混合砂在地铁盾构衬砌管片混凝土中的应用研究

李 勇

（福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建 福州 350108）

0 引言

从设计要求看，管片混凝土应具有低坍落度、良好的工作性能、高强度和高耐久性能等特性。福州地铁预制混凝土衬砌管片的生产原来均采用天然河砂，但由于河砂资源的日益紧缺，满足管片设计要求的河砂资源越来越少，已无法长期满足地铁盾构衬砌管片混凝土的生产需求，亟需寻找能够替代河砂的材料。作为河砂的替代资源，机制砂在水利水电工程、市政道路、房屋建筑、核电站等工程中得到了广泛应用。然而机制砂具有多棱角、颗粒表面粗糙、级配不良等特性，采用机制砂制备的混凝土，其工作性能劣于采用河砂制备的混凝土。目前国内相关的研究成果表明［1-4］，能够通过采取优选机制砂材料、混凝土配合比优化设计、生产过程质量控制等措施，制备性能优异的机制砂管片混凝土。本试验将机制砂与天然河砂混掺形成混合砂，探究混合砂用于福州地铁盾构衬砌管片混凝土配制的可行性。

1 工程概况

福州某地铁项目线路全长约62.4km，其中盾构隧道33.0km、高架段14.8km、山岭隧道12.5km、路基及U型槽段2.1km，共设置15 座车站（含2 座预留车站），其中地下站12 座（预留2 座）、高架站3 座。采用厚度为400mm、宽度为1.8m、内径7500mm、外径8300mm 规格的地铁盾构衬砌管片。衬砌环全环由1 块封顶块、2 块邻接块以及4块标准块构成。

2 预制混凝土衬砌管片设计要求

2.1 管片混凝土设计要求

管片混凝土设计强度等级为C50 的高强混凝土，抗渗等级≥P10，胶凝材料用量取450~500kg/m3，水胶比不大于0.35，混凝土的氯离子含量不超过0.06%，碱含量不大于3.0kg/m3，56d 电通量≤1000C，氯离子扩散系数RCM≤3.0×10-12m2/s，若管片混凝土达不到氯离子扩散系数指标要求或处于侵蚀性环境中时，则应采取在管片背面涂覆外防水涂层等措施。

2.2 外观质量与尺寸偏差要求

管片成品外观质量不允许有严重缺陷，严重缺陷包括蜂窝、孔洞、露筋、夹渣、疏松、以及贯穿性裂缝等。对于棱角磕碰、飞边、麻面、粘皮、起砂、存在少量气泡等一般性缺陷，允许进行修补。管片成品外观质量的检验和合格性判定应按《预制混凝土衬砌管片》（GB/T 22082-2017）的规定执行。

管片每生产30环应抽检1环进行尺寸偏差检验，单块管片的宽度允许偏差为±1mm、厚度允许偏差为-1mm~+3mm、钢筋保护层厚度允许偏差为-3mm~+5mm。

2.3 管片水平拼装与成品检漏试验

管片水平拼装试验用于检验构件的环与环、片与片之间的配合精度是否达到设计要求。管片水平拼装试验抽样检测频率应符合现行相关标准和设计文件的要求。

管片成品检漏试验应按《预制混凝土衬砌管片》（GB/T 22082-2017）附录A 的规定进行。管片成品检漏技术要求：在1.0MPa 的试验水压力作用下，恒压3h，不得出现漏水现象，且渗水深度小于8cm。管片成品检漏试验抽样检测频率应符合现行相关标准和设计文件的要求。

2.4 管片抗弯、抗拔性能试验

管片成品抗弯性能检验应按《预制混凝土衬砌管片》（GB/T 22082-2017）附录B 的规定进行，其检验结果应满足设计要求；管片成品抗拔性能检验应按《预制混凝土衬砌管片》（GB/T 22082-2017）附录C 的规定进行，其检验结果应满足设计要求。

3 原材料选择及性能测试

3.1 水泥

管片混凝土宜采用强度等级不低于42.5级的质量稳定、低水化热和碱含量偏低的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，本试验采用52.5级硅酸盐水泥，其性能检测结果见表1所示。

表1 水泥性能测试结果

3.2 矿物掺合料

优质粉煤灰和粒化高炉矿渣粉等超细矿物掺合料的掺入可显著提高管片混凝土的抗渗性能，同时能够起到控制混凝土早期开裂及收缩裂缝的作用，从而确保混凝土结构的自防水性能［5］。粉煤灰应采用符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）中II 级及以上技术要求的粉煤灰，本试验采用福州丝绸之路贸易有限公司生产的F 类I级粉煤灰，粉煤灰性能测试结果见表2 所示。粒化高炉矿渣粉应采用符合《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T 18046-2017）的不低于S95 级技术要求的矿渣粉，本试验采用福建大东海实业集团有限公司生产的S95 级矿粉，矿粉性能测试结果见表3所示。

表2 粉煤灰性能测试结果（单位：%）

表3 矿粉性能测试结果

3.3 细骨料

目前管片生产所用细骨料为天然河砂，其性能测试结果见表4。前期通过采用机制砂全部取代天然河砂进行试验，发现与天然河砂相比，机制砂混凝土拌合物的工作性较差，现场施工难以操作。因此考虑采用机制砂与天然细砂合成的混合砂作为细骨料，其掺配比例根据砂筛分析及混凝土试配结果进行确定，最终确定混合砂掺配比例为机制砂∶细砂=7∶3（质量比），其性能测试结果见表5所示。

表4 天然河砂性能测试结果

表5 混合砂性能测试结果

3.4 粗骨料

粗骨料采用5~25mm 的连续级配碎石，由5~10mm和10~20mm 碎石混合而成，其掺配比例为（5~10mm）∶（10~20mm）=4∶6（质量比），性能测试结果见表6。

表6 粗骨料性能测试结果（单位：%）

3.5 减水剂

混凝土减水剂的使用应尽量减低拌合水用量，宜优先选用聚羧酸系减水剂，本试验采用聚羧酸高性能减水剂（早强型），其性能测试结果见表7。

表7 聚羧酸高性能减水剂性能测试结果（单位：%）

3.6 拌合用水

采用符合《混凝土用水标准》（JGJ 63－2006）要求的拌合用水拌制管片混凝土。

4 配合比设计及效果

4.1 C50管片混凝土配合比设计

管片混凝土的坍落度宜为（30~70）mm，混凝土应搅拌均匀、色泽一致，和易性良好，具有较高的早期强度且满足耐久性设计要求，能够满足管片脱模和钢模周转的工艺要求。本试验采用混合砂等质量取代天然河砂的方式制备C50管片混凝土，混凝土配合比见表8。

表8 C50管片混凝土配合比（单位：kg/m3）

4.2 掺河砂与混合砂C50管片混凝土性能对比分析

将掺河砂混凝土和掺混合砂混凝土进行性能比较试验，主要测试了混凝土的拌合物性能、力学性能和耐久性能，试验结果见表9。

表9 C50管片混凝土拌合物性能和力学性能测试结果

由表9 可以看出，在相同配合比条件下，河砂C50管片混凝土的坍落度比混合砂C50 管片混凝土坍落度稍大，拌合物的和易性更好。混合砂混凝土3d 强度已达到设计强度的94%，7d强度比河砂混凝土低，但后期强度增长较快，28d 强度高于河砂混凝土，说明采用混合砂制备的混凝土能够满足C50 管片混凝土工作性能和强度要求。

依据相关设计文件和标准规范的要求，C50 管片混凝土主要通过56d 抗氯离子扩散系数和56d 电通量指标来评价其耐久性能。掺河砂和混合砂的C50 管片混凝土耐久性能测试结果如表9 所示。由表9 可以看出，混合砂混凝土的56d氯离子扩散系数和56d电通量测试结果均小于河砂混凝土，说明利用混合砂制备的混凝土抗氯离子渗透性能优于河砂混凝土，且混合砂混凝土的56d 氯离子扩散系数和电通量指标均满足设计要求。

4.3 管片试生产及成品质量检验

目前共采用混合砂制作50 余环管片，并对管片成品质量进行检验（如图1、图2 所示）。结果表明，采用混合砂制作的预制混凝土衬砌管片，其外观质量（如图3 所示）、尺寸偏差、水平拼装、检漏试验、抗弯性能、抗拔性能等检验项目均满足设计要求。

图1 管片水平拼装检验

图2 管片抗弯性能检验

图3 管片外观质量

5 结束语

（1）通过混合砂混凝土与河砂混凝土工作性能、强度和抗氯离子渗透性能对比试验结果可以看出，在相同配合比条件下，混合砂混凝土拌合物的坍落度小于河砂混凝土，工作性能比河砂混凝土略差。混合砂混凝土早期强度低于河砂混凝土，但后期强度有较快增长，采用混合砂制备的管片混凝土强度满足C50 管片混凝土强度设计要求。混合砂混凝土抗氯离子渗透性能优于河砂混凝土，采用混合砂制备的管片混凝土耐久性能测试结果满足设计文件的要求。

（2）通过对预制混凝土衬砌管片成品进行检验，其外观质量、尺寸偏差、水平拼装、检漏试验、抗弯性能、抗拔性能等项目均满足设计要求。

（3）河砂价格约134 元/m3，机制砂价格约95 元/m3，采用机制砂替代河砂，每立方米砂可节约39 元，具有显著的经济效益。