預(yù)制盾構(gòu)高性能混凝土的研究和應(yīng)用

摘  要  結(jié)合南水北調(diào)中線穿黃Ⅱ—A、Ⅱ—B標(biāo)工程預(yù)制盾構(gòu)管片的施工，對配制管片高性能混凝土的原材料和配合比進行了優(yōu)選。該配合比通過正交試驗，對內(nèi)摻摻合料的高性能混凝土配合比的多項指標(biāo)進行了考查，確定出經(jīng)濟合理的配合比。依據(jù)該配合比配制的混凝土試驗結(jié)果表明：混凝土強度達到了C50、拌和物易于澆搗、抗?jié)B等級滿足W12、抗凍等級滿足F200，堿含量僅2.18Kg/m³；通過蒸養(yǎng)工藝的優(yōu)化，有效提高了混凝土的早期強度，使8h（含升、降溫過程）蒸養(yǎng)強度達到20MPa以上，達到每天可以生產(chǎn)兩批產(chǎn)品的效率。

關(guān)鍵詞  盾構(gòu)管片   高性能混凝土    配合比   蒸養(yǎng)工藝

　　南水北調(diào)工程中線穿越黃河為兩條平行大直徑地下圓型輸水管道，采用預(yù)制盾構(gòu)管片作為襯砌，盾構(gòu)管片混凝土設(shè)計要求為C50W12F200。

　　盾構(gòu)管片混凝土基本要求如下：（1）抗壓強度設(shè)計等級為C50，要求早強，即在蒸汽養(yǎng)護條件下滿足12h一次模具周轉(zhuǎn)，且蒸養(yǎng)時間不得超過8h（包括升溫和降溫過程，拆模溫度不大于30℃），吊運強度要達到20MPa左右，不得低于15MPa。（2）水膠比不大于0.35，混凝土坍落度小于70mm，易于澆筑和振搗。（3）由于采用振搗工藝，混凝土必須有良好的觸變性，分層、離析和泌水小。（4）體積穩(wěn)定性好，裂縫少。（5）耐久性要求高，混凝土抗?jié)B性等級為W12，抗凍F200。（6）低堿集料反應(yīng)性，混凝土總堿含量不大于2.5kg/m³。本文就該配合比選擇的整個過程進行總結(jié)。

　　在國內(nèi)已完成的同類工程中，預(yù)制盾構(gòu)高強蒸養(yǎng)混凝土以至少一天為一個生產(chǎn)周期，蒸養(yǎng)時間相對較長，蒸養(yǎng)時間≥10h。膠材總量≥400Kg/m³，堿含量≥3.0 kg/m³。本試驗混凝土配合比突出的重點是膠凝材料總用量369kg/m³，該混凝土蒸養(yǎng)時間僅8h，蒸養(yǎng)強度大于20MPa，總堿含量只有2.18 kg/m³。

1  原材料的初選

1.1  水泥

　　混凝土裂縫是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素。配制高性能蒸養(yǎng)混凝土必須對水泥進行選擇，應(yīng)考察以下幾方面：（1）水泥早期強度好,并適合蒸氣養(yǎng)護,要求在低溫蒸養(yǎng)條件下(60℃以下)盾構(gòu)管片8h，脫模強度≥20MPa。因此要求水泥強度不低于42.5MPa的普通硅酸鹽水泥。（2）為了避免發(fā)生堿集料反應(yīng)，水泥的堿含量控制在0.6%以下。

　　本試驗選擇了兩個廠家（A、B）P.O42.5水泥進行了對比試驗，采用同水膠比，同粉煤灰摻量，相同的起始混凝土拌和物溫度和蒸養(yǎng)工藝進行試驗，其檢測結(jié)果見表1。

　　通過表1的試驗結(jié)果表明：A和B 的堿含量均滿足要求，且A＜B；脫模強度可表明B 不滿足要求，因此選擇A進行配合比試驗。

                     表1  混凝土脫模強度試驗結(jié)果表               

項目 廠家	堿含量（%）	抗壓強度		脫模強度(MPa)
		3d	28d
A	0.53	26.4	54.2	21.5
B	0.56	24.9	53.0	17.3
標(biāo)準(zhǔn)要求	≤0.6	≥16.0	≥42.5	≥20.0

1.2  粉煤灰

　　一般認(rèn)為摻用粉煤灰不利于提高蒸養(yǎng)混凝土的強度，但摻優(yōu)質(zhì)I級粉煤灰后蒸養(yǎng)混凝土具有更優(yōu)良的力學(xué)性能、更好的耐久性、更好的經(jīng)濟性（具有較好的減水效果）。同時，摻用優(yōu)質(zhì)粉煤灰將提高混凝土的體積安定性，有利于防裂，還能抑制堿集料反應(yīng)，改善混凝土拌和物的施工性能。本試驗采用優(yōu)質(zhì)的I級粉煤灰進入配合比試驗。

1.3  集料

　　細骨料為人工砂，細度模數(shù)在2.6以上，石粉含量控制在6～18%，顆粒級配符合中砂的標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　粗骨料為石料廠生產(chǎn)的5～20mm(D20)和20～40mm(D40)人工破碎石，其各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

1.4  外加劑

　　使用優(yōu)質(zhì)高效減水劑。聚羧酸高效減水劑是第三代高效減水劑，不僅減水率較高（大于20%），含堿量低，而且適于蒸養(yǎng)。選擇三個廠家（C、D、E）的聚羧酸高效減水劑與水泥的適應(yīng)性進行檢測，全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且減水率均在20%以上，考慮三種外加劑作為正交試驗的一個因素進行配合比。

　　引氣劑將降低混凝土的強度，但管片混凝土有W12F200的抗?jié)B和抗凍要求，因此須摻引氣劑使拌和物的含氣量不宜低于4.0%。

2  蒸養(yǎng)工藝

　　選擇合適的蒸養(yǎng)工藝?？刂普麴B(yǎng)溫度，在不影響混凝土質(zhì)量的情況下盡可能縮短升降溫時間，延長恒溫時間，從而可以提高混凝土早期強度。本文選擇不同的蒸養(yǎng)時間來進行對比試驗，確定出配合比設(shè)計中蒸養(yǎng)的過程。采用同水膠比（0.32），同粉煤灰摻量（20％），相同的起始混凝土拌和物溫度，不同的蒸養(yǎng)時間進行試驗，檢測結(jié)果見表2。

　　起始混凝土拌和物溫度18.5～20℃，拆模溫度30±1℃。

　　考慮調(diào)整配合比參數(shù)（煤灰摻量減少）對混凝土強度的影響，確定使用4號方案的養(yǎng)護方式。

 

表2  蒸養(yǎng)時間對拆模強度的影響

3  配合比試驗

3.1  試拌方案

　　設(shè)計要求C50W12F200，聯(lián)摻高效減水劑和引氣劑，控制混凝土拌和物的坍落度50～70mm，含氣量4～6%。采用L 9(3⁴)正交表安排試驗，考核水膠比、粉煤灰摻量和不同的外加劑對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護和蒸氣養(yǎng)護混凝土性能的影響，具體內(nèi)容如下：

　　（1）混凝土拌和物的性能；

　?。?）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，不同齡期混凝土的力學(xué)性能和設(shè)計齡期混凝土的耐久性能；

　　（3）蒸養(yǎng)后混凝土強度。

　　因素水平安排如表3。

表3  混凝土配合比試驗因素水平表

3.2  混凝土的性能

　　根據(jù)以上確定的混凝土配合比設(shè)計原則，進行了混凝土試拌，試拌后混凝土的力學(xué)性能及耐久性要求見表4，對混凝土抗壓強度進行極差分析，見表5。

　　分析結(jié)論及參數(shù)選擇：粉煤灰降低蒸養(yǎng)強度，選擇10%；考慮冬季施工變因，水膠比選擇0.32；外加劑品種對蒸養(yǎng)強度影響不顯著。

3.3  推薦配合比

　　經(jīng)過以上試驗確定出以下配合比見表6。

3.4  蒸養(yǎng)工藝流程

　　通過以上試驗研究確定了經(jīng)濟合理、易于操作的拌和和蒸養(yǎng)工藝流程見圖1。

                        

表4  正交表試驗成果

表5  L9(3⁴)正交試驗成果分析

 

表6  混凝土施工配合比表

圖1  蒸養(yǎng)工藝流程

4  工程應(yīng)用

　　目前中鐵十六局穿黃Ⅱ- A標(biāo)管片預(yù)制混凝土已全部施工完畢。從施工單位反饋情況看，混凝土施工過程中混凝土施工性能良好，可以按照每天兩批進行生產(chǎn)，吊運強度均可以達到設(shè)計要求。管片整個工序全部完成后無結(jié)構(gòu)缺陷（指露筋、孔洞、蜂窩、裂縫），無外形缺陷（指管片端頭不直、傾斜、缺楞掉角等）、無外表缺陷（指表皮麻面、掉皮、起砂、漏漿等），無外表油污、且顏色亮白、均勻一致。質(zhì)量評定為優(yōu)良，受到了業(yè)主和監(jiān)理的好評。

5  結(jié)束語

　　經(jīng)過一系列試驗選擇，確定滿足設(shè)計和施工要求的盾構(gòu)蒸養(yǎng)C50高性能混凝土施工配合比和蒸養(yǎng)工藝，該配合比基本參數(shù)如下：減水劑摻量0.6%，水膠比0.32，用水量118kg/m³，膠凝材料總用量369kg/m³，其中水泥用量332kg/m³，粉煤灰37kg/m³。該配比混凝土8h蒸養(yǎng)強度大于20MPa，28d抗壓強度大于65MPa，抗凍抗?jié)B性能滿足F200、W12的要求，總堿含量只有2.18kg/m³。被南水北調(diào)中線穿黃隧道工程采用效果良好。

　 原作者： 李小紅 卯戰(zhàn)革 張秋仙 趙霞   
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