，导致拌合物的流动性、填充性与间隙通过性能变差；当水胶比过大时，浆体的粘聚性减小、流动性增加，导致混凝土拌合物的抗离析性下降、工作性能变差。因此，在其它配比参数与试验条件相同的情况下，水胶比为0.29时混凝土的自密实性能较好。

2.2 砂率对自密实混凝土工作性能的影响

固定其它参数不变，研究砂率对预制管廊用自密实混凝土工作性能的影响，结果如表3所示，不同砂率下自密实混凝土的状态如图2所示。

表3 砂率对自密实混凝土工作性能的影响。

图2 不同砂率下自密实混凝土的状态

从表3和图2可以看出，随着砂率从0.38增大到0.46，混凝土拌合物的扩展度越来越大，T500扩展时间越来越短，说明在一定范围内，增加砂率可以改善浆体的自密实性能。这是因为砂率对浆体的流变性能存在着双重效应：（1）在一定范围内，砂主要起圆形颗粒的滚动减水效应，可以在一定程度上改善流变性能；（2）若砂率超过一定范围，随着砂的总表面积增大，需要更多的自由水润湿表面，导致浆体变得粘稠、流动性能变差[7]。此外，砂率过大会减小自密实混凝土的弹性模量，削弱抵抗变形的能力。因此，综合考虑工作性能与弹性模量，选取砂率为0.42时自密实混凝土的工作性能较优。

2.3 掺合料对自密实混凝土工作性能的影响

自密实混凝土使用了大量的胶凝材料，若仅用水泥作为胶凝材料，容易导致混凝土早期水化热多、硬化收缩大以及耐久性差等缺陷。在自密实混凝土中添加矿物掺合料，合理搭配胶凝材料，不仅能够改善其工作性能，还可以发挥矿物掺合料的物理效应、填充效应和火山灰效应，形成密实均匀的结构，并提高自密实混凝土的耐久性能[8-9]。固定其它参数不变，研究粉煤灰与矿粉2种掺合料按1∶1的质量比双掺时，掺合料总用量对预制管廊用自密实混凝土工作性能的影响，结果如表4所示，不同掺合料用量自密实混凝土的状态如图3所示。

表4 掺合料总用量对自密实混凝土工作性能的影响

图3 不同掺合料用量时自密实混凝土的状态

由表4和图3可以看出，掺合料总用量从15%增加到25%时，自密实混凝土的工作性能越来越好。这是因为粉煤灰与矿粉按1∶1的质量比双掺时，可以在水泥基材料中发挥出“叠加效应”和“超叠加效应”，且优于单掺粉煤灰或矿粉的性能[9]。但是，掺合料是低活性材料，用量过多会导致混凝土的早期抗压强度降低，影响预制管廊的脱模与吊装。综合考虑，掺合料总用量为20%（其中粉煤灰与矿粉各掺10%）时，自密实混凝土的工作性能较优。

3 工程应用

3.1 自密实混凝土管廊制备

工厂预制管廊为单仓管廊，规格为（B×H×L）2600 mm×3000 mm×2000 mm，壁厚为250 mm。试生产时，按照施工工艺，进行各种原材料的计量、混合搅拌，生产配合比见表5，单位用水量根据原材料状态可进行适当调整。配制的混凝土自密实性较好，物理力学性能如表6所示，满足设计要求。

表5 城市地下综合管廊用C50自密实混凝土的配合比 kg/m3

地下管廊的制备工艺流程如图4和图5所示。

图4 自密实混凝土地下综合管廊制备工艺流程

图5 自密实混凝土综合管廊的制备过程

浇筑时，为保证自密实混凝土的工作性能，配备2个料斗（每斗约 3.2 m3）从钢模上方进行浇筑[见图 5（a）]，先从模具一侧立面正上方开始浇筑，使得钢模下部充满混凝土。待混凝土达到顶面后换至另一侧立面正上方进行浇筑，两侧立面浇满混凝土后缓慢移动料斗持续浇筑，直至浇筑完成。最后刮除多余混凝土并抹平[见图5（b）]，静置 5 h后进行 8 h蒸汽养护[见图 5（c）]，养护完成后拆除模具并放置于沙地存放[见图 5（d）]。

料斗出料速度由施工人员手动控制，浇筑时料斗要左右摆动，以便浇筑均匀。浇筑过程中要进行辅助振动，每浇1 m3的料要辅助振动，每次振动约20 s左右。

3.2 自密实混凝土管廊表面质量

管廊混凝土静置5 h后开始蒸汽养护，8 h后脱模，发现自密实混凝土浇筑的预制管廊也存在一些表面质量问题，主要有以下几点：

（1）预制管廊底板上表面存在很多微小气孔[见图6（a）]，与普通混凝土浇筑的综合管廊相比，气孔直径较小，而普通混凝土浇筑的管廊局部凹坑直径可达120 mm；（2）预制管廊外立面局部缺浆、石子裸露[见图 6（b）]，有 4～5 处出现此情况；（3）预制管廊出现多处水纹以及起砂的情况[见图6（c）]。

自密实混凝土预制管廊质量缺陷产生的原因主要有以下几点：（1）管廊结构比较复杂，整体布筋较密，容易导致石子堵塞，影响混凝土的流动和填充密实；同时，管廊高度达3 m，浇筑落差大，易出现浆骨分离的情况。（2）在原材料上，骨料级配较差，大石子中扁平状居多。（3）两次料浇筑时间间隔较长，会导致第一斗料的流动性和自密实性损失，以致在第二斗料浇筑时难以保证第一斗料的流动和重新填充模板。（4）进行辅助振动时，只有钢模外表面有振动器，内表面则没有，局部气孔难以排除。

自密实混凝土预制管廊质量缺陷的改善措施：（1）宜采用5～20 mm连续级配的石子（针片状含量不大于8%，含泥量不大于1.0%）；（2）在减水剂中复配增粘组分，可改善浆体的粘聚性，减少泌水；（3）2斗料浇筑的时间间隔应小于10 min，并尽可能短。

图6 预制管廊的表面质量缺陷

4 结语

（1）原材料与配比参数显著影响自密实混凝土的工作性能。随着水胶比增大，混凝土的流动性增加，离析泌水倾向加大；当砂率从0.38增至0.46时，拌合物的扩展度增大、T500扩展时间缩短；掺合料总用量从15%增加到25%时，自密实混凝土的工作性能变好，但早期抗压强度降低，影响预制管廊的脱模与吊装。

（2）进行工程应用时，需要综合考虑自密实混凝土的工作性能、物理力学性能以及表观质量等。除了严格控制原材料性能和配合比参数等，还可以改变浇注工艺来提高产品质量，如保证浇注过程的连续性，进行短时辅助振捣等。

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