预制盾构高性能混凝土的研究和应用
关键词 盾构管片 高性能混凝土 配合比 蒸养工艺
南水北调工程中线穿越黄河为两条平行大直径地下圆型输水管道，采用预制盾构管片作为衬砌，盾构管片混凝土设计要求为C50W12F200。
盾构管片混凝土基本要求如下：（1）抗压强度设计等级为C50，要求早强，即在蒸汽养护条件下满足12h一次模具周转，且蒸养时间不得超过8h（包括升温和降温过程，拆模温度不大于30℃），吊运强度要达到20MPa左右，不得低于15MPa。（2）水胶比不大于0.35，混凝土坍落度小于70mm，易于浇筑和振捣。（3）由于采用振捣工艺，混凝土必须有良好的触变性，分层、离析和泌水小。（4）体积稳定性好，裂缝少。（5）耐久性要求高，混凝土抗渗性等级为W12，抗冻F200。（6）低碱集料反应性，混凝土总碱含量不大于2.5kg/m3。本文就该配合比选择的整个过程进行总结。
在国内已完成的同类工程中，预制盾构高强蒸养混凝土以至少一天为一个生产周期，蒸养时间相对较长，蒸养时间≥10h。胶材总量≥400Kg/m3，碱含量≥3.0 kg/m3。本试验混凝土配合比突出的重点是胶凝材料总用量369kg/m3，该混凝土蒸养时间仅8h，蒸养强度大于20MPa，总碱含量只有2.18 kg/m3。
1 原材料的初选
1.1 水泥
混凝土裂缝是影响结构耐久性的重要因素。配制高性能蒸养混凝土必须对水泥进行选择，应考察以下几方面：（1）水泥早期强度好,并适合蒸气养护,要求在低温蒸养条件下(60℃以下)盾构管片8h，脱模强度≥20MPa。因此要求水泥强度不低于42.5MPa的普通硅酸盐水泥。（2）为了避免发生碱集料反应，水泥的碱含量控制在0.6%以下。
本试验选择了两个厂家（A、B）P.O42.5水泥进行了对比试验，采用同水胶比，同粉煤灰掺量，相同的起始混凝土拌和物温度和蒸养工艺进行试验，其检测结果见表1。
通过表1的试验结果表明：A和B 的碱含量均满足要求，且A＜B；脱模强度可表明B 不满足要求，因此选择A进行配合比试验。
表1 混凝土脱模强度试验结果表
|
项目 厂家 |
碱含量（%） |
抗压强度 |
脱模强度(MPa) | |
|
3d |
28d | |||
|
A |
0.53 |
26.4 |
54.2 |
21.5 |
|
B |
0.56 |
24.9 |
53.0 |
17.3 |
|
标准要求 |
≤0.6 |
≥16.0 |
≥42.5 |
≥20.0 |
1.2 粉煤灰
一般认为掺用粉煤灰不利于提高蒸养混凝土的强度，但掺优质I级粉煤灰后蒸养混凝土具有更优良的力学性能、更好的耐久性、更好的经济性（具有较好的减水效果）。同时，掺用优质粉煤灰将提高混凝土的体积安定性，有利于防裂，还能抑制碱集料反应，改善混凝土拌和物的施工性能。本试验采用优质的I级粉煤灰进入配合比试验。
1.3 集料
细骨料为人工砂，细度模数在2.6以上，石粉含量控制在6～18%，颗粒级配符合中砂的标准要求。
粗骨料为石料厂生产的5～20mm(D20)和20～40mm(D40)人工破碎石，其各项指标满足规范要求。
1.4 外加剂
使用优质高效减水剂。聚羧酸高效减水剂是第三代高效减水剂，不仅减水率较高（大于20%），含碱量低，而且适于蒸养。选择三个厂家（C、D、E）的聚羧酸高效减水剂与水泥的适应性进行检测，全部符合标准要求，且减水率均在20%以上，考虑三种外加剂作为正交试验的一个因素进行配合比。
引气剂将降低混凝土的强度，但管片混凝土有W12F200的抗渗和抗冻要求，因此须掺引气剂使拌和物的含气量不宜低于4.0%。
2 蒸养工艺
选择合适的蒸养工艺。控制蒸养温度，在不影响混凝土质量的情况下尽可能缩短升降温时间，延长恒温时间，从而可以提高混凝土早期强度。本文选择不同的蒸养时间来进行对比试验，确定出配合比设计中蒸养的过程。采用同水胶比（0.32），同粉煤灰掺量（20％），相同的起始混凝土拌和物温度，不同的蒸养时间进行试验，检测结果见表2。
起始混凝土拌和物温度18.5～20℃，拆模温度30±1℃。
考虑调整配合比参数（煤灰掺量减少）对混凝土强度的影响，确定使用4号方案的养护方式。
表2 蒸养时间对拆模强度的影响
|
序号 |
蒸养时间(h) |
拆模强度(MPa) |
目标强度(MPa) | |||
|
升温 |
恒温 |
降温 |
总用时 | |||
|
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 配合比试验
3.1 试拌方案
设计要求C50W12F200，联掺高效减水剂和引气剂，控制混凝土拌和物的坍落度50～70mm，含气量4～6%。采用L 9(34)正交表安排试验，考核水胶比、粉煤灰掺量和不同的外加剂对标准养护和蒸气养护混凝土性能的影响，具体内容如下：
（1）混凝土拌和物的性能；
（2）标准养护条件下，不同龄期混凝土的力学性能和设计龄期混凝土的耐久性能；
（3）蒸养后混凝土强度。
因素水平安排如表3。
表3 混凝土配合比试验因素水平表
|
因素 水平 |
水胶比 |
煤灰掺量（%） |
外加剂种类 |
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
根据以上确定的混凝土配合比设计原则，进行了混凝土试拌，试拌后混凝土的力学性能及耐久性要求见表4，对混凝土抗压强度进行极差分析，见表5。
分析结论及参数选择：粉煤灰降低蒸养强度，选择10%；考虑冬季施工变因，水胶比选择0.32；外加剂品种对蒸养强度影响不显著。
3.3 推荐配合比
经过以上试验确定出以下配合比见表6。
3.4 蒸养工艺流程
通过以上试验研究确定了经济合理、易于操作的拌和和蒸养工艺流程见图1。
表4 正交表试验成果
|
因素 序号 |
水胶比 A |
粉煤灰 B |
外加剂 品种C |
空列 D |
坍落度(mm) |
含气量(%) |
抗压强度MPa 28d |
蒸养抗压强度 (MPa) |
抗渗 (W12) |
抗冻(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)正交试验成果分析
|
水平 |
总和(MPa) |
平均(MPa) | ||||||
|
水胶比 |
煤灰 掺量 |
外加剂 品种 |
空列 |
水胶比 |
煤灰 掺量 |
外加剂 品种 |
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(极差) |
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
|
序号 |
水胶比 |
煤灰掺量(%) |
减水剂及 掺量 |
引气剂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%) |
0.8/万 |
36 |
118 |
332 |
37 |
697 |
622 |
624 |
|
2 |
0.32 |
10 |
D (0.7%) |
0.8/万 |
36 |
120 |
338 |
38 |
693 |
618 |
620 |
|
3 |
0.32 |
10 |
E (0.6%) |
0.8/万 |
36 |
121 |
340 |
38 |
691 |
616 |
619 |
图1 蒸养工艺流程
4 工程应用
目前中铁十六局穿黄Ⅱ- A标管片预制混凝土已全部施工完毕。从施工单位反馈情况看，混凝土施工过程中混凝土施工性能良好，可以按照每天两批进行生产，吊运强度均可以达到设计要求。管片整个工序全部完成后无结构缺陷（指露筋、孔洞、蜂窝、裂缝），无外形缺陷（指管片端头不直、倾斜、缺楞掉角等）、无外表缺陷（指表皮麻面、掉皮、起砂、漏浆等），无外表油污、且颜色亮白、均匀一致。质量评定为优良，受到了业主和监理的好评。
5 结束语
经过一系列试验选择，确定满足设计和施工要求的盾构蒸养C50高性能混凝土施工配合比和蒸养工艺，该配合比基本参数如下：减水剂掺量0.6%，水胶比0.32，用水量118kg/m3，胶凝材料总用量369kg/m3，其中水泥用量332kg/m3，粉煤灰37kg/m3。该配比混凝土8h蒸养强度大于20MPa，28d抗压强度大于65MPa，抗冻抗渗性能满足F200、W12的要求，总碱含量只有2.18kg/m3。被南水北调中线穿黄隧道工程采用效果良好。
（中国混凝土与水泥制品网 转载请注明出处）
