任瑞剛 REN Rui-gang

（中鐵上海工程局集團(tuán)第一工程有限公司，蕪湖 241000）

0 引言

混凝土因成本適中施工方便效率高的特點(diǎn)，普遍用于山嶺隧道、墩梁承臺(tái)、高層建筑等工程。作為圬工結(jié)構(gòu)最后一道防線，大多因工藝及泵送需要，要求具有較大流動(dòng)性，對(duì)拌和物性能要求高。高性能減水劑和礦物摻合料是現(xiàn)混凝土兩大物質(zhì)基礎(chǔ)，是“低水泥用量、低水膠比、低單位體積用水量”的前提，流動(dòng)、粘聚、保水、包裹、坍損5 個(gè)指標(biāo)之間制約關(guān)系是配制鐵路混凝土首要難題。本文闡述了隧道襯砌泵送混凝土性能要求、原材料特性及高泵送設(shè)計(jì)方法，通過設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證依據(jù)該設(shè)計(jì)方法得出的泵送混凝土配合比適用性。

1 隧道施工拌合物工作性常見問題

①襯砌施工空間小環(huán)境相對(duì)封閉，實(shí)體外觀質(zhì)量差，強(qiáng)度離散度較大。②襯砌施工結(jié)構(gòu)部位和下料方式分布要求不同，共用一個(gè)配合比不合理。③受工裝設(shè)備影響，混凝土工作穩(wěn)定性差且離散，與提質(zhì)量、增效益、節(jié)成本目標(biāo)偏離較大。

2 原材料性能特性及解決措施

2.1 原材料性能分析

①水泥特性。采用亞泰山泉牌P·O42.5 水泥，通過南京工業(yè)大學(xué)江蘇省材料化工工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室X 射線熒光分析/XRD 物相定量分析，堿含量按Na2O+0.658K2O 計(jì)算值為0.77%，其他質(zhì)量指標(biāo)如表1、表2 所示。

表1 水泥化學(xué)成分分析（X 射線熒光分析法）

表2 水泥礦物相定量分析（XRD）

由表1、表2 數(shù)據(jù)可見，脫硫石膏雜質(zhì)較多，易造成水泥產(chǎn)品性能波動(dòng)，無水石膏含量較高，雖最終能生成足夠多SO42-，但溶解速度最慢，不足以匹配析出足夠量SO42-抑制C3A 早期水化。水泥不斷水化反應(yīng)，消耗漿體中大量自由水，同時(shí)生產(chǎn)大量Ca（OH）2和C-S-H（水化硅酸鈣）覆蓋在未水化的水泥顆粒表面，將吸附的減水劑分子包埋失效，靜電斥力、空間位阻作用消失或減弱，影響與外加劑相容性和混凝土凝結(jié)時(shí)間，造成混凝土坍落度損失大。

②粉煤灰特性。采用白山熱電F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰，粉煤灰密度2300kg/m3，細(xì)度28%，燒失量5.0%，需水量比105%，28 天活性較差。數(shù)據(jù)可見細(xì)度對(duì)強(qiáng)度有一定影響，顆粒愈細(xì)強(qiáng)度增長(zhǎng)愈高，混凝土漿體體積和粘聚性能更好。需水量和燒失量較大，主要為未燃燒碳顆粒碳顆粒含量較多，需水量高對(duì)減水劑有效成分吸附越大，對(duì)氣的吸附更明顯，引氣困難且氣損較大造成減水母液和保坍母液應(yīng)相應(yīng)增加。

③骨料特性。采用白山市冉盛新型建筑材料廠碎石、機(jī)制砂，控制細(xì)度模數(shù)3.2 以下且顆粒級(jí)配0.15mm 及以下顆粒含量為15%～30%。

④外加劑特性。采用沈陽(yáng)依力達(dá)建筑外加劑廠聚羧酸系高性能減水劑，為提高與水泥的適應(yīng)性，采用快吸附高分散穩(wěn)定性好的綜合母液富漿，引入三萜皂苷加聚醚引氣復(fù)合方案，產(chǎn)生大量均勻分布、閉合穩(wěn)定微小氣泡，適當(dāng)增加保坍成份，提高拌合物和易性、保水性和黏聚性。

2.2 原材料性能調(diào)整

①水泥調(diào)整方案。根據(jù)水泥C3A 較高SO42-較少特性，適當(dāng)提高SO3含量，以增加水泥CaSO4·2H2O 含量與C3A匹配反應(yīng)；控制Na2O、K2O 含量，使水泥含堿量低于0.6%，避免發(fā)生堿骨料反應(yīng)；控制f-CaO 含量，其間接反映了熟料燒成情況，過高的f-Ca0 影響到水泥漿體流動(dòng)性。調(diào)整后堿含量按Na2O+0.658K2O 計(jì)算值為0.60%；C3A 含量6.9%；SO3含量2.63%，二水石膏含量3.8%；半水石膏含量0.1%；無水石膏含量0.0%；f-Ca0 含量0.4%，調(diào)整后水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失大幅度減小，如表3 所示。

表3 C3A 含量/堿含量與凈漿流動(dòng)度關(guān)系評(píng)價(jià)

②外加劑調(diào)整方案。

由于水泥水化后溶液呈較強(qiáng)堿性，減水劑分子在強(qiáng)堿溶液中易出現(xiàn)分子側(cè)鏈脫落或減水劑分子分解，減水作用失效或減弱，造成流動(dòng)度損失。減水劑根據(jù)調(diào)整后水泥特性進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用快吸附高分散WPJ601 減水母液、穩(wěn)定性好WPJ412 綜合母液復(fù)合以減弱C3A 含量高對(duì)外加劑分散作用破壞。更換緩凝劑種類ATMP 并適當(dāng)提高緩凝、保坍劑緩釋組分用量，以延緩C3A 水化過快造成自由水不足引起混凝土流動(dòng)性過快損失。根據(jù)調(diào)整前后與凈漿流動(dòng)度關(guān)系，在減水劑中補(bǔ)入3%硫代硫酸納等含硫組分，輔助生成足夠多SO42-以適應(yīng)C3A 遇水即水化特性，匹配反應(yīng)形成三硫型水化硫鋁酸鈣，以平衡C3A 水化過快SO42-不足，造成自由水不足引起流動(dòng)性過快損失，如表4所示。（圖1、圖2）

圖1 C3A 含量/堿含量與凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失

表4 WJJ 調(diào)整前后與凈漿流動(dòng)度關(guān)系評(píng)價(jià)

2.3 優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)

2.3.1 原設(shè)計(jì)

混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)C40，水膠比0.37，外加劑摻量1.0%，用水量163kg/m3。水泥密度3060kg/m3，粉煤灰密度2280kg/m3，外加劑密度1063kg/m3，碎石表觀密度2840 kg/m3，河砂表觀密度2680kg/m3。根據(jù)機(jī)制砂品質(zhì)和漿體比限值，砂率按水膠比和碎石最大粒徑查表選取質(zhì)量砂率βs=41%，按體積法設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算得到體積砂率Sv=42%；Vs，g=1-0.35=0.65m3；ms=0.65×42%×2680=732kg；mg=0.65×（1-42%）×2840=1071kg；漿體體積=362/3.06+91/2.28+163/1=118.3+39.9+163=321.2L；理論計(jì)算容重2420kg/m3與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)容重2480kg/m3相差較大；同時(shí)通過實(shí)拌發(fā)現(xiàn)該配合比漿體體積雖滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，拌和物砂率過大較粘稠流速慢，不符合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

2.3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法1

優(yōu)先調(diào)整減水劑品質(zhì)和體積砂率，降低骨料整體孔隙率。砂率過高對(duì)體積穩(wěn)定性不利，漿骨比合適并更多使用骨料及控制漿體和用水量，確保工作性穩(wěn)定是力學(xué)性與耐久性的前提。①采用分散能力強(qiáng)敏感度低的富漿母液，在流動(dòng)、保水、粘聚最佳狀態(tài)和含氣量3.2%±0.2%時(shí)，考察砂率是否適當(dāng)。微小氣泡均勻分布在水泥漿中增加漿體體積并依附在骨料上，含氣較小，狀態(tài)堆積碴散，此時(shí)提高含氣量，懸浮趨勢(shì)隨之變大。規(guī)范規(guī)定含氣量宜2%～4%，不足以證明對(duì)工作性改善作用空間關(guān)系，必須在合適狀態(tài)下選取砂率。②砂率無數(shù)據(jù)化定量計(jì)算證明方法，需結(jié)合骨料空隙率、細(xì)度模數(shù)、級(jí)配以及施工工藝綜合確定，根據(jù)試拌結(jié)果選取合適砂率以降低骨料整體空隙率，漿體填充空隙后有一定富余，起潤(rùn)滑和流動(dòng)作用。同時(shí)減少過多漿體體積形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，提高體積穩(wěn)定性，較大幅度提高混凝土工作性、密實(shí)性等基本要求，如表5 所示。

表5 同水膠比含氣量與砂率對(duì)拌和物工作性影響關(guān)系

2.3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法2

根據(jù)混凝土骨架密實(shí)空隙率最小原則，在調(diào)整減水劑功能和體積砂率，降低骨料整體空隙率基礎(chǔ)上，①提高摻合料取代量獲得漿體量提升增加漿體量來調(diào)整漿體體積（粉煤灰密度低于水泥，同用量情況下漿體積提升）。②降低漿體需求量以滿足基本流動(dòng)性與可泵性。③經(jīng)調(diào)整得到體積砂率Sv=40%；Vs，g=1-0.355=0.645m3；ms=0.645×40%×2680=691kg；mg=0.645×（1-40%）×2840=1099kg；漿體體積=317/3.06+136/2.28+163/1=103.6+59.6+163=326.2L；實(shí)測(cè)含氣量3.5%，容重2475kg/m3，如表6 所示。

表6 單方混凝土材料用量（kg/m3）

2.4 統(tǒng)一混凝土流變性與狀態(tài)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

新拌混凝土具有較高流動(dòng)性、可泵性、抗離析性、保塑性及低放熱性，硬化后高強(qiáng)度、高耐久性、高體積穩(wěn)定性。即：漿體顏色內(nèi)外一致，無大氣泡泌出，表面無碳析出物，漿體柔和有光澤，混凝土粘性適中有彈性，流動(dòng)剪切力大于氣泡的表面張力，氣泡破裂后殘留孔洞因粘性和流動(dòng)性自然復(fù)原，骨料均勻分布，坍落度損失小，粘結(jié)力高，力學(xué)性和耐久性也較好，如表7 所示。

表7 調(diào)整前后工作性、力學(xué)性和耐久性評(píng)價(jià)

2.5 優(yōu)化混凝土工地實(shí)踐

經(jīng)新緣隧道二襯施工驗(yàn)證，實(shí)測(cè)含氣量3.5%；容重2480kg/m3；坍落度230mm；擴(kuò)展度580mm；混凝土拌和物出機(jī)至澆筑完成用時(shí)約1.5h，拌和物不泌不滯損失可控；現(xiàn)場(chǎng)制件頂面漿體厚度0.5cm，10 天標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度46.9MPa；56 天標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度63.9MPa；對(duì)應(yīng)取芯強(qiáng)度66.2MPa。

3 結(jié)語(yǔ)

混凝土采用大砂率高含氣摻加保水增稠等錯(cuò)誤技術(shù)措施，出現(xiàn)泌水、損失大、包裹流動(dòng)差等施工困難，給工作性能帶來嚴(yán)重影響，膠材與減水劑適應(yīng)性是現(xiàn)階段技術(shù)性能調(diào)整關(guān)鍵。將砂率由41%調(diào)整至39%，粉煤灰含量由20%放寬至25%（夏季30%），外加劑根據(jù)水泥特性更改快吸附、高分散的WPJ-601 減水母液、穩(wěn)定性好的WPJ-412綜合母液復(fù)合，減弱C3A 含量高對(duì)水泥顆粒分散作用破壞，通過試驗(yàn)選取最優(yōu)因素組合以節(jié)約成本滿足二襯混凝土質(zhì)量要求。后續(xù)宜隨施工進(jìn)度每1 個(gè)月進(jìn)行隨機(jī)取芯試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化后實(shí)體勻質(zhì)性，以便多方查找問題，為后續(xù)持續(xù)優(yōu)化提供依據(jù)。