成都地铁气密性混凝土配制及性能研究

何星莹

(中交机电工程局有限公司，北京 101318)

成都轨道交通30号线一期工程范围为：双流机场T2航站楼站～洪家桥站，全线呈西南～东北走向，线路全长26.284 km，均为地下线，共设车站23座，其中14座换乘站，最大站间距为1 792 m(顺风村站～石羊站)， 最小站间距为670 m(金融城北站～府城桥站)，平均站间距为925 m。设1段1场2主所，分别为高碑坝车辆段、洪家桥停车场、高碑坝主所和洪家桥主所。开工日期2020年10月，竣工日期2024年9月，合同总价为129.3亿元。项目共跨越4个行政区，沿线地质水文条件复杂多变，地层主要以砂卵石、泥岩为主，掺杂了杂填土、粉土、黏土等，涉及的不良地质主要包括膨胀土及高瓦斯赋存区。沿线穿越工程较多，线路上部和周围分布有大量的建(构)筑物、地表水体等，工程周边环境复杂，不可预见因素多，施工风险大。

项目共有两段高瓦斯区段，总长1 422 m，分别为临长区间(YCK13+533～YCK14+156段)、洪菱区间(YCK33+803.3～YCK34+602.3段)，主要受苏码头气田影响，双流隐伏断层和李红塘断层对成都轨道交通30号线一期工程危害最大。瓦斯大量涌入工作面，很容易造成人员窒息、瓦斯燃烧或瓦斯爆炸，且具有突出危险性的煤层还易发生煤与瓦斯突出事故，给盾构施工安全带来严重威胁。在通过瓦斯地段时，需要用到气密性混凝土，而目前气密性混凝土研究较少，缺乏标准指导气密性混凝土配合比的涉及[1-7]，为此该文从水胶比、粉煤灰和硅灰掺量以及砂率等配合比参数对混凝土气密性影响的角度出发，研究气密性混凝土配合比设计，旨在为工程气密性混凝土配制提供技术支撑。

1 试 验

1.1 原材料

1)水泥：PO 42.5普通硅酸盐水泥，其性能见表1。

表1 PO 42.5水泥物理性能

2)粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，细度18.1%，需水量比101.3%，7 d活性指数75.9%，28 d活性指数78.5%。

3)硅灰：二氧化硅含量92.5%，烧失量1.2%，需水量比121.5%，比表面积16.8 m2/g，7 d活性指数116%。

4)细骨料：二区中砂，细度模数2.6。

5)粗骨料：5～20 mm级配碎石，孔隙率为38.7%，针片状含量5.3%。

6)减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，减水率27.5%，含气量3.1%。

1.2 试验混凝土配合比

试验研究不同混凝土配合比参数对混凝土气密性的影响，配合比参数包括水胶比(0.36、0.40、0.44、0.48)、粉煤灰掺量(15%、20%、25%、30%)、硅灰掺量(4%、8%、12%)以及砂率(39%、41%、43%、45%)，具体试验配合比编号和相应的混凝土配合比见表2。

表2 试验混凝土配合比

1.3 试验方法

混凝土气密性按照《铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB10424—2018测试，在恒定气压下进行，试件尺寸为上径175 mm、下径185 mm、高150 mm的圆台体，混凝土试件成型后在24 h后拆模，在标准养护室养护至28 d，继续室内气干14～28 d，当试件湿度与大气平衡后，方可进行透气性测试，采用下进气法或上进气法进行透气性测试，进气压力为0.3 MPa和0.6 MPa，稳压以后读透气量，并计算混凝土透气系数。

2 混凝土性能分析

2.1 水胶比对气密性的影响

混凝土水胶比对于气密性影响的试验结果见图1。可见，随着混凝土水胶比的增大，混凝土透气系数急速上升，水胶比0.36时，混凝土透气系数为0.251×10-12cm/s，水胶比增至0.40、0.44和0.48时，混凝土透气系数分别增大至1.825×10-12cm/s、5.792×10-12cm/s、11.665×10-12cm/s。这种现象的主要原因为，一方面对于混凝土而言，用水量除了满足水泥水化以外，很大的一部分用量作用为满足混凝土的工作性能，而水泥水化所用的用水量占到的比例相对来说并不大，这部分水会与水泥产生水化反应，成为水化产物化学结合水，而作用为满足混凝土工作性能的用水量，在混凝土水化硬化过程中并不会参与水化反应，而是作为自由水，随着时间的进展，逐渐蒸发，在蒸发过程中会在硬化浆体中形成气孔，这些气孔可以成为气密性试验中气体通过的通道，因此，水胶比越大，混凝土中的自由水也就越多，在混凝土硬化浆体中所形成的气孔就越多，混凝土的透气系数也相应的就越大；另一方面，用水量过大，容易造成混凝土泌水离析等现象，以及在骨料过渡区造成薄弱，这些问题都可以致使混凝土密实性下降，透气系数增大。

2.2 粉煤灰掺量对气密性的影响

混凝土中粉煤灰掺量对于气密性影响的试验结果见图2。可见，随着混凝土中粉煤灰掺量的增加，混凝土透气系数下降明显，混凝土气密性提高显著。粉煤灰掺量为15%时，混凝土透气系数为3.560×10-12cm/s，粉煤灰掺量增加到20%、25%、30%时，混凝土透气溪水分别降低至1.825×10-12cm/s、1.258×10-12cm/s、0.548 3×10-12cm/s。这主要是因为，粉煤灰作为矿物掺合料掺入混凝土中，具有填充效应、滚珠效应和火山灰效应等三大效应。首先是填充效应，由于粉煤灰颗粒粒度比水泥小，可以很好地填充大水泥颗粒之间的孔隙，起到良好的填充效应，从而降低混凝土整体孔隙尺寸，提高混凝土的气密性；而滚珠效应，是由于粉煤灰颗粒为圆球状的玻璃体，在混凝土中可以提高混凝土工作性能，使得混凝土成型更加容易密实，进一步提高了混凝土气密性；最后是火山灰效应，粉煤灰中具有大量的非晶态二氧化硅和氧化铝，能够与水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化反应，生产水化硅酸钙，从而进一步填充了混凝土中的孔隙，使得混凝土气密性提高。

2.3 硅灰掺量对气密性的影响

硅灰也称硅微灰，是铁合金在冶炼硅铁和工业硅时，矿热电炉内产生出大量挥发性很强的SiO2和Si气体，气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀而成。由于硅灰粒径小，在混凝土中活性较大，考虑掺入硅灰提高混凝土的气密性。混凝土中硅灰掺量对于气密性影响的试验结果见图3，可见，随着混凝土中硅灰掺量的提高，混凝土透气系数降低明显，气密性提高显著。未掺硅灰的普通混凝土透气系数为1.825×10-12cm/s，硅灰掺量仅为胶凝材料用量4%时，混凝土透气系数已降至1.120×10-12cm/s，而当硅灰掺量提高至12%时，混凝土透气系数仅为0.105×10-12cm/s，可以看出，硅灰的应用对于提高混凝土气密性效果显著，在工程中可以考虑在气密性混凝土中适当掺入硅灰。硅灰之所以能够很好地提高混凝土气密性，主要原因是，硅灰颗粒细度极为细小，虽然质量掺量较小，但是颗粒数量非常庞大，能够很好地填充水泥颗粒之间的孔隙，起到降低孔隙尺寸，提高密实性的效果；另外硅灰与粉煤灰相似，同样具有火山灰效应，而且硅灰火山灰效应比粉煤灰更加显著，水化产物更多，对于混凝土的密实性的贡献也就越大。

2.4 砂率对气密性的影响

砂率是混凝土中细骨料占到骨料用量的比例。对于混凝土而言，细骨料填充粗骨料孔隙，如果砂率过小则混凝土中孔隙较大，不利于混凝土性能的提升，而砂率过大，则混凝土中粗骨料呈现悬浮状态，不利于混凝土减小收缩和抗裂，因此混凝土砂率应该选择在一个合理范围内。混凝土中砂率对于气密性影响的试验结果见图4，可见，随着混凝土中砂率的增大，混凝土透气系数降低，混凝土气密性提高。砂率为39%时，混凝土透气系数为4.376×10-12cm/s，砂率分别为41%、43%和45%时，混凝土透气系数降低为2.678×10-12cm/s、2.036×10-12cm/s、1.825×10-12cm/s。对于工程气密性混凝土而言，建议在配制过程中，其他性能满足工程需求的时候，砂率尽量提高。

3 结 论

以成都轨道交通30号线一期工程为依托，为满足工程施工中气密性混凝土的需求，通过水胶比、粉煤灰掺量、硅灰掺量以及砂率等几个方面，研究了气密性混凝土的配制，并研究了配合比参数对混凝土气密性的影响，得到如下结论：

a.随着混凝土水胶比的增大，混凝土透气系数急速上升，气密性能变差；随着混凝土中砂率的增大，混凝土透气系数降低，混凝土气密性提高。

b.粉煤灰或者硅灰掺量的增加，可以提高混凝土气密性，尤其是硅灰的掺加，混凝土气密性提高更为显著。

c.在工程配制气密性混凝土时，建议在满足混凝土其他性能的情况下，适当加入硅灰和提高砂率。