李享濤，謝永江，渠亞男，仲新華

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

新建的京張鐵路八達(dá)嶺長城車站位于八達(dá)嶺景區(qū)地下，最大埋深102 m，車站隧道最大跨度達(dá)32.7 m，是世界上最大埋深、單拱跨度最大的高速鐵路地下車站。八達(dá)嶺長城車站襯砌混凝土最大澆筑量達(dá)600 m3，是常規(guī)隧道斷面混凝土澆筑量的4倍。此外，襯砌內(nèi)鋼筋密集，常規(guī)振搗困難，這對(duì)混凝土的填充性、抗裂性和密實(shí)性提出了更高要求。顯然，該隧道不能沿用常規(guī)隧道的普通泵送混凝土進(jìn)行施工。為了解決隧道襯砌混凝土填充、防裂問題，李厚祥等[1]通過摻入超塑化劑、活化粉煤灰、膨脹劑、聚丙烯纖維等材料，制備了自密實(shí)防水混凝土；曹擎宇等[2]摻入纖維素纖維來提高襯砌混凝土早期抗裂性；周佳梅等[3]摻入聚丙烯纖維來提高無砟軌道防水層抗裂性。另有一些學(xué)者研究指出，硫鋁酸鹽系膨脹劑可在混凝土中產(chǎn)生早期的壓應(yīng)力，延遲混凝土干縮開裂，但對(duì)大體積混凝土的溫度收縮幾乎起不到補(bǔ)償作用[4]；合成纖維對(duì)提高襯砌混凝土長期抗裂性的作用十分有限[5]。

目前，在超大斷面襯砌混凝土制備方面并無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒。為了保證新建京張鐵路八達(dá)嶺長城車站超大斷面襯砌混凝土施工質(zhì)量，本文結(jié)合長城車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際環(huán)境條件，探討配制高充填性、低水化熱、低收縮和高密實(shí)的大斷面襯砌混凝土的方法，為今后類似工程提供技術(shù)依據(jù)。

1 超大斷面隧道襯砌混凝土性能需求

針對(duì)超大斷面隧道襯砌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、長城車站環(huán)境條件以及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，超大斷面隧道襯砌混凝土除強(qiáng)度等級(jí)滿足設(shè)計(jì)要求外，還應(yīng)具有高充填性能、良好的體積穩(wěn)定性能和優(yōu)異的密實(shí)性。具體指標(biāo)為：初始坍落擴(kuò)展度≤580 mm，擴(kuò)展時(shí)間t400為3 ～8 s，含氣量為3%～5%，壓力泌水率≤40%，2 h坍落擴(kuò)展度損失≤60 mm，3 d絕熱溫升不大于30 ℃，90 d電通量<1 000 C，抗?jié)B等級(jí)≥P12，56 d干燥收縮率≤3.5×10-4，實(shí)體混凝土90 d氣體滲透系數(shù)≤0.5×10-16m2。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

本文綜合考慮原材料的性能指標(biāo)、產(chǎn)地、成本等因素，優(yōu)選出匹配性的原材料。選用北京金隅琉水環(huán)?？萍加邢薰镜闹袩崴?，比表面積349 m2/kg，3 d抗壓強(qiáng)度21 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度59.4 MPa，3 d水化熱220 J/g，7 d水化熱270 J/g；選用元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司的I級(jí)粉煤灰，細(xì)度為8.6%，需水量比為92%，燒失量為0.46%，CaO含量為2.71%；選用武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的M型MgO補(bǔ)償收縮材料，MgO含量為86.24%，反應(yīng)時(shí)間為140 s；選用河北省淶水縣七山石場(chǎng)生產(chǎn)的石粉，MB值為1.0，流動(dòng)度比為105%；采用懷安縣第三屯砂場(chǎng)的Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 680 kg/m3，含泥量為0.8%；采用新八達(dá)嶺隧道洞渣制備的4.75～31.50 mm三級(jí)配碎石，表觀密度為 2 680 kg/m3，含泥量為0.5%，壓碎值為6.0%，針片狀含量<20%，針片狀含量評(píng)價(jià)方法參照文獻(xiàn)[6-7]；采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA-Ⅰ(緩凝型)減水劑。水泥、石粉和砂的粒度分布曲線見圖1。

圖1 中熱水泥、石粉和砂的粒度分布曲線

2.2 配合比

本文以混凝土良好的工作性、高體積穩(wěn)定性及高密實(shí)性為主要考察目標(biāo)并兼顧其他性能，著重對(duì)粉體用量、水膠比、石粉摻量以及補(bǔ)償收縮材料用量進(jìn)行研究，進(jìn)而優(yōu)化長城車站隧道襯砌混凝土配合比。試驗(yàn)用配合比見表1。

表1 試驗(yàn)用配合比 kg/m3

2.3 測(cè)試方法

混凝土坍落度、擴(kuò)展度、含氣量、擴(kuò)展時(shí)間、絕熱溫升按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)進(jìn)行試驗(yàn)?；炷量箟簭?qiáng)度、抗折強(qiáng)度按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081—2016)進(jìn)行試驗(yàn)。混凝土干燥收縮試驗(yàn)、碳化試驗(yàn)、抗?jié)B試驗(yàn)按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行試驗(yàn)?；炷翜囟仁湛s試驗(yàn)試件尺寸、成型方式符合GB/T 50082—2009規(guī)定，試件成型后在溫度匹配條件下養(yǎng)護(hù)，試件強(qiáng)度達(dá)到3～5 MPa時(shí)拆模，立即用環(huán)氧樹脂快速密封，在室溫下測(cè)試試件的初長，然后放入蒸養(yǎng)箱繼續(xù)進(jìn)行溫度匹配養(yǎng)護(hù)，并測(cè)試不同溫度下混凝土試件的長度。實(shí)體混凝土氣體滲透系數(shù)采用Torrent氣體滲透系數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果分析

3.1 粉體用量及組成

1)最小粉體用量

表1 中C-1～C-5配合比的粉體類型為純水泥，根據(jù)水泥、水的用量及其密度可以計(jì)算出漿體體積。在相同減水劑摻量的情況下，控制混凝土含氣量在(3.5±0.2)%，研究混凝土的單方漿體體積與坍落度之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 混凝土單方漿體體積與坍落度之間的關(guān)系

由圖2可知，隨著混凝土漿體體積的增加，混凝土坍落度逐漸變大。這是因?yàn)殡S著混凝土的漿體體積增加，包裹骨料的漿體量增多，減少了骨料相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力，使混凝土具有較好的工作性能?；炷撂涠纫_(dá)到200 mm，單方漿體體積不應(yīng)小于0.28 m3。鑒于隧道襯砌混凝土應(yīng)具有較好的流動(dòng)性，考慮到過小的漿體體積不能滿足襯砌混凝土工作性能要求，過大的漿體用量又會(huì)增加混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)，確定單方漿體體積宜在0.28 m3左右。依據(jù)礦物摻合料與水泥密度，推算出對(duì)應(yīng)的摻礦物摻合料的襯砌混凝土粉體用量宜為380 kg/m3。

2) 微集料摻量

石粉的粒徑介于水泥和砂之間，在混凝土中起到較好的填充作用[8]。本文在粉體用量為380 kg/m3、水膠比為0.42的條件下，研究了石粉摻量對(duì)混凝土的工作性能、強(qiáng)度和收縮的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同石粉摻量條件下混凝土的工作性能、強(qiáng)度和收縮

由表1和表2可知：隨著石粉摻量的增加，相應(yīng)齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度、收縮率變化不大，混凝土拌合物狀態(tài)相差較大。當(dāng)石粉摻量不超過35 kg/m3時(shí)，混凝土拌合物狀態(tài)良好，當(dāng)石粉摻量超過35 kg/m3時(shí)，混凝土拌合物出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。由于石粉為惰性材料，試驗(yàn)中采取外摻法，水膠比并未發(fā)生變化，因此石粉的摻入基本不影響混凝土的強(qiáng)度和干燥收縮。綜合上述分析，最終確定石粉摻量為35 kg/m3。

3.2 水膠比

本工程襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。經(jīng)理論計(jì)算，初步確定混凝土水膠比為0.39～0.48。表1中C-6，C-7，C-8，C-9的水膠比分別為0.406，0.435，0.449，0.464。因此采用C-6～C-9配合比研究不同水膠比對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同水膠比下混凝土的工作性能和力學(xué)性能

由表3可知：在調(diào)整減水劑用量使混凝土坍落度基本相當(dāng)?shù)臈l件下，當(dāng)水膠比較小時(shí)混凝土黏稠，施工性能較差；當(dāng)水膠比較大時(shí)混凝土保水性逐漸變差，直至出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，且混凝土強(qiáng)度降低，甚至不滿足設(shè)計(jì)要求。為獲得最佳的混凝土工作性能和強(qiáng)度，確定混凝土水膠比為0.435，單方用水量為150 kg。

3.3 MgO類補(bǔ)償收縮材料用量

已有研究[9-10]表明，在適宜溫度下煅燒的MgO類補(bǔ)償收縮材料具有補(bǔ)充干燥收縮和溫度收縮的雙重作用。長城車站隧道大跨段襯砌混凝土一次澆筑量大，為提高混凝土抗開裂性能，本文在混凝土中摻入了MgO類補(bǔ)償收縮材料。C-7，C-13，C-14，C-15的MgO摻量分別為0，7，14，21 kg/m3。結(jié)合MgO的溫度敏感特性和工程實(shí)際狀況下混凝土內(nèi)部溫度發(fā)展規(guī)律，研究了不同MgO摻量的混凝土試件在溫度匹配養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹率。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 混凝土試件在溫度匹配養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹率

本文中采用的匹配養(yǎng)護(hù)制度：初始溫度為25 ℃，2d齡期時(shí)升溫至溫峰值45 ℃，之后逐漸降低，15 d齡期時(shí)降低至25 ℃。由圖3可知：在該養(yǎng)護(hù)條件下，不同MgO摻量的試件隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高均出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，但當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度回到起始溫度時(shí)，C-7(基準(zhǔn)混凝土)收縮值約200×10-6，C-14收縮值僅為82×10-6，C-15仍表現(xiàn)出膨脹現(xiàn)象，膨脹值為28×10-6，這說明當(dāng)MgO摻量為14 kg/m3時(shí)，即可起到較好的補(bǔ)償溫度收縮作用。綜合考慮混凝土收縮程度和經(jīng)濟(jì)性，最終確定C-14 配合比為優(yōu)化后混凝土配合比。

3.4 混凝土主要性能

優(yōu)化前混凝土配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶水∶砂∶碎石∶PCA-Ⅰ減水劑=237∶99∶55∶174∶736∶1 104∶3.8，所用膠凝材料為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95礦粉。該配合比與優(yōu)化后C-14配合比配制的混凝土主要性能指標(biāo)對(duì)比見表4?？芍孩賰?yōu)化后混凝土擴(kuò)展時(shí)間t400降低2 s，更易充填于模板空腔；②優(yōu)化后混凝土3 d絕熱溫升降低12.27 ℃，有利于防止溫度裂縫：③優(yōu)化后混凝土干燥收縮率降低30%，干縮開裂的敏感性低。

表4 混凝土主要性能指標(biāo)對(duì)比

圖4 混凝土保濕、保溫養(yǎng)護(hù)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

采用優(yōu)化后混凝土配合比在八達(dá)嶺隧道長城車站開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。優(yōu)化后混凝土溫峰值僅53.4 ℃，較優(yōu)化前降低了16.7 ℃。混凝土拆模后立即采用自粘式保濕養(yǎng)護(hù)膜與充氣式氣模及時(shí)養(yǎng)護(hù)(見圖4)，養(yǎng)護(hù)過程中無需補(bǔ)水。30 d齡期時(shí)觀測(cè)，實(shí)體混凝土未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，優(yōu)化后混凝土氣體滲透系數(shù)為0.24×10-16m2，僅為優(yōu)化前混凝土的12%。

5 結(jié)論

1)要配制高充填性襯砌混凝土，其最小粉體用量不宜小于380 kg/m3。在混凝土中摻加石粉是配制低膠材用量、高流動(dòng)性能混凝土的有效措施。

2)從混凝土配合比優(yōu)化、微集料填充和補(bǔ)償收縮3個(gè)方面進(jìn)行調(diào)控，試驗(yàn)配制出坍落擴(kuò)展度480～520 mm,擴(kuò)展時(shí)間t400在3～8 s,3 d絕熱溫升<30 ℃,56 d收縮率<300×10-6的襯砌混凝土。

3)對(duì)于不便實(shí)施傳統(tǒng)澆水包裹養(yǎng)護(hù)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)，可采用自粘式保濕養(yǎng)護(hù)膜與充氣式氣模及時(shí)養(yǎng)護(hù)。

4)Torrent氣體滲透系數(shù)測(cè)試儀可用于快速測(cè)定實(shí)體混凝土密實(shí)性，優(yōu)化后混凝土氣體滲透系數(shù)僅為0.24×10-16m2。

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