隧道衬砌混凝土拌合物高流动性优化设计研究

任瑞刚 REN Rui-gang

（中铁上海工程局集团第一工程有限公司，芜湖 241000）

0 引言

混凝土因成本适中施工方便效率高的特点，普遍用于山岭隧道、墩梁承台、高层建筑等工程。作为圬工结构最后一道防线，大多因工艺及泵送需要，要求具有较大流动性，对拌和物性能要求高。高性能减水剂和矿物掺合料是现混凝土两大物质基础，是“低水泥用量、低水胶比、低单位体积用水量”的前提，流动、粘聚、保水、包裹、坍损5 个指标之间制约关系是配制铁路混凝土首要难题。本文阐述了隧道衬砌泵送混凝土性能要求、原材料特性及高泵送设计方法，通过设计实例验证依据该设计方法得出的泵送混凝土配合比适用性。

1 隧道施工拌合物工作性常见问题

①衬砌施工空间小环境相对封闭，实体外观质量差，强度离散度较大。②衬砌施工结构部位和下料方式分布要求不同，共用一个配合比不合理。③受工装设备影响，混凝土工作稳定性差且离散，与提质量、增效益、节成本目标偏离较大。

2 原材料性能特性及解决措施

2.1 原材料性能分析

①水泥特性。采用亚泰山泉牌P·O42.5 水泥，通过南京工业大学江苏省材料化工工程重点实验室X 射线荧光分析/XRD 物相定量分析，碱含量按Na2O+0.658K2O 计算值为0.77%，其他质量指标如表1、表2 所示。

表1 水泥化学成分分析（X 射线荧光分析法）

表2 水泥矿物相定量分析（XRD）

由表1、表2 数据可见，脱硫石膏杂质较多，易造成水泥产品性能波动，无水石膏含量较高，虽最终能生成足够多SO42-，但溶解速度最慢，不足以匹配析出足够量SO42-抑制C3A 早期水化。水泥不断水化反应，消耗浆体中大量自由水，同时生产大量Ca（OH）2和C-S-H（水化硅酸钙）覆盖在未水化的水泥颗粒表面，将吸附的减水剂分子包埋失效，静电斥力、空间位阻作用消失或减弱，影响与外加剂相容性和混凝土凝结时间，造成混凝土坍落度损失大。

②粉煤灰特性。采用白山热电F 类Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰密度2300kg/m3，细度28%，烧失量5.0%，需水量比105%，28 天活性较差。数据可见细度对强度有一定影响，颗粒愈细强度增长愈高，混凝土浆体体积和粘聚性能更好。需水量和烧失量较大，主要为未燃烧碳颗粒碳颗粒含量较多，需水量高对减水剂有效成分吸附越大，对气的吸附更明显，引气困难且气损较大造成减水母液和保坍母液应相应增加。

③骨料特性。采用白山市冉盛新型建筑材料厂碎石、机制砂，控制细度模数3.2 以下且颗粒级配0.15mm 及以下颗粒含量为15%～30%。

④外加剂特性。采用沈阳依力达建筑外加剂厂聚羧酸系高性能减水剂，为提高与水泥的适应性，采用快吸附高分散稳定性好的综合母液富浆，引入三萜皂苷加聚醚引气复合方案，产生大量均匀分布、闭合稳定微小气泡，适当增加保坍成份，提高拌合物和易性、保水性和黏聚性。

2.2 原材料性能调整

①水泥调整方案。根据水泥C3A 较高SO42-较少特性，适当提高SO3含量，以增加水泥CaSO4·2H2O 含量与C3A匹配反应；控制Na2O、K2O 含量，使水泥含碱量低于0.6%，避免发生碱骨料反应；控制f-CaO 含量，其间接反映了熟料烧成情况，过高的f-Ca0 影响到水泥浆体流动性。调整后碱含量按Na2O+0.658K2O 计算值为0.60%；C3A 含量6.9%；SO3含量2.63%，二水石膏含量3.8%；半水石膏含量0.1%；无水石膏含量0.0%；f-Ca0 含量0.4%，调整后水泥净浆流动度经时损失大幅度减小，如表3 所示。

表3 C3A 含量/碱含量与净浆流动度关系评价

②外加剂调整方案。

由于水泥水化后溶液呈较强碱性，减水剂分子在强碱溶液中易出现分子侧链脱落或减水剂分子分解，减水作用失效或减弱，造成流动度损失。减水剂根据调整后水泥特性进行分子结构设计，采用快吸附高分散WPJ601 减水母液、稳定性好WPJ412 综合母液复合以减弱C3A 含量高对外加剂分散作用破坏。更换缓凝剂种类ATMP 并适当提高缓凝、保坍剂缓释组分用量，以延缓C3A 水化过快造成自由水不足引起混凝土流动性过快损失。根据调整前后与净浆流动度关系，在减水剂中补入3%硫代硫酸纳等含硫组分，辅助生成足够多SO42-以适应C3A 遇水即水化特性，匹配反应形成三硫型水化硫铝酸钙，以平衡C3A 水化过快SO42-不足，造成自由水不足引起流动性过快损失，如表4所示。（图1、图2）

图1 C3A 含量/碱含量与净浆流动度经时损失

表4 WJJ 调整前后与净浆流动度关系评价

2.3 优化配合比设计

2.3.1 原设计

混凝土设计等级C40，水胶比0.37，外加剂掺量1.0%，用水量163kg/m3。水泥密度3060kg/m3，粉煤灰密度2280kg/m3，外加剂密度1063kg/m3，碎石表观密度2840 kg/m3，河砂表观密度2680kg/m3。根据机制砂品质和浆体比限值，砂率按水胶比和碎石最大粒径查表选取质量砂率βs=41%，按体积法设计。经计算得到体积砂率Sv=42%；Vs，g=1-0.35=0.65m3；ms=0.65×42%×2680=732kg；mg=0.65×（1-42%）×2840=1071kg；浆体体积=362/3.06+91/2.28+163/1=118.3+39.9+163=321.2L；理论计算容重2420kg/m3与现场实测容重2480kg/m3相差较大；同时通过实拌发现该配合比浆体体积虽满足标准规定，拌和物砂率过大较粘稠流速慢，不符合实际现场施工需要。

2.3.2 优化设计方法1

优先调整减水剂品质和体积砂率，降低骨料整体孔隙率。砂率过高对体积稳定性不利，浆骨比合适并更多使用骨料及控制浆体和用水量，确保工作性稳定是力学性与耐久性的前提。①采用分散能力强敏感度低的富浆母液，在流动、保水、粘聚最佳状态和含气量3.2%±0.2%时，考察砂率是否适当。微小气泡均匀分布在水泥浆中增加浆体体积并依附在骨料上，含气较小，状态堆积碴散，此时提高含气量，悬浮趋势随之变大。规范规定含气量宜2%～4%，不足以证明对工作性改善作用空间关系，必须在合适状态下选取砂率。②砂率无数据化定量计算证明方法，需结合骨料空隙率、细度模数、级配以及施工工艺综合确定，根据试拌结果选取合适砂率以降低骨料整体空隙率，浆体填充空隙后有一定富余，起润滑和流动作用。同时减少过多浆体体积形成骨架密实结构，提高体积稳定性，较大幅度提高混凝土工作性、密实性等基本要求，如表5 所示。

表5 同水胶比含气量与砂率对拌和物工作性影响关系

2.3.3 优化设计方法2

根据混凝土骨架密实空隙率最小原则，在调整减水剂功能和体积砂率，降低骨料整体空隙率基础上，①提高掺合料取代量获得浆体量提升增加浆体量来调整浆体体积（粉煤灰密度低于水泥，同用量情况下浆体积提升）。②降低浆体需求量以满足基本流动性与可泵性。③经调整得到体积砂率Sv=40%；Vs，g=1-0.355=0.645m3；ms=0.645×40%×2680=691kg；mg=0.645×（1-40%）×2840=1099kg；浆体体积=317/3.06+136/2.28+163/1=103.6+59.6+163=326.2L；实测含气量3.5%，容重2475kg/m3，如表6 所示。

表6 单方混凝土材料用量（kg/m3）

2.4 统一混凝土流变性与状态评判标准

新拌混凝土具有较高流动性、可泵性、抗离析性、保塑性及低放热性，硬化后高强度、高耐久性、高体积稳定性。即：浆体颜色内外一致，无大气泡泌出，表面无碳析出物，浆体柔和有光泽，混凝土粘性适中有弹性，流动剪切力大于气泡的表面张力，气泡破裂后残留孔洞因粘性和流动性自然复原，骨料均匀分布，坍落度损失小，粘结力高，力学性和耐久性也较好，如表7 所示。

表7 调整前后工作性、力学性和耐久性评价

2.5 优化混凝土工地实践

经新缘隧道二衬施工验证，实测含气量3.5%；容重2480kg/m3；坍落度230mm；扩展度580mm；混凝土拌和物出机至浇筑完成用时约1.5h，拌和物不泌不滞损失可控；现场制件顶面浆体厚度0.5cm，10 天标养强度46.9MPa；56 天标养强度63.9MPa；对应取芯强度66.2MPa。

3 结语

混凝土采用大砂率高含气掺加保水增稠等错误技术措施，出现泌水、损失大、包裹流动差等施工困难，给工作性能带来严重影响，胶材与减水剂适应性是现阶段技术性能调整关键。将砂率由41%调整至39%，粉煤灰含量由20%放宽至25%（夏季30%），外加剂根据水泥特性更改快吸附、高分散的WPJ-601 减水母液、稳定性好的WPJ-412综合母液复合，减弱C3A 含量高对水泥颗粒分散作用破坏，通过试验选取最优因素组合以节约成本满足二衬混凝土质量要求。后续宜随施工进度每1 个月进行随机取芯试验，验证优化后实体匀质性，以便多方查找问题，为后续持续优化提供依据。