檀秋芬，扈惠敏，潘春生

（1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖241003；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥230009；3.中交二航局 第四工程有限公司，安徽 蕪湖241006）

1 引 言

在盾構(gòu)隧道施工中，管片是最關(guān)鍵、最重要的結(jié)構(gòu)骨架。管片對(duì)混凝土的性能要求較高，不僅要求有比較高的強(qiáng)度和抗?jié)B性能，還應(yīng)具有較高的防火性能和高的耐久性，其中耐久年限一般要求至少100年，盾構(gòu)管片質(zhì)量將直接關(guān)系到隧道的整體質(zhì)量和安全性。傳統(tǒng)的普通混凝土材料已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足隧道管片工程的需要，高性能混凝土(又稱HPC)因?yàn)槠渌哂械莫?dú)特性能，即高的強(qiáng)度和早期強(qiáng)度，高耐久性，良好的工作性和工程經(jīng)濟(jì)性，近幾年來已被普遍應(yīng)用于盾構(gòu)隧道管片中。

目前，國內(nèi)外的混凝土研究技術(shù)人員已針對(duì)單摻與雙摻礦物摻合料的高性能混凝土的原材料、性能、配合比設(shè)計(jì)展開了大量研究，而對(duì)其配合比設(shè)計(jì)方法的研究仍處于探索與發(fā)展階段。從已有的研究成果來看，長期的大量試驗(yàn)和施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累是正確合理的配合比設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，并構(gòu)成現(xiàn)在混凝土配合比設(shè)計(jì)所必須遵循的基本法則，即水灰比法則、最小單位用水量或最小膠凝材料用量法則、混凝土密實(shí)體積法則與最小水泥用量法則。[1-3]

高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)同樣都必須遵循上述法則，由于引入了細(xì)摻料和外加劑，HPC 各組分間的關(guān)系與普通混凝土所常用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)有所不同，又因水灰比取值較小，致使上述法則內(nèi)涵發(fā)生變化。如高性能混凝土中水灰比可稱為水膠比，其中“膠”應(yīng)是水泥和超細(xì)摻合料重量的總量之和。此外用水量與混凝土坍落度的關(guān)系必須考慮外加劑的存在，施工尚須考慮泵送等。所有這些都必須通過無數(shù)次的試驗(yàn)與工程實(shí)踐加以驗(yàn)證。

2 C60 盾構(gòu)式管片高性能混凝土配合比確定方法

2.1 工程概況

南京緯三路過江通道工程N(yùn) 線工區(qū)水泥混凝土C60 盾構(gòu)式管片設(shè)計(jì)要求混凝土為高性能混凝土，耐久性好，結(jié)構(gòu)使用年限為100年，因此在考慮混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先采用了優(yōu)質(zhì)粉煤灰和磨細(xì)礦渣的雙摻技術(shù)，以降低水化熱，改善硬化混凝土的性能。在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，盡量采用低水泥用量和低水膠比，在滿足施工性能的條件下，盡量采用低坍落度。

2.2 性能指標(biāo)

一般以C60 盾構(gòu)式管片HPC 常用性能指標(biāo)作為基準(zhǔn)，再通過試配調(diào)整來滿足其他要求。性能指標(biāo)具體如下混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60；抗?jié)B等級(jí)為P12；混凝土設(shè)計(jì)坍落度為（30-70）mm；膠凝材料用量400-500kg/m3；水膠比不大于0.35；混凝土試配強(qiáng)度≥69.9MPa；總堿含量≤2.5kg/m3；氯離子含量不超過膠凝材料總量的0.06%，且不得使用含有氯化物的防凍劑及其他外加劑；混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤1.2×10-12m2/s。

2.3 原材料選擇

1.水泥：蕪湖白馬山海螺PⅡ52.5 級(jí)低堿硅酸鹽水泥。

2.砂：江西贛江中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度2.609g/cm3。

3.石：安徽廬江，由（5-10）mm 和（10-25）mm 的兩級(jí)配碎石合成(5-25)mm 連續(xù)級(jí)配的碎石，合成比例為4：6，針片狀含量為4.2%，壓碎值為5.4%，表觀密度2.713g/cm3。

4.粉煤灰：南京華能，Ⅰ級(jí)粉煤灰。

5.礦粉：馬鞍山中天，S95 級(jí)。

6.高效減水劑：上海華登，摻量0.76%，液體聚羧酸系減水劑，減水率為21%。

7.改性聚丙烯纖維：武漢中鼎，摻量1.5kg/m3。

原材料按規(guī)程JTGE42-2005 及JTGE30-2005進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)范要求。

2.4 配合比試驗(yàn)[4-8]

2.4.1 計(jì)算初步配合比

高性能混凝土試配強(qiáng)度應(yīng)超過其設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值以達(dá)到強(qiáng)度保證率的要求，其超出的數(shù)值應(yīng)依據(jù)混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差而定。

1.確定試配強(qiáng)度

fcu，0=fcu，k+1.645σ=69.9MPa

式中：fcu，0—混凝土試配強(qiáng)度（MPa）；

fcu，k—混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)注值（MPa）；

σ—混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差 （MPa），≥C50 級(jí)取6，其余取5。

2.計(jì)算水灰比（或水膠比）

高性能混凝土配置特點(diǎn)是采用低水膠比。水膠比影響著水泥漿基體和粗骨料間過渡區(qū)這兩者的孔隙率，能夠保證混凝土的充分密實(shí)，阻止腐蝕性氣體的滲入，以達(dá)到HPC 耐久性。HPC 中因摻入的磨細(xì)摻合料改善了膠凝材料的級(jí)配關(guān)系，使混凝土密實(shí)，并提高了膠結(jié)強(qiáng)度。HPC 混凝土強(qiáng)度仍可視為與水膠比成線性關(guān)系，符合保羅米公式理論。

式中：W/C—計(jì)算得的基準(zhǔn)水灰比；

αa、αb—回歸系數(shù)。當(dāng)采用碎石時(shí)，αa取0.46，αb取0.07；

fce—水泥28d 抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值（MPa）；

fcu，0—混凝土試配強(qiáng)度（MPa）。

取水泥28 天經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度fce=57MPa，按耐久性及設(shè)計(jì)要求校核計(jì)算的基準(zhǔn)水灰比，綜合考慮外摻料對(duì)強(qiáng)度的影響，基準(zhǔn)水灰比取用0.28。

3.單位用水量

單位用水量是保證高性能混凝土拌合物流動(dòng)性的基本因素，但用水量大，膠凝材料用量增大，高性能混凝土結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生干縮裂紋。單位用水量決定于集料最大粒徑與混凝土的坍落度。但高性能混凝土最主要是考慮高效減水劑的質(zhì)量與用量以及摻合料的關(guān)系控制坍落度，其集料最大粒徑和坍落度波動(dòng)范圍不大。試驗(yàn)顯示單位用水量與強(qiáng)度通常成反比，故可在《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55-2000 基礎(chǔ)上，根據(jù)強(qiáng)度等級(jí)估算混凝土單位用水量，如表1 所示。

表1 混凝土單位用水量

初選混凝土單位用水量mw=175kg/m3，依據(jù)下式確定所用的修正用水量mw0：

mw0=mw·（1-β）=175×(1-21%)=139kg/m3

式中：mw0—摻高效減水劑混凝土單位用水量；

mw—混凝土單位用水量；

β—外加劑的減水率（%）。

4.單位膠凝材料用量

外加劑用量為：495×0.76%=3.76kg/m3。

5.初選砂率βs

在水泥漿一定的情況下，砂率在混凝土中主要影響高性能混凝土的工作性。依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的基礎(chǔ)上，可根據(jù)膠凝材料用量、粗細(xì)集料的級(jí)配及泵送要求等因素，由經(jīng)驗(yàn)確定砂率，見表2 所示，高性能泵送混凝土的砂率宜控制在35%-45%之間。試驗(yàn)表明，砂率小于35%時(shí)混凝土和易性變差，施工操作困難，對(duì)泵送不利，且密實(shí)度降低；超過45%時(shí)將增大高性能混凝土的收縮，對(duì)抗裂不利。本試驗(yàn)砂率初選36%。

表2 砂率的選用

6.確定粗細(xì)集料用量

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55-2000中重量法確定：

式中：mc0—每立方米混凝土的膠凝材料用量（kg）；

mg0—每立方米混凝土的粗骨料用量（kg）；

ms0—每立方米混凝土的細(xì)骨料用量（kg）；

mwa—每立方米摻高效減水劑混凝土的用水量（kg）；

mcp—每立方米混凝土拌合物的假定重量（kg），其值可取2350-2450kg；

βs—砂率（%）。

取βs=36%，且假定混凝土的密度mcp=2480kg/m3，代入上面兩式可得：

mg0=1181kg/m3，ms0=665kg/m3

7.試驗(yàn)室初步配合比

膠材：砂∶石子∶水∶減水劑∶改性聚丙烯纖維=495∶665∶1181∶139∶3.76∶1.5

8.計(jì)算摻合料及水泥用量

按等量替換法取粉煤灰為膠凝材料用量的10%、礦粉為膠凝材料用量的25%，則：

粉煤灰：mf=mc0×10%=495×10%=50kg/m3，

礦粉：mk=mc0×25%=495×25%=124kg/m3，

水泥用量：mc=mc0×(1-35%)=495×(1-35%)=321kg/m3。

2.4.2 調(diào)整工作性，確定基準(zhǔn)配合比

1.按計(jì)算初步配合比試拌25L 混凝土拌合物，確定各種材料用量

水泥：321×0.025=8.025kg；

粉煤灰：50×0.025=1.250kg；

礦粉：124×0.025=3.100kg；

水：139×0.025=3.475 kg；

砂：665×0.025=16.625kg；

碎石：1181×0.025=29.525kg；

減水劑：3.76×0.025=0.094kg；

改性聚丙烯纖維：1.5×0.025=0.038kg。

調(diào)整工作性：測(cè)定坍落度為55mm，棍度中，粘聚性良好，保水性少量，含砂中。

2.提出基準(zhǔn)配合比

(水泥+粉煤灰+礦粉):砂:石子:水:減水劑:改性聚丙烯纖維

=(321+50+124)∶665∶1181∶139∶3.76:1.5

=(0.65+0.1+0.25)∶1.34∶2.39∶0.28∶7.60×10-3∶3.03×10-3

2.4.3 檢定強(qiáng)度，確定試驗(yàn)室配合比

把基準(zhǔn)配合比記為GP，按照普通配合比設(shè)計(jì)規(guī)程《JGJ55-2000》要求，在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上分別上下浮動(dòng)0.02 個(gè)水灰比，保持用水量不變，分別記為GP0.26 和GP0.30，砂率上下0.1%，計(jì)算出配合比并進(jìn)行試拌成型。

GP 組(W/C=0.28，砂率36%)

(水泥+粉煤灰+礦粉)∶砂∶石子∶水∶減水劑∶改性聚丙烯纖維

=(321+50+124)∶665∶1181∶139∶3.76∶1.5

=(0.65+0.1+0.25)∶1.34∶2.39∶0.28∶7.60×10-3∶3.03×10-3

GP0.30 組(W/C=0.30，砂率37%)

(水泥+粉煤灰+礦粉):砂:石子:水:減水劑:改性聚丙烯纖維

=(301+46+116)∶695∶1183∶139∶3.52∶1.5

=(0.65+0.1+0.25)∶1.50∶2.56∶0.30∶7.60×10-3∶3.24×10-3

GP0.26 組(W/C=0.26，砂率35%)

(水泥+粉煤灰+礦粉)∶砂∶石子∶水∶減水劑∶改性聚丙烯纖維

=(348+54+133)∶632∶1174∶139∶4.07∶1.5

=(0.7+0.1+0.2)∶1.39∶2.59∶0.40∶7.61×10-3∶2.8×10-3

強(qiáng)度結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表3 配合比抗壓強(qiáng)度總表

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)混凝土膠凝材料一定時(shí)，隨著水膠比的增長，水泥水化比所需的水分增加，導(dǎo)致水泥石的孔隙增多，且石子下沉引起混凝土產(chǎn)生沉降收縮，并產(chǎn)生微細(xì)裂紋?？紫杜c微細(xì)裂紋的存在減少了水泥石承載的有效面積，而且在水泥石界面以及孔隙周圍還將產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。因此在膠凝材料、外加劑種類及用量一定時(shí)，宜采用低水膠比。經(jīng)驗(yàn)證，GP 組與GP0.26 組配合比滿足C60坍落度及試配強(qiáng)度要求。

3 結(jié) 論

試配C60 盾構(gòu)式管片高性能混凝土，可從0.28水膠比開始，砂率按高性能泵送混凝土的砂率經(jīng)驗(yàn)取用并進(jìn)行試配，隨著配制高性能混凝土水膠比的上下浮動(dòng)，相應(yīng)砂率應(yīng)進(jìn)行上下調(diào)動(dòng)，改變幅度以滿足工程要求的混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度為準(zhǔn)。

研究顯示對(duì)于C60 盾構(gòu)式管片高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)關(guān)鍵是配合比參數(shù)的控制：水膠比≤0.40，膠凝材料總質(zhì)量介于300kg/m3-550kg/m3，砂率宜控制在35%-45%之間，單位用水量應(yīng)小于175kg/m3，另膠凝材料中礦物細(xì)粉用量宜不大于膠凝材料總量的40%，可采用粉煤灰和磨細(xì)礦粉共同摻入，利用粉煤灰和磨細(xì)礦粉的綜合效應(yīng)，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，從而使混凝土的早期強(qiáng)度得到有效保證。一般按等量替換法取粉煤灰為膠凝材料用量的10%、磨細(xì)礦粉為膠凝材料用量的25%。此外高效減水劑最佳摻量一般占膠凝材料總質(zhì)量的0.5%-2%。

[1]宋海宏．高性能混凝土制備及性能研究[J]．高速鐵路技術(shù)，2010，（5）：36-39．

[2]陶雅亮．C55 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工控制[J]．建材發(fā)展導(dǎo)向，2012，（21）：73-74．

[3]張愛玲．高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題[J]．工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2011，（7）：141-142,149．

[4]劉靜，王元綱，黃凱建，等．高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的全計(jì)算方法相關(guān)參數(shù)優(yōu)化[J]． 混凝土與水泥制品，2011，（8）：12-15．

[5]馬顯紅．機(jī)制砂高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制[J]．貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，29（2）：136-140．

[6]藺勝江．雙摻高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用[J]．山西建筑，2012，38（15）：104-106．

[7]陳治伙，姚志雄．高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)探討[J]．福建交通科技，2011，（5）：1-3．

[8]王英龍．高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)探討[J]．科技與企業(yè)，2011，（9）：54-55．