董獻國

預(yù)制盾構(gòu)管片混凝土配合比的優(yōu)化及應(yīng)用

董獻國

一、引言

預(yù)制盾構(gòu)是一種使用機械潛挖隧道的新型施工方法，具有進度快、作業(yè)安全、防水性能好、地表沉降小等優(yōu)點，是修建越河跨江隧道和城市地鐵的主要施工方法。管片是盾構(gòu)工程中最重要和最關(guān)鍵的鋼筋混凝土構(gòu)件，采用蒸汽養(yǎng)護工藝生產(chǎn)，管片性能的優(yōu)劣對盾構(gòu)隧道工程質(zhì)量和服役壽命具有決定性的影響?；炷猎谡羝B(yǎng)護過程中尤其是升溫過程，其內(nèi)部的氣相和液相受熱膨脹，對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力作用，同時水、氣發(fā)生轉(zhuǎn)移可能造成混凝土中定向孔隙，這些作用可能會降低管片混凝土的力學(xué)性能和耐久性。因此本文采用最緊密堆積理論進行管片混凝土配合比設(shè)計，并對管片蒸養(yǎng)混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性能、抗氯離子侵蝕性能等耐久性能進行試驗研究。

二、原材料與試驗方法

1.原材料

水泥：巢湖鐵鵬PO52.5水泥，安定性合格，3d抗折、抗壓強度分別為6.1MPa、29.2MPa，28d 抗折、抗壓強度分別為9.6MPa、55.6MPa。粉煤灰：淮南平圩Ⅰ級粉煤灰，細度為11.0%，需水量比為93%，燒失量為4%。砂：江西贛江河砂，細度模數(shù)為2.8，含泥量0.2%，泥塊含量0.1%。石：安徽巢湖碎石，大石和小石按質(zhì)量比7∶3混合后為連續(xù)粒級5～25mm，含泥量為0.1%，泥塊含量為0%。外加劑：山西黃騰化工有限公司產(chǎn)HT-HPC聚羧酸高性能減水劑，外摻1.0%。

2.試驗方法

力學(xué)性能試驗方法按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》測試混凝土的抗壓強度，其中抗壓強度采用150mm×150mm×l50mm立方體試件，抗?jié)B性能按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行試驗，氯離子擴散系數(shù)按GB/T50082-2009中RCM法進行檢測。

3.試件的制備及蒸汽養(yǎng)護制度

混凝土由強制式攪拌機拌合，攪拌時間為4min，試件振動成型的時間為1 min。由于靜停時間、升溫速度、恒溫時間及溫度、降溫速度對膠凝材料水化和混凝土性能的影響比較復(fù)雜，蒸養(yǎng)過程均采用統(tǒng)一的蒸養(yǎng)制度，蒸養(yǎng)制度為：25℃靜停4h，升溫3h至55℃（確?；炷林行臏囟炔桓哂?5℃），恒溫6h，降溫3h，溫度降至25℃。蒸養(yǎng)完畢立即脫模，測量其抗壓強度，28d抗壓強度測試為蒸養(yǎng)結(jié)束后拆模標(biāo)養(yǎng)至相應(yīng)齡期。

三、C50預(yù)制管片混凝土的優(yōu)化配制

1.試驗設(shè)計

本試驗混凝土配合比設(shè)計要求C50W12F200，計算采用最緊密堆積理論，控制坍落度50～90cm，采用 L9（34）正交表安排試驗，考慮水膠比、粉煤灰摻量、外加劑摻量對蒸汽養(yǎng)護混凝土性能的影響，考核指標(biāo)如下：混凝土拌合物的性能；16h蒸養(yǎng)混凝土抗壓強度；蒸養(yǎng)轉(zhuǎn)標(biāo)養(yǎng)至28d齡期時混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。

2.預(yù)制管片混凝土配合比優(yōu)化

通過水膠比的調(diào)整滿足混凝土抗?jié)B、耐久性等要求，通過調(diào)整粉煤灰和外加劑的摻量可以使混凝土拌合物工作性滿足施工要求。采用正交試驗進行配合比優(yōu)化，能客觀地反映各主要因素對混凝土性能的影響規(guī)律，減少試驗次數(shù)，縮短優(yōu)化時間。

表1 影響因素水平表

表2 試驗方案及結(jié)果分析表

表3 正交試驗結(jié)果極差分析

表4 C50預(yù)制管片混凝土配合比試驗結(jié)果

（1）正交試驗考核指標(biāo)、影響因素和因素水平

①考核指標(biāo)

將混凝土拌合物工作性指標(biāo)（定量指標(biāo)為初始坍落度，定性指標(biāo)為拌合物的和易性）和混凝土抗壓強度（蒸汽養(yǎng)護后的抗壓強度及蒸養(yǎng)脫模后標(biāo)養(yǎng)至28d的抗壓強度）作為正交試驗考核指標(biāo)。

②影響因素和各因素水平

將水膠比、粉煤灰摻量、聚羧酸減水劑摻量作為影響因素，見表1。

（2）正交試驗

試驗結(jié)果如表2所示，共9組試驗，分別測定9種試驗的初始坍落度和16h蒸汽養(yǎng)護后抗壓強度及蒸養(yǎng)脫模后轉(zhuǎn)標(biāo)養(yǎng)28d的抗壓強度。

（3）試驗結(jié)果分析

C50預(yù)制管片混凝土正交試驗結(jié)果的極差分析如表3所示。利用綜合平衡法進行分析：

①C50預(yù)制管片坍落度要求50～90mm，因此P3首先排除，由表3可知，4個因素對混凝土拌合物初始坍落度的影響順序為：高效減水劑C>粉煤灰摻量B>水膠比A，好的因素組合為A1B2C2。

②混凝土16h蒸養(yǎng)強度：提高混凝土16h蒸養(yǎng)強度，可加快施工進度。由表3可知，4個因素對混凝土16h蒸養(yǎng)強度的影響順序為：水膠比A>粉煤灰摻量B>高效減水劑C，好的因素組合為A1B3C1。

③混凝土28d強度：混凝土28d抗壓強度應(yīng)滿足配制強度59.8MPa的要求，由表3可知，4個因素對28d抗壓強度的影響順序為：水膠比A>粉煤灰摻量B>高效減水劑C，好的因素組合為A1B3C1。

綜合以上試驗結(jié)果，滿足條件的有4組混凝土，試驗編號分別為P1、P2、P5、P6，故最優(yōu)組合為A1B3C1。由表2可知，粉煤灰摻量為15%時，混凝土16h蒸養(yǎng)強度比其余兩種摻量的混凝土強度高，這是由于當(dāng)粉煤灰摻入后，因為其顆粒較細，從而起密實填充作用，能夠提高混凝土的密實度，在蒸養(yǎng)條件下，粉煤灰的火山灰效應(yīng)更容易得到發(fā)揮，在整個水化過程中生成類似托勃莫來石凝膠，使混凝土更加密實，從而提高了混凝土的早期力學(xué)性能。

四、C50預(yù)制管片混凝土配合比試驗結(jié)果及分析

對編號P3的配合比進行混凝土其他方面的性能檢測，結(jié)果表明均滿足設(shè)計要求，部分指標(biāo)超過設(shè)計要求。檢測結(jié)果見表4。

試驗結(jié)果中混凝土的抗?jié)B等級達到了P14，這是由于當(dāng)粉煤灰大量摻入時，粉煤灰中粒徑很小的微珠和碎屑，在水泥石中相當(dāng)于未水化的水泥顆粒，極細小的微珠相當(dāng)于活潑的納米材料，能明顯改善和增強混凝土及制品的結(jié)構(gòu)強度，提高勻質(zhì)性和致密性，從而提高了混凝土的抗?jié)B等級。同時，由于粉煤灰含有較高的氧化鋁和氧化鐵，可與氯離子發(fā)生反應(yīng)，起到化學(xué)吸附作用，能夠降低孔隙率，提高混凝土密實性，降低氯離子在混凝土中的滲透速度，提高混凝土抗氯離子擴散性能。

五、結(jié)論

工程中實際使用時，根據(jù)現(xiàn)場原材料情況對P2配合比進行微調(diào)后，已大規(guī)模進行生產(chǎn)，其管片混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性能、耐久性能等技術(shù)指標(biāo)均能符合設(shè)計要求，同時在配合比摻入了15%的粉煤灰，產(chǎn)生了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益

安徽省合肥工業(yè)大學(xué) 230001）