地铁盾构管片用高性能混凝土性能研究

权军力

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350)

随着地铁盾构管片用混凝土耐久性的提高，普通混凝土的性能已经无法满足要求，高性能混凝土逐渐被应用于管片结构中。内外相关学者相继对高性能混凝土(HPC)开展研究，针对实际工程要求的差异，高性能混凝土的性能探究路径不尽相同，主要集中于矿物掺合料和高性能聚羧酸减水剂方面。20世纪90年代以来，相关学者就高性能混凝土配合比设计过程中掺入矿物掺合料的观点基本达成一致[1-3]，结论主要集中于粉煤灰颗粒的预处理可以改善颗粒组成与特性、提高混凝土氯离子抗侵入能力以及适当比例的矿物掺合料替代水泥时混凝土兼具抗渗性能和抗腐蚀能力；方坤礼[4]指出将不同掺量的超细矿粉掺入到管片混凝土中，结果表明掺加超细矿粉的管片混凝土耐久性优良，其效果优于S95 级矿粉；孙鑫鹏等[5]提出将超细粉煤灰掺入高性能混凝土，混凝土兼具抗冻性、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀性能等多方面优点，同时降低高性能混凝土单位面积磨损量，改善混凝土早期强度和干缩性能；简宜端[6]提出粉煤灰、矿粉双掺观点，双掺的高性能混凝土一定程度上能够改善混凝土的工作性能、强度以及耐久性，且具有更好的经济及社会效益。

本研究立足于天津地铁项目，施工过程中管片渗水是项目面临的主要难题，综合现有高性能混凝土配合比的设计经验，采用控制变量的方法，在胶凝材料、集料、外加剂、水不变的条件下，通过调整胶凝组分中矿物掺合料的类型、比例，设计出不同胶凝组分配合比，旨在提高地铁盾构管片用高性能混凝土力学性能，同时结合耐久性中电通量、氯离子扩散系数以及抗渗等级分析，得出最佳配合比并应用于工程实际中。

1 试验设计

1.1 原材料

水泥：天津金隅振兴水泥有限责任公司生产的P.O 42.5 低碱水泥，水泥中铝酸三钙含量低于5%；矿物掺合料：天津军电电力有限公司生产的FⅠ类粉煤灰，天津大港油田亿通矿粉有限公司生产的400～500 m2/kg矿粉，SiO2≥85% 微硅粉由山东三美硅材料有限公司提供；细集料：辽宁绥中有限公司提供的细度模数2.7、含泥量2.0%的中砂；粗集料：河北三河有限公司提供的5～20 mm碎石，含泥量0.5%，针、片状含量小于10%；高性能减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 拌合物性能测试方法

(1) 新拌混凝土工作性能测试坍落度、含气量试验依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/50080-2016)。

(2) 混凝土抗压强度测试依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/50081-2019)。

(3) 混凝土的电通量、氯离子扩散系数、抗渗等级测试依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/50082-2019)。

1.2.2 高性能混凝土配比设计

天津地铁盾构管片设计年限100 a，结合公司盾构管片生产经验，盾构管片用高性能混凝土配合比设计应满足以下要求：①混凝土水胶比≤0.36，混凝土强度等级C50，强度等级富余系数≥1.08；②依据耐久性设计要求，抗渗等级为P10，混凝土总碱含量≤3.0 kg/m3， 56 d氯离子扩散系数≤3×10-12m/s，56 d电通量<1 000 C；③综合成本考虑，最大胶凝材料用量480 kg/m3。掺合料采用矿粉、粉煤灰、微硅粉，其中掺合料总量占胶凝材料的20%～50%，依据以往经验，天津地铁项目矿物掺合料总量取40%，设计出3种配比，见表1。

表1 混凝土配合比设计 kg/m3

2 结果与分析

2.1 工作性能分析

依据地铁盾构管片用高性能混凝土质量要求，混凝土自出机到现场浇筑严格控制在2 h以内，因此新拌混凝土坍落度值、含气量值2 h的发展变化对混凝土施工效率及后期服役过程中的耐久性至关重要。混凝土配合比新拌坍落度值和2 h坍落度值变化趋势如表2所示。从表2中可以看出：①C1、C2、C3配合比新拌混凝土、2 h坍落度值均遵循C2>C3>C1；②新拌至2 h坍落度损失的发展规律为：C1>C3>C2。其中，C1配合比2 h损失最高，C2、C3的2 h损失较低且较为接近。C1配合比为水泥胶凝组分，C2、C3配合比分别为水泥-粉煤灰-矿粉、水泥-粉煤灰-矿粉-微硅粉胶凝组分，矿物掺合料的掺入减小了2 h内坍落度损失率，有利于早期混凝土的可施工性。对比C2、C3可得，新拌混凝土的坍落度值变化为C3>C2，主要原因： C2、C3配合比中粉煤灰掺量依次为20%、17.5%，粉煤灰微观形貌(见图1)呈球形可以改善早期混凝土的流动性，因此C2坍落度值较高；微硅粉微结构形貌(见图2)呈规则纳米级球形颗粒分布，比表面积较大，早期水化速率较快，致使早期流动性显著下降。2 h时C1坍落度损失最大，主要原因是早期水泥水化反应迅速，快速水化的水泥在颗粒表面形成阻隔水泥进一步水化的产物，而掺加掺合料的胶凝组分中水泥组分较少，水化速度较缓，损失率均低于C1。

高性能混凝土相较于普通混凝土的工作性能、可施工性能优良，设计配合比时引入尺寸小、分散性好、密闭的气泡可进一步提升混凝土的高流动性、抗离析性，同时气体的引入兼具粘度的提高，即增加胶凝材料对集料的包裹性，最终形成密实、均质的混凝土管片构件。遵循高性能混凝土含气量的质量要求，含气量控制范围为2.0%～4.0%，含气量发展趋势如表2所示，分析可得：①新拌混凝土、2 h时含气量发展规律与坍落度发展规律等同，即C2>C3>C1；②2 h含气量损失的发展规律为：C1>C3>C2。C1含气量的损失分数高于C2、C3，主要原因：水泥具有较强的吸附作用，水泥早期水化吸附了混凝土拌制过程中产生的气体，且随着水泥掺量的增加，吸附的气体量增多，最终致使混凝土含气量降低，C1胶凝组分中水泥的占比量最高，因此C1含气量的损失质量分数最大；粉煤灰因其微结构的形态和生产工艺掺入混凝土时会增大混凝土的含气量，且随着掺量的增大，含气量随之增大，其中C2、C3配合比中粉煤灰掺量依次为20%、17.5%，因此C2混凝土含气量高于C3，C3微硅粉的掺入导致水化速率加快，降低了早期混凝土的流动性，施工搅拌引入气体的能力下降。

表2 不同配合比坍落度值、含气量值和强度发展变化

图1 粉煤灰扫描电镜图 图2 微硅粉扫描电镜图

2.2 强度分析

混凝土服役过程中强度是制约耐久性的关键指标，基于C1、C2、C3配合比下混凝土抗压强度发展趋势展开分析，通过表2分析可得：①标准养护龄期为3 d时，C1配合比抗压强度值均高于C2、C3，C2、C3胶凝组分中水泥的占比质量相同，其抗压强度值也较为接近，证实养护龄期3 d 时掺合料水化的作用较弱，且生成的水化产物未能提高早期强度；②养护龄期7～56 d抗压强度发展趋势为C3>C2>C1。

7～56 d养护阶段C1强度始终低于C2、C3，其主要原因是：C1配合比中参与水化反应并为后期提供强度的胶凝组分与C2、C3不同，C1胶凝组分以水泥为主，水泥遇水发生剧烈的水化反应，早期生成的水化产物和结晶点较多，但是由于反应较快，水化产物彼此交错搭接形成的网络状结构较为疏松，微观形貌上易出现水化“空洞”现象。C2、C3强度较高的原因归结于掺合料(粉煤灰、矿粉)在混凝土中的二次水化反应：C2、C3胶凝组分中水泥占比量相同，为掺合料的进一步反应提供了碱性环境和Ca(OH)2[7]，胶凝组分中粉煤灰参与水化反应，因其自身呈空心球形颗粒分布，球形颗粒表面水化产物的附着力较弱，即使胶凝组分处于较强的碱性环境，水化作用能力也较弱，在水泥水化进程中具有较强的调节性能，达到提高混凝土整体强度的均匀密实性；相较于粉煤灰，矿粉的微观粒径呈片状颗粒分布，处于较强的碱性时片状颗粒发生肢解、重组[8]形成粒径尺寸较小的水化产物填充于水泥早期水化反应生成的“空洞”，提高微观结构下水化产物整体的密实性，加之其片状颗粒较易附着水化结晶点，因此7～56 d C2、C3强度高于 C1。3种配比56 d时的微观形貌见图3～图5。对比C2、C3，C3强度较高的原因：C3配比中掺加5%微硅粉，微硅粉是在冶炼硅铁合金和工业硅时产生的以SiO2和Si为主超细硅质粉体材料，其微结构形貌多以纳米级球形颗粒形态分布，活性较高、比表面积较大，水化速率较快，有利于提高混凝土的强度，同时其纳米级粒径的有效填充增加了混凝土结构整体的密实性，因此强度较高。

2.3 耐久性分析

图3 C1配合比56 d微观形貌 图4 C2配合比56 d微观形貌 图5 C3配合比56 d微观形貌

地铁盾构管片处于地下环境，其高性能混凝土设计技术要求的耐久性分析主要以电通量、氯离子扩散系数、抗渗等级为主[4]。C1、C2、C3配合比56 d 电通量值如表3所示，养护龄期56 d时电通量值均低于1 000 C，其发展规律为C1>C2>C3，宏观强度规律为C3>C2>C1，其断面水化产物微观密实度C1C3，氯离子扩散能力C2>C3，即C3微结构水化产物致密程度高于C2。依据工程设计的抗渗等级P10，C1配合比已不满足设计要求；C2抗渗等级虽然满足设计要求，但环境发生突变渗水严重时，其抗渗性低于C3配合比，因此综合耐久性分析，C3配合比混凝土性能最优。

表3 3种高性能混凝土56 d耐久性数据

2.4 工程应用

综合上述分析，可知C2、C3配合比均满足地铁盾构管片用高性能混凝土的技术要求，其中C3配合比的各项检测均优于C2，其宏观分析上强度最高，耐久性分析抗渗透能力最低，因此C3配合比是选取的最优配合比。现场施工时对粗细集料含泥量把控严格，C3配合比的初始坍落度为210 mm、含气量为2.8%，静置60 min坍落度为195 mm、含气量为2.5%，其56 d电通量值532 C、抗渗等级大于P12，均优于试验室条件下选取C3配合比的技术指标。

3 结束语

C1配合比工作性劣于C2、C3，新拌高性能混凝土及2 h坍落度、含气量的损失率均高于其他配合比；3种配合比力学性能发展趋势为C3>C2>C1，其中C3 56 d标准养护强度可到达66.3 MPa；3种配合比56 d标准养护条件下电通量、氯离子扩散系数均呈C1>C2>C3趋势发展，且C1已不满足设计要求。C3配合比早期工作性能、力学性能、电通量、氯离子扩散系数指标均优于其他配合比，目前已应用于天津地铁项目盾构管片结构中。