李歡歡

（上海隧道工程股份有限公司混凝土分公司，上海 200124）

0 前言

在上海地區(qū)，眾多大型隧道聯(lián)絡(luò)通道施工工藝通常采用冰凍法施工，即采取特定工藝人為對(duì)施工區(qū)域內(nèi)的土體實(shí)施冰凍，在凍土中挖掘聯(lián)絡(luò)通道，并澆筑混凝土結(jié)構(gòu)，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，再撤除冷凍設(shè)施，最終完成聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)的施工。在眾多的冰凍法施工的隧道中，由于隧道的聯(lián)絡(luò)通道的頂板與土體緊密接觸，因此混凝土施工時(shí)無法振搗，而自密實(shí)混凝土以其良好的流淌性和填充性能夠完成這一異型結(jié)構(gòu)的施工。

由于處在凍土包圍的環(huán)境中，澆筑入模的自密實(shí)混凝土一直處于負(fù)溫的條件下，水化程度和水化速度都會(huì)逐漸降低，甚至?xí)Ｖ够虮黄茐?，因此，必須考慮在負(fù)溫條件下混凝土的抗凍措施，同時(shí)仍能確保滿足其自密實(shí)的工作性能的要求。

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，冰凍土體的溫度較低（約-15℃），與空氣接觸的開挖面（即與混凝土相接觸的凍土面）上溫度約為-5℃，通常設(shè)計(jì)要求60天內(nèi)混凝土在負(fù)溫狀況下強(qiáng)度需要達(dá)到C40。本文研究時(shí)設(shè)計(jì)負(fù)溫混凝土的配制溫度為-5℃，考慮混凝土的安全溫度在-10℃。

1 試驗(yàn)用材料

（1）水泥：上海海螺明珠水泥有限責(zé)任公司，P.O42.5；

（2）復(fù)合礦物摻合料：FS（自配）；

（3）高效減水劑：FLE-2 （自配）；

（4）高效復(fù)合防凍劑：CL（自配）；

（5）砂：安徽蕪湖，中砂，細(xì)度模數(shù)2.7；

（6）碎石：舟山，自密實(shí)專用石子。

2 高強(qiáng)負(fù)溫自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度概值討論

針對(duì)工程實(shí)際要求，在本研究中除采用正確的抗凍措施確?；炷敛皇軆龊ν猓滓氖呛侠泶_定混凝土配制強(qiáng)度概值，使混凝土在負(fù)溫條件下、工程規(guī)定齡期內(nèi)能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)定值。

在冬期混凝土施工中一般用成熟度法來確定(推測)混凝土早期強(qiáng)度。為判斷所設(shè)計(jì)的混凝土配合比在長期恒負(fù)溫條件下能取得的強(qiáng)度值，本研究建立在成熟度推斷方法上進(jìn)行探討。

在冬季條件下混凝土的施工，養(yǎng)護(hù)溫度與時(shí)間是影響混凝土強(qiáng)度最重要的兩個(gè)參數(shù)。早在1951年英國學(xué)者紹耳(A.Saul)就提出，混凝土強(qiáng)度是以水的冰點(diǎn)起算的溫度與時(shí)間的乘積的單葉函數(shù)，他把溫度和時(shí)間的積稱為成熟度(度時(shí)積)，即認(rèn)為同一種配合比的混凝土，只要達(dá)到相同的成熟度(M)，就會(huì)有大致相同的強(qiáng)度。隨后有學(xué)者提出了紹耳度時(shí)積公式、阿累尼烏斯成熟度公式等。在進(jìn)一步實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，混凝土強(qiáng)度相同時(shí)，成熟度值未必相同，紹耳混凝土成熟度適應(yīng)的溫度段和強(qiáng)度段窄。為了拓寬公式的適用范圍我國學(xué)者方光秀等于2002年提出了新混凝土成熟度[1]公式，見公式（1）。

式中 M——新混凝土成熟度，℃·d；

Ti——在ti時(shí)間內(nèi)混凝土養(yǎng)護(hù)的平均溫度(℃)，適用于-10～105℃；

ki——溫度影響系數(shù)；它的含義是以20℃為基準(zhǔn)的不同溫度的影響效應(yīng)(倍數(shù))。

新成熟度公式把成熟度小于或等于840℃·d的混凝土強(qiáng)度統(tǒng)稱為早期，并提出了用成熟度預(yù)測混凝土早期強(qiáng)度的公式，見公式（2）。

式中 fcu－預(yù)測混凝土早期相對(duì)強(qiáng)度值（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d的混凝土強(qiáng)度，以百分點(diǎn)計(jì)）

設(shè)計(jì)負(fù)溫混凝土的配制溫度為-5℃，養(yǎng)護(hù)周期為60d。溫度影響系數(shù)ki查表[1]為0.27，按新成熟度公式（公式（3））計(jì)算：

由于該成熟度遠(yuǎn)小于840℃·d，可按混凝土新成熟度強(qiáng)度公式(3)推算：fcu=46.1。

由計(jì)算結(jié)果可知，在凍土環(huán)境條件下，負(fù)溫混凝土的強(qiáng)度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d的混凝土強(qiáng)度為46.1%，由于通常自密實(shí)混凝土配方采用低水膠比(≤0.42)，并摻加復(fù)合礦物摻合料，fcu推測值將會(huì)增大，故fcu取值考慮50%較為適宜。由此可算得所需混凝土配制強(qiáng)度概值約為80MPa左右。

3 高強(qiáng)負(fù)溫自密實(shí)混凝土配制技術(shù)研究

3.1 基本配合比的設(shè)計(jì)研究

由上述強(qiáng)度推算，混凝土配制強(qiáng)度概值為80MPa，屬高強(qiáng)混凝土?；炷列柰瑫r(shí)滿足高強(qiáng)、自密實(shí)和適應(yīng)負(fù)溫施工性能，初步考慮配制基本特點(diǎn)是在低用水量、低水膠比、摻加復(fù)合礦物摻合料及摻入一定量的混凝土外加劑（含減水劑、防凍劑與早強(qiáng)劑等）條件下，使新拌混凝土的流變性能符合高填充性要求，并要確保硬化混凝土在負(fù)溫條件下不受凍害，且在負(fù)溫介質(zhì)下混凝土的強(qiáng)度增長能滿足工程要求。

考慮配制強(qiáng)度概值為80MPa，根據(jù)我公司以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定混凝土水膠比為0.29。據(jù)我公司對(duì)自密實(shí)混凝土試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐認(rèn)知：配制預(yù)拌自密實(shí)混凝土的技術(shù)關(guān)鍵是解決新拌混凝土的高流動(dòng)性與高抗離析性的平衡與制約，并要確保在混凝土澆注入模前始終保持這種適宜的平衡與制約，然后在澆注入模后新拌混凝土中砂漿要迅速聚沉凝結(jié)，才能確保預(yù)拌自密實(shí)混凝土的工作質(zhì)量[2]。

對(duì)于自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)性與高抗離析性的平衡與制約這對(duì)矛盾可以用圖1表示。

由圖1可見新拌混凝土具有良好填充性的區(qū)間是在高流動(dòng)性與高抗離析性平衡點(diǎn)的附近。在這良好填充區(qū)間內(nèi)尚可分兩個(gè)區(qū)域，A區(qū)域?yàn)楦吡鲃?dòng)性略大于高抗離析性區(qū)域；B區(qū)域?yàn)楦呖闺x析性略高于高流動(dòng)性區(qū)域。對(duì)自密實(shí)混凝土的配制宜采用高抗離析性略大于高流動(dòng)性B區(qū)域的混凝土，此時(shí)用U形儀測得的△U（U型儀高度差指標(biāo)）較小。在低水膠比自密實(shí)混凝土配方設(shè)計(jì)中，膠凝材料組成、砂漿體積與混凝土外加劑用量是影響新拌混凝土高填充性的重要參數(shù)。為使新拌混凝土的塑性粘度與抗剪屈服值取得接近最佳平衡點(diǎn)，配制較合理的配方，采用正交表L9(33)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表 1 試驗(yàn)因素水平表

由正交試驗(yàn)結(jié)果可以觀察到，在所選擇的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)，由U形儀測得的△U值除6號(hào)和2號(hào)點(diǎn)外，其余的測定值均小于2mm，說明均有良好的填充性；從△U的極差R分析中發(fā)現(xiàn)A、B與C三因素未有顯著差異。但從擴(kuò)展度∮測定結(jié)果中分析，發(fā)現(xiàn)A因素（Vp），即凈漿體積是影響擴(kuò)展度的首要參數(shù)，為使新拌混凝土的工作性接近符合圖1中的B區(qū)域，即采用高抗離析性略大于高抗流動(dòng)性的混凝土，綜合分析△U與擴(kuò)展度測定結(jié)果，自密實(shí)混凝土確定采用A3B1C3配方，U型儀高差△U為0 mm，擴(kuò)展度∮為585mm，工作性能良好。故以此配方作為本項(xiàng)目的基本配合比。

3.2 抗凍技術(shù)措施的探討和抗凍臨界溫度的確定

對(duì)于混凝土的抗凍機(jī)理從60年代的冰點(diǎn)理論開始發(fā)展至今形成了多種理論。其中，臨界強(qiáng)度理論較為實(shí)用，從抗凍臨界強(qiáng)度或從抗凍臨界狀態(tài)考慮，在負(fù)溫混凝土中防凍劑是不可缺少的組分[3]。

抗凍臨界溫度可近似理解為不硬化溫度,對(duì)于不硬化溫度許多學(xué)者認(rèn)為對(duì)應(yīng)于防凍劑摻量不應(yīng)為一個(gè)定值[4]。本研究設(shè)計(jì)最低安全溫度為-10℃，采用高效復(fù)合防凍劑的混凝土工程配方能否經(jīng)受住-10℃的抗凍損傷，有必要測定其抗凍臨界溫度。由于沒有精確測定抗凍臨界溫度的試驗(yàn)條件,本研究采用的試驗(yàn)方法是：混凝土試件成型后經(jīng)過多次降溫，繪制混凝土強(qiáng)度發(fā)展曲線，出現(xiàn)強(qiáng)度下降轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度近似理解為本負(fù)溫混凝土的抗凍臨界溫度。環(huán)境溫度變化狀況如表3，相應(yīng)混凝土抗壓強(qiáng)度變化數(shù)據(jù)見表4和圖3。

表3 抗凍臨界溫度試驗(yàn)方法

表4 抗凍臨界溫度試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

由圖3 測定結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):

（1）不摻加防凍劑僅摻高效減水劑的混凝土B4，其負(fù)溫下的強(qiáng)度值遠(yuǎn)低于摻加高效復(fù)合防凍劑的混凝土B3，3d強(qiáng)度僅為3.3MPa，低于冬期施工規(guī)程規(guī)定的臨界強(qiáng)度是4～5MPa的技術(shù)要求。

（2）摻有高效復(fù)合防凍劑的混凝土B3，3d負(fù)溫強(qiáng)度為8.8 MPa,滿足冬期施工規(guī)程規(guī)定的臨界強(qiáng)度指標(biāo)。在超過臨界強(qiáng)度后轉(zhuǎn)入-10℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7d,混凝土強(qiáng)度仍能持續(xù)增長；但在轉(zhuǎn)入-15℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7d后混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)下降,表明本研究確定的工程混凝土配方,其抗凍臨界溫度概值為-10℃，能滿足工程安全環(huán)境溫度要求。

（3）在第18d開始將溫度恢復(fù)到-5℃以后，B3和B4的強(qiáng)度均有所增長，表明兩者均具有一定的抗負(fù)溫潛力。

3.3 高強(qiáng)負(fù)溫自密實(shí)混凝土配合比參數(shù)的確定

根據(jù)上述測定結(jié)果我們?cè)O(shè)計(jì)了滿足大型隧道凍土法施工聯(lián)絡(luò)通道用高強(qiáng)負(fù)溫自密實(shí)混凝土的配合比，參數(shù)如表5。

表5 高強(qiáng)負(fù)溫自密實(shí)混凝土配合比參數(shù)

由于預(yù)計(jì)環(huán)境溫度在-5℃,根據(jù)表5所確定的混凝土配方在恒負(fù)溫(-5℃)養(yǎng)護(hù)條件下，模擬強(qiáng)度測定結(jié)果見表6。

表6 聯(lián)絡(luò)通道混凝土負(fù)溫(-5℃)混凝土強(qiáng)度測定值 MPa

由表6測定結(jié)果可見，本研究采用高效復(fù)合防凍劑的技術(shù)方案是正確的。它能在負(fù)溫條件下混凝土強(qiáng)度持續(xù)增長，其60d強(qiáng)度值仍能滿足工程施工要求。

4 結(jié)語

（1）采用低水膠比、適宜復(fù)合礦物摻合料組成與高效減水劑是設(shè)計(jì)高強(qiáng)負(fù)溫自密實(shí)混凝土的基本手段；摻入復(fù)配的高效復(fù)合防凍劑有利于降低混凝土抗凍臨界溫度。

（2）在低水膠比自密實(shí)混凝土配方設(shè)計(jì)中，膠凝材料組成、砂漿體積與混凝土外加劑用量是影響新拌混凝土高填充性的重要參數(shù)。其中砂漿體積是首要參數(shù)，采用高抗離析性略大于高抗流動(dòng)性B區(qū)域的技術(shù)方案是正確的。

（3）用成熟度法來確定(推測)混凝土早期強(qiáng)度，通過判斷所設(shè)計(jì)的混凝土配合比在長期恒負(fù)溫條件下能取得的強(qiáng)度值，來確定高強(qiáng)負(fù)溫自密實(shí)混凝土配制強(qiáng)度概值是可行的。

[1]方光秀，李發(fā)千等．混凝土成熟度新論及新成熟度準(zhǔn)則應(yīng)用[J]．低溫建筑技術(shù)，2002，（2）：2-4

[2]林政，林鶯等．預(yù)拌自密實(shí)混凝土工作質(zhì)量控制技術(shù)研究[A]．“高強(qiáng)與高性能混凝土及其應(yīng)用”專題研討會(huì)論文集[C]，2002：154-160

[3]朱衛(wèi)中．負(fù)溫混凝土科學(xué)技術(shù)研究再反思[J]．低溫建筑技術(shù)，2002(3)：1-4

[4]朱衛(wèi)中，尚曉林．冬施中混凝土抗凍臨界強(qiáng)度若干概念的理解與實(shí)踐[J]．施工技術(shù)，1995(10)：30-33