預制盾構高性能混凝土的研究和應用
關鍵詞 盾構管片 高性能混凝土 配合比 蒸養(yǎng)工藝
南水北調工程中線穿越黃河為兩條平行大直徑地下圓型輸水管道，采用預制盾構管片作為襯砌，盾構管片混凝土設計要求為C50W12F200。
盾構管片混凝土基本要求如下：（1）抗壓強度設計等級為C50，要求早強，即在蒸汽養(yǎng)護條件下滿足12h一次模具周轉，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。
在國內已完成的同類工程中，預制盾構高強蒸養(yǎng)混凝土以至少一天為一個生產周期，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構耐久性的重要因素。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，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，其檢測結果見表1。
通過表1的試驗結果表明：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 |
|
標準要求 |
≤0.6 |
≥16.0 |
≥42.5 |
≥20.0 |
1.2 粉煤灰
一般認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I級粉煤灰后蒸養(yǎng)混凝土具有更優(yōu)良的力學性能、更好的耐久性、更好的經濟性（具有較好的減水效果）。同時，摻用優(yōu)質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，改善混凝土拌和物的施工性能。本試驗采用優(yōu)質的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準要求。
粗骨料為石料廠生產的5～20mm(D20)和20～40mm(D40)人工破碎石，其各項指標滿足規(guī)范要求。
1.4 外加劑
使用優(yōu)質高效減水劑。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性進行檢測，全部符合標準要求，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
|
序號 |
蒸養(yǎng)時間(h) |
拆模強度(MPa) |
目標強度(MPa) | |||
|
升溫 |
恒溫 |
降溫 |
總用時 | |||
|
1 |
3 |
2 |
2 |
7 |
7.0 |
15～20 |
|
2 |
2.5 |
3 |
2 |
7.5 |
11.1 | |
|
3 |
2 |
3.5 |
2 |
7.5 |
12.1 | |
|
4 |
2 |
4 |
2 |
8 |
15.3 | |
|
5 |
2 |
4.5 |
2 |
8.5 |
16.3 | |
3 配合比試驗
3.1 試拌方案
設計要求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準養(yǎng)護和蒸氣養(yǎng)護混凝土性能的影響，具體內容如下：
?。?）混凝土拌和物的性能；
?。?）標準養(yǎng)護條件下，不同齡期混凝土的力學性能和設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
|
因素 水平 |
水膠比 |
煤灰摻量（%） |
外加劑種類 |
空列 |
|
1 |
0.30 |
10 |
C |
/ |
|
2 |
0.32 |
15 |
D |
/ |
|
3 |
0.34 |
20 |
E |
/ |
3.2 混凝土的性能
根據以上確定的混凝土配合比設計原則，進行了混凝土試拌，試拌后混凝土的力學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
|
因素 序號 |
水膠比 A |
粉煤灰 B |
外加劑 品種C |
空列 D |
坍落度(mm) |
含氣量(%) |
抗壓強度MPa 28d |
蒸養(yǎng)抗壓強度 (MPa) |
抗?jié)B (W12) |
抗凍(F200) |
|
1 |
0.30 |
10 |
C |
0.30 |
60 |
4.2 |
76.6 |
23.6 |
— |
— |
|
2 |
0.30 |
15 |
D |
0.30 |
65 |
4.2 |
74.4 |
21.2 |
— |
— |
|
3 |
0.30 |
20 |
E |
0.30 |
58 |
4.5 |
70.6 |
19.8 |
— |
— |
|
4 |
0.32 |
10 |
D |
0.32 |
68 |
4.1 |
65.0 |
21.3 |
— |
— |
|
5 |
0.32 |
15 |
E |
0.32 |
62 |
4.5 |
64.3 |
20.2 |
≥W14 |
≥F200 |
|
6 |
0.32 |
20 |
C |
0.32 |
70 |
4.3 |
66.8 |
16.7 |
≥W14 |
≥F200 |
|
7 |
0.34 |
10 |
E |
0.34 |
65 |
4.1 |
62.1 |
20.1 |
≥W14 |
≥F200 |
|
8 |
0.34 |
15 |
C |
0.34 |
70 |
4.1 |
64.3 |
17.8 |
≥W14 |
≥F200 |
|
9 |
0.34 |
20 |
D |
0.34 |
70 |
4.2 |
56.5 |
15.2 |
≥W14 |
≥F200 |
表5 L9(34)正交試驗成果分析
|
水平 |
總和(MPa) |
平均(MPa) | ||||||
|
水膠比 |
煤灰 摻量 |
外加劑 品種 |
空列 |
水膠比 |
煤灰 摻量 |
外加劑 品種 |
空列 | |
|
K1 |
64.6 |
65.0 |
58.1 |
59.0 |
21.5 |
21.7 |
19.4 |
19.7 |
|
K2 |
58.2 |
59.2 |
57.7 |
58.0 |
19.4 |
19.7 |
19.2 |
19.3 |
|
K3 |
53.1 |
51.7 |
60.1 |
58.9 |
17.7 |
17.2 |
20.0 |
19.6 |
|
R(極差) |
11.5 |
13.3 |
2.4 |
1.0 |
3.8 |
4.4 |
0.8 |
0.3 |
表6 混凝土施工配合比表
|
序號 |
水膠比 |
煤灰摻量(%) |
減水劑及 摻量 |
引氣劑FS-12A |
砂率(%) |
1m3混凝土材料用量（Kg/m3） | |||||
|
水 |
水泥 |
煤灰 |
砂 |
小石 |
中石 | ||||||
|
1 |
0.32 |
10 |
C (0.6%) |
0.8/萬 |
36 |
118 |
332 |
37 |
697 |
622 |
624 |
|
2 |
0.32 |
10 |
D (0.7%) |
0.8/萬 |
36 |
120 |
338 |
38 |
693 |
618 |
620 |
|
3 |
0.32 |
10 |
E (0.6%) |
0.8/萬 |
36 |
121 |
340 |
38 |
691 |
616 |
619 |
圖1 蒸養(yǎng)工藝流程
4 工程應用
目前中鐵十六局穿黃Ⅱ- A標管片預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，吊運強度均可以達到設計要求。管片整個工序全部完成后無結構缺陷（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。質量評定為優(yōu)良，受到了業(yè)主和監(jiān)理的好評。
5 結束語
經過一系列試驗選擇，確定滿足設計和施工要求的盾構蒸養(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。被南水北調中線穿黃隧道工程采用效果良好。
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