港珠澳大桥人工岛隧道混凝土配制技术研究

焦运攀 ，刘可心 ，高凡 ，占文

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430040）

0 引言

港珠澳大桥隧道总长约6289 m，其中沉管隧道长约5664 m，东西人工岛隧道长约625 m[1]。人工岛隧道结构具有超大断面、钢筋密集等特点，设计要求混凝土密实无裂缝，结构耐久无渗水，使用寿命120年[2]。沉管隧道混凝土结构，采用分段工厂化预制，浮运至沉放地点拼接组装。而人工岛隧道混凝土结构要求现场浇筑，人工岛所处环境较差，高温时间较长，常年湿度较大，水蒸气中氯离子含量较高，同时浇筑与养护条件远不如工厂化预制优越[3-6]。但对混凝土的工作性、强度、耐久性以及体积稳定性等性能指标要求严格，要求混凝土结构具备高抗裂、低渗透、长寿命的特点[7-8]。

因此，根据人工岛隧道的结构特点以及施工工艺要求，分析混凝土配合比中的水胶比、胶凝材料用量以及组成对混凝土各项性能的影响规律，优选混凝土配合比，配制满足工作性、强度、耐久性的低渗透高抗裂的高性能混凝土，降低隧道混凝土的开裂风险。

1 混凝土配合比设计

1.1 混凝土性能指标要求

根据人工岛隧道的结构特点和施工要求，对其混凝土的工作性、强度、氯离子扩散系数、抗渗等级等技术参数提出了相应的要求（见表1）。同时要求混凝土的水胶比（W/B）不大于0.36，胶凝材料用量为360～480 kg/m3，为防止水化热和干燥收缩引起的混凝土开裂，要求混凝土的绝热温升不超过43℃，90 d干燥收缩不大于300×10-6mm/mm。

表1 港珠澳大桥暗埋段沉管混凝土的配制要求

1.2 原材料

水泥：广西平南生产的华润P·Ⅱ42.5水泥，比表面积318 m2/kg，C3A含量7.0%；粉煤灰：江苏谏壁电厂Ⅰ级粉煤灰，需水量比为94%；矿粉：首钢盾石牌S95级矿粉，比表面积420 m2/kg，7 d、28 d活性指数分别为82%、109%；细骨料：广西西江中砂，细度模数2.75；粗骨料：广东江门白水带碎石，5～20 mm连续级配；外加剂：江苏博特聚羧酸盐高性能减水剂，减水率不低于25%。

1.3 混凝土配合比

混凝土配合比优化设计采用体积法，试验研究过程中胶凝材料用量为380～460 kg/m3、胶凝材料中水泥所占比例C/B为35%～50%、水胶比W/B为0.30～0.36，分析研究W/B、胶凝材料用量以及C/B的变化对混凝土各项性能的影响，各组试验配合比参数见表2。试验中混凝土坍落度控制在（200±20）mm，含气量控制在（2.0±0.5）%。

表2 混凝土配合比参数

1.4 试验方法

混凝土拌和物的工作性能依据GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行测试，力学性能依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试，抗渗性能、氯离子扩散系数和干缩试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法》进行测试，绝热温升依据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土的工作性能

对于大体积混凝土结构，新拌混凝土具有良好的工作性能是保证其硬化后性能的前提，在混凝土配合比中W/B和胶凝材料用量是影响新拌混凝土工作性能的重要因素。

由表 2可知，3#、9#配合比的 W/B 分别为 0.32、0.30，新拌混凝土保水性良好，但粘度较大，甚至出现抓底现象，工作性能较差；4#、10#配合比的W/B增大至0.34，新拌混凝土工作性能良好，无离析或泌水现象；5#配合比的W/B为0.36时，新拌混凝土粘度虽有所降低，但是保水性能下降，出现离析和泌水现象，工作性能不良。

1#、2#配合比的胶凝材料用量分别为 380、400 kg/m3，新拌混凝土虽然无离析泌水现象，但流动性和浆体对骨料包裹性不足；11#配合比的胶凝材料用量为460 kg/m3，新拌混凝土浆体富余且有轻微泌水现象；4#、10#配合比的胶凝材料用量分别为420、440 kg/m3，新拌混凝土浆体包裹性良好，无离析或泌水现象。

综上可知，W/B为0.34，胶凝材料用量为420～440 kg/m3时，新拌混凝土的工作性能良好。若胶凝材料用量增加，新拌混凝土中富余的浆体较多，泌水风险较大；若胶凝材料用量减少，新拌混凝土的流动性及浆体的包裹性变差。若增大W/B，混凝土易产生离析泌水，保水性降低；若降低W/B，混凝土粘度增大，流动度变差。

2.2 混凝土的力学性能

各组配合比试样在不同龄期的抗压强度如表3所示。

表3 各组配合比试样在不同龄期的抗压强度

由表3可知，各组配合比试样的28 d、56 d抗压强度均高于设计指标，但W/B较高的5#配合比和C/B较低的6#配合比的早期强度较低。

当W/B作为单一变量时，W/B增大，混凝土的抗压强度降低。当胶凝材料用量为420 kg/m3，W/B小于0.34时，混凝土强度富余量过多，但是工作性能较差，施工质量不易控制；W/B大于0.34时，混凝土强度偏低，强度保证率不足；W/B为0.34时，混凝土强度富余量较为合理。

当C/B作为单一变量时，C/B在35%～50%范围内时，混凝土抗压强度随着C/B的增大总体呈现上升的趋势。当W/B为0.34、胶凝材料用量为420 kg/m3时，分析C/B的变化对混凝土抗压强度的影响可知，C/B为40%、45%的配合比试样，混凝土的早期强度较低，但后期强度增长迅速，56 d抗压强度接近甚至超过C/B为50%的配合比，然而C/B为35%的配合比试样的早期和后期强度均为最低。分析原理可认为，当C/B为40%～50%时，矿物掺合料通过参与二次水化反应，使其活性得到充分激发，虽然早起强度发育缓慢，若养护得当，后期强度发展迅速，达到甚至超过设计要求，这是由于二次水化反应后，矿物掺合料细化了混凝土内部的孔隙结构，从而降低孔隙率，增加混凝土的密实度，达到提高强度的效果。若矿物掺合料掺量过多，由于二次水化反应速率缓慢，导致混凝土强度发育长期处于比较缓慢的阶段，混凝土强度偏低。

2.3 混凝土的耐久性

各组配合比试样的抗氯离子渗透和抗水渗试验结果如表4所示。

由表4可知，各组配合比试样在各龄期的氯离子扩散系数均符合配制要求，但W/B、胶凝材料用量、C/B等因素的变化对混凝土氯离子扩散系数的影响规律各不相同。

由表4中3#、4#、5#配合比的试验结果可知，氯离子扩散系数随着W/B增大而增大，虽然混凝土的28 d、56 d氯离子扩散系数符合设计要求，但是5#配合比试样的28 d氯离子扩散系数增加至5.2×10-12m2/s，是3#配合比试样的1.55倍，抗氯离子渗透性能显著降低。由此可见，水胶比增大，水化反应后混凝土内部大孔数量增加，从而降低混凝土的抗氯离子渗透性能。因此，为确保混凝土的抗氯离子渗透性能，W/B不应大于0.34。

由表 4 中 1#、2#、4#、10#、11#配合比的试验结果还可以发现，随着胶凝材料用量增加，混凝土的氯离子扩散系数先降低后升高。分析原因可知，当胶凝材料用量较少时，浆体对骨料的包裹性不足，水化反应过后混凝土内部会产生较多大孔，便于氯离子扩散；随着胶材用量增多，浆体对骨料的包裹性改善，水化后混凝土中大孔减少，使其更密实，氯离子扩散系数减小；胶凝材料用量继续增加，导致浆体富余过多，虽然混凝土内部大孔数量减少，但是毛细孔数量较多，氯离子扩散系数增大。因此，胶凝材料的用量在420～440 kg/m3时，混凝土的抗氯离子渗透性能较好。

由表4中6#、4#、7#、8#配合比的试验结果同样可以发现，随着C/B增加，混凝土氯离子扩散系数增大。这是因为矿物掺合料比例增加，混凝土内部的空隙不断得到细化或填充，混凝土抗氯离子渗透性能增强。具体分析可以认为，矿渣粉具有一定的潜在活性，水化产物可以切断混凝土内部的毛细孔隙，使之不能互相连通，从而阻碍氯离子扩散。而粉煤灰的活性相对较低，在改善孔隙结构能力方面不如矿渣粉，但可以提高混凝土的工作性，使混凝土具有较好的流动性，填充粗大空隙，提高混凝土的密实度，混凝土的抗氯离子渗透性能提高。因此，C/B在40%～50%时，混凝土的抗氯离子渗透性能较好。

表4 混凝土的氯离子扩散系数与抗水压渗透等级

各组配合比试样28 d的抗水压渗透等级均大于P12，抗水压渗透性能良好，满足设计要求，W/B、胶凝材料用量和C/B的变化对混凝土抗水压渗透等级影响不明显。

2.4 混凝土的体积稳定性

各组配合比试样在90 d的干燥收缩值和7 d的绝热温升如表5所示。

表5 混凝土的干燥收缩值与绝热温升

由表5可知，混凝土的干缩值随着W/B、胶凝材料用量和C/B的增加而增大；胶凝材料用量为420～460 kg/m3时，胶凝材料用量的变化对混凝土干缩值的影响幅度最大，W/B次之，C/B最小。其中胶凝材料用量为460 kg/m3的配合比试样90 d干缩值更是超过了300×10-6mm/mm。因此，在要求低水胶比、高掺量矿物掺合料的条件下，设计人工岛隧道混凝土配合比过程中，应把胶凝材料用量作为控制混凝土干燥收缩主要因素，控制胶凝材料用量不超过420 kg/m3。

混凝土的绝热温升是水泥水化反应产生的热量转化而成。因此，水泥用量是影响混凝土绝热温升的主要因素。由表5可知，当胶凝材料用量大于420 kg/m3或C/B超过45%时，混凝土的绝热温升超过43℃，为控制混凝土的绝热温升，降低温度应力引起的混凝土开裂的风险，应控制胶凝材料的用量小于420 kg/m3、C/B低于45%。

2.5 配合比优选

在港珠澳大桥人工岛隧道工程的大体积混凝土配合比设计指标要求的条件下，综合分析W/B、胶凝材料用量以及C/B等因素的变化对混凝土各项性能的影响，优选出兼顾工作性、力学性能、耐久性以及体积稳定性的最佳配合比，为4#配合比，该组配合比混凝土绝热温升与干燥收缩值较低，可降低水化热和干燥收缩引起的混凝土开裂风险。

3 结论

（1）混凝土的工作性能受W/B和胶凝材料用量的影响，当W/B为0.34、胶凝材料用量为420～440 kg/m3时，新拌混凝土的工作性能最佳。

（2）混凝土的抗压强度随W/B降低和C/B增大而提高，当W/B为0.34，C/B为40%～50%时，混凝土的抗压强度最为理想。

（3）W/B、胶凝材料用量以及C/B的变化都会影响混凝土的抗氯离子渗透性，当W/B不大于0.34、胶凝材料用量为420～440 kg/m3、C/B为40%～45%时，混凝土的抗氯离子渗透性能最佳；以上3种因素对高掺量矿物掺合料和低水胶比的混凝土抗水渗性能影响较小。

（4）水泥用量是影响高掺量矿物掺合料、低水胶比混凝土体积稳定性的主要因素，控制胶凝材料用量不大于420 kg/m3、C/B低于45%，可以保证混凝土具有良好的体积稳定性。

（5）综合分析水胶比、胶凝材料用量、胶凝材料组成对人工岛隧道混凝土工作性、力学性、耐久性和体积稳定性的影响，确定混凝土配合比的最佳水胶比为0.34，胶凝材料用量为420 kg/m3，胶凝材料组成为40%水泥+30%粉煤灰+30%矿粉。

[1] 孟凡超.港珠澳大桥主体工程总体设计[C]//中国土木工程学会桥梁及结构工程分会，上海市城乡建设和交通委员会.第十九届全国桥梁学术会议论文集（上册）.上海，2010：57-77.

[2] 刘晓东.港珠澳大桥总体设计与技术挑战 [C]//中国海洋工程学会.第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集（上）.太原，2011：17-20.

[3] 陈韶章，苏宗贤，陈越.港珠澳大桥沉管隧道新技术[J].隧道建设,2015（5）：396-403.

[4] 王吉云.港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道施工新技术介绍[J].地下工程与隧道，2011（1）：22-26，53.

[5] 尹海卿.港珠澳大桥岛隧工程设计施工关键技术[J].隧道建设，2014（1）：60-66.

[6] 李英，陈越.港珠澳大桥岛隧工程的意义及技术难点[J].工程力学，2011（S2）：67-77.

[7] 王胜年，苏权科，范志宏，等.港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计原则与方法[J].土木工程学报，2014（6）：1-8.

[8] 刘可心，吴柯，刘豪雨.港珠澳大桥超大断面隧道混凝土裂缝控制技术[J].水运工程，2015（8）：139-143.