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        隧道二次襯砌混凝土配合比設(shè)計研究

        2019-08-31 04:07:06高建平
        福建交通科技 2019年4期
        關(guān)鍵詞:抗?jié)B水膠減水劑

        ■高建平

        (福建省交設(shè)工程試驗檢測有限公司,福州 350008)

        1 引言

        近年來, 隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的蓬勃發(fā)展及中西部地區(qū)大建設(shè)的進一步落實, 使得交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)特別是高速公路中的隧道工程得到迅速發(fā)展[1]。 隧道二次襯砌作為其重要結(jié)構(gòu),在長期服役期間,由于自身材料老化、疲勞效應(yīng)、溫度效應(yīng)、荷載效應(yīng)等不利因素,降低了結(jié)構(gòu)承載力,使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了安全隱患,縮短隧道服役年限,威脅生命和財產(chǎn)安全。 混凝土作為二次襯砌澆筑的重要原料, 其配合比及工作性能的合理性又直接關(guān)乎二次襯砌的質(zhì)量[2],因此對隧道二次襯砌進行混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計,平衡混凝土強度、改善其流動性及抗?jié)B性, 以滿足隧道二次襯砌混凝土施工要求尤為必要。

        二次襯砌混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計需達到以下基本要求,能滿足混凝土工作性能、材料強度和耐久性;采用通用設(shè)備易于搗實澆筑,具有易修飾性,離析和泌水??;強度和耐久性,滿足規(guī)范要求的最小抗壓強度,滿足設(shè)計要求的抗?jié)B、抗凍及耐腐蝕性。同時要求混凝土各組成部分的用量比例經(jīng)濟合理,降低混凝土造價[3]。

        為此本文結(jié)合減水劑的性能, 在混凝土配合比設(shè)計時,分別選用0.38、0.43 及0.48 三種水膠比,粉煤灰摻量為16 %。分別利用對比試驗研究三種水膠比在不同摻量的減水劑下,對混凝土工作性能、材料強度及抗?jié)B性能的影響。

        2 二次襯砌混凝土配合比試驗研究

        2.1 試驗原材料

        (1)膠凝材料

        水泥選用建福牌P.O42.5 普通硅酸鹽水泥, 堿含量0.56%,氯離子含量0.02%;3d 抗折強度:5.8MPa;3d 抗壓強度:28.8MPa;28d 抗折強度7.8MPa;28d 抗壓強度51.9 MPa; 采用Ⅰ級粉煤灰, 材料性能指標(biāo)滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

        (2)碎石

        采用閩清梅溪碎石場的碎石; 采用31.5~19mm、19~9.5mm 及9.5~5mm 三種級配, 摻配比例:31.5~19mm∶19~9.5mm∶9.5~5mm=20∶70∶10;表觀密度2704kg/m3;堆積密度1538kg/m3:含泥量0.7%;針片狀含量7.3%;壓碎值9.2%。

        (3)砂子

        采用閩清梅溪砂石場的砂子,細度模數(shù)為2.95,含泥量1.1%;堆積密度為1542kg/m3;表觀密度為2662kg/m3。

        (4)外加劑

        外加劑應(yīng)與水泥之間具有良好的適應(yīng)性,減水率高,坍落度損失小。據(jù)此,采用福州興大建材有限公司聚羧酸高性能減水劑,減水率為26%。

        2.2 試驗配合比設(shè)計步驟

        在二次襯砌混凝土配合比設(shè)計時, 分別選用0.38、0.43 及0.48 三種水膠比,粉煤灰摻量為16%,并在三種水膠比情況下,分別摻入1.15%、1.2%及1.25%的減水劑,將水膠比和減水劑作為試驗的兩個變量因素, 研究其對混凝土工作性能、材料強度及抗?jié)B性能的影響。本文規(guī)定水膠比0.38 時,澆筑的試件編號為A1~A3;水膠比0.43,澆筑試件編號為B1~B3; 水膠比0.48, 澆筑試件編號為C1~C3。

        假定二次襯砌為C30 P8 抗?jié)B混凝土,設(shè)計坍落度為140~180mm。將水膠比0.43 及摻入1.2%減水劑的混凝土配合比作為基準(zhǔn)配合比。通過混凝土施工要求的坍落度、設(shè)計要求的強度和強度保證率來計算確定混凝土水膠比、砂率、單位用水量、砂石用量等參數(shù)[4],其設(shè)計步驟如下:

        (1)配制強度

        fcu,0≥fcu,k+1.645σ,其中σ 取5.0

        fcu,0≥30+1.645×5.0=38.2MPa

        (2)確定水膠比

        W/B=αarffce/(fcu0+αaαbfb); 其中αa取0.53;αb取0.20;rf取0.85。

        W/B=0.53×0.85×1.16×42.5/(38.2+0.53×0.2×0.85×1.16×42.5)=0.52

        根據(jù) 《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》 中的要求和施工環(huán)境、氣候的影響,混凝土和抗?jié)B等級在P8~P12 之間的抗?jié)B混凝土最大水灰比不能大于0.55, 因此本文選取水膠比W/B=0.43。

        (3)單位用水量

        根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)中對混凝土的要求,查表得單位用水量為225kg/m3,減水劑的減水率為26%,則單位用水量mw0=225×(1-26%)=166kg/m3。

        (4)確定水泥用量

        根據(jù)水膠比W/B=0.43, 單位用水量為166kg/m3,則膠凝材料B=166/0.43=386kg/m3, 粉煤灰摻量為16 %,則粉煤灰F=386×0.16=62kg/m3, 那么水泥含量=386-62=324kg/m3?;鶞?zhǔn)減水劑摻入量為膠凝材料的1.2%,則減水劑摻入量J=386×1.2%=4.64kg/m3。

        (5)選取砂率

        根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)表5.4.2的要求,二次襯砌混凝土需滿足泵送要求,因而本期選取砂率βs為41%。

        (6)確定粗、細骨料的材料用量

        假定混凝土容重為2400kg/m3, 由mc0+mf0+mg0+ ms0+mw0=mcp得mg0+ms0=1848

        式中:mc0為混凝土的含量,mf0為粉煤灰的含量,mg0為碎石的含量,ms0為砂子的含量,mw0為水的含量,mcp為混凝土容重。

        由砂率βs=ms0/(mg0+ms0)×100%

        計算得ms0=1848×41%=758kg/m3

        mg0=1848-758=1090kg/m3

        本文中碎石采用三種級配,摻配比例如下:

        31.5~19mm∶19~9.5mm∶9.5~5mm=20∶70∶10 則31.5~19mm∶19~9.5mm∶9.5~5mm=218∶763∶109

        計算所有材料用量以后完成配合比設(shè)計, 即可得到基準(zhǔn)配合比各材料用量之比為

        mc0∶mf0∶mg0∶ms0∶mw0∶mj0=324∶62∶1090∶758∶166∶4.64

        對完成基準(zhǔn)配合比先進行試拌,其坍落度、粘聚性及泌水性均符合規(guī)范要求。

        (7) 在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上,根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)的要求,增加或減少水膠比0.05%,增加或減少砂率1%。 同時增加或減少減水劑0.05%。 按照上述設(shè)計步驟,在保持用水量不變的情況下,計算出其它組配合比設(shè)計的混凝土材料用料表,如表1~3 所示。

        表1 水膠比為0.38 時不同摻量減水劑的混凝土材料用料表

        表2 水膠比為0.43 時不同摻量減水劑的混凝土材料用料表

        表3 水膠比為0.48 時不同摻量減水劑的混凝土材料用料表

        3 試驗結(jié)果與分析

        測定混凝土拌合物的坍落度(取料后5min 內(nèi)測定)、經(jīng)時坍落度損失值(1h)及壓力泌水率(10s),以評價可泵性能[4];采用150mm×150mm×150mm 標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至7d、28d 測定其抗壓強度[5];混凝土抗?jié)B等級試件采用標(biāo)準(zhǔn)抗?jié)B圓臺試件, 以每組6 個試件中4 個未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象時的最大水壓力表示混凝土的抗?jié)B等級[6]。其測定坍落度、7 d 及28d 的抗壓強度和混凝土的抗?jié)B等級具體結(jié)果試驗結(jié)果如表4、表5 及表6 所示。

        表4 水膠比0.38 時不同量減水劑混凝土坍落度、強度及抗?jié)B性

        表5 水膠比0.43 時不同量減水劑混凝土坍落度、強度及抗?jié)B性

        表6 水膠比0.48 時不同量減水劑混凝土坍落度、強度及抗?jié)B性

        3.1 不同摻量的減水劑對混凝土工作性能的影響

        不同摻量的減水劑對混凝土工作性能的影響如圖1所示。 從圖1 可知,在水灰比不變的情況下,摻入的減水劑對混凝土的坍落度均略微有所提高, 但在規(guī)范允許摻入減水劑量的情況下,添加越多的減水劑,對混凝土的坍落度影響越大;在摻入減水劑量不變的情況下,水膠比越大,混凝土的坍落度越大。

        圖1 不同摻量的減水劑對混凝土工作性能的影響

        3.2 不同摻量的減水劑對混凝土強度的影響

        不同摻量的減水劑對28d 及7d 混凝土強度的影響如圖2 及圖3 所示。

        圖2 不同摻量的減水劑對7d 混凝土強度的影響

        圖3 不同摻量的減水劑對28d 混凝土強度的影響

        從圖2 及圖3 可知,摻加減水劑后,混凝土的7d 及28 d 強度顯著提高,隨著水膠比的增大,混凝土強度逐漸降低。 這主要是因為聚羧酸高性能減水劑含有的三乙醇胺能與水泥顆粒發(fā)生反應(yīng),生成鈣礬石,加速水泥的水化反應(yīng),使混凝土中內(nèi)部孔隙體積明顯減少,混凝土更為致密,從而使混凝土的抗壓強度顯著提高。

        從圖2 及圖3 可知, 隧道二次襯砌配合比參數(shù)按強度來控制時,要滿足澆筑的強度要求,每方混凝土消耗的用水量和水膠比均較高, 這樣配制出的混凝土易出現(xiàn)干縮開裂、離析、泌水等質(zhì)量問題。

        3.3 不同摻量的減水劑對混凝土抗?jié)B性能的影響

        不同摻量的減水劑對混凝土抗?jié)B性能的影響如圖4所示。 圖4 可知,當(dāng)水膠比不變的情況下,摻入的減水劑量越多,最大量不超過規(guī)范規(guī)定的范圍時,混凝抗?jié)B等級呈遞增趨勢;隨著水膠比的增大,混凝抗?jié)B等級呈遞減趨勢,且水膠比為0.38 的混凝抗?jié)B等級遠遠大于0.48 水膠比的混凝土; 說明減水劑對對混凝土的抗?jié)B性能的影響程度遠遠小于水膠比的影響。因此在實際工程應(yīng)用中,為了最大化地控制工程成本, 建議通過降低水灰比來控制混凝土抗?jié)B性能。

        4 結(jié)論

        本文結(jié)合減水劑的性能,在混凝土配合比設(shè)計時,分別選用0.38、0.43 及0.48 三種水膠比, 粉煤灰摻量為16%。 分別利用對比試驗研究三種水膠比在不同摻量的減水劑下,對混凝土工作性能、材料強度及抗?jié)B性能的影響。 得到結(jié)論如下:

        圖4 不同摻量的減水劑對混凝土抗?jié)B性能的影響

        (1)在水膠比不變的情況下,摻入不同量的減水劑均略微提高了混凝土的坍落度, 同時顯著提高了混凝土材料強度,對混凝土抗?jié)B性能影響較小。

        (2)在摻入的減水劑量不變的情況下,水膠比越大其混凝土強度越低,但是混凝土的坍落度越好;水膠比參數(shù)對混凝土抗?jié)B性能的影響程度遠遠大于減水劑。

        要滿足隧道二次襯砌混凝土低強度、 高流動性及抗?jié)B性要求,可以通過摻入減水劑降低水膠比,提高其抗?jié)B性的要求,然后通過摻入粉煤灰等礦物摻和料,降低其強度,提供其流動性,平衡混凝土強度、改善其流動性及抗?jié)B性,以滿足隧道二次襯砌施工要求。

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