郭帥，程樺，崔林釗，段寅，3

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.安徽水利開發(fā)股份有限公司，安徽 蚌埠 233010；3.淮南聯(lián)合大學 建筑工程系，安徽 淮南 232038)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，城市用地緊張以及路面交通堵塞等問題越來越突出。發(fā)展以地下軌道交通為主的大運量快速公共交通系統(tǒng)是解決上述問題的主要途徑。地鐵由于其不受氣候條件的影響和安全快捷的運輸特點，已經成為城市公共客運交通網絡中的骨干。

地鐵車站混凝土結構與地表以下土壤相接觸，受地下水及腐蝕介質侵蝕[1-2]，從而引發(fā)滲漏危及地鐵的正常運營和設備安全[3]，縮短混凝土結構的使用壽命。地鐵車站滲漏水治理難，費用高[4-5]。地鐵車站屬于地下混凝土結構，其抗?jié)B防水遵循“以防為主、剛柔結合、多道防線、因地制宜、綜合治理”的原則[6]，確立鋼筋混凝土結構自防水體系，提高混凝土的抗?jié)B防裂性能，減少其內部的界面間隙、連通孔隙[7-8]以及表面裂縫的產生，可有效阻礙地下水滲流和腐蝕介質侵蝕，提高混凝土耐久性以保障其使用壽命。

粉煤灰、礦粉等礦物摻合料具有火山灰效應、微集料效應和微晶核效應[9-11]，通過在混凝土中單摻或復摻粉煤灰、礦粉等礦物摻合料取代水泥用量，可以有效降低混凝土的絕熱溫升與干縮變形，減少溫度裂縫[12-13]；結構縫是地下混凝土工程防水薄弱環(huán)節(jié)，通過在混凝土中摻加適量膨脹劑，可有效補償混凝土收縮，延長結構縫的間距，減少自收縮裂縫[14-16]；混凝土中摻入纖維素纖維可有效減少初始裂縫數量，抑制裂縫的寬度和長度，降低電通量、氯離子通量、滲透系數等，顯著提高混凝土的抗裂性能和抗?jié)B性能[17-19]。目前，針對混凝土中混摻粉煤灰、礦粉、膨脹劑、纖維素纖維的各組分對其物理力學性能、耐久性影響以及抗?jié)B防水機理分析的研究較少，本文以合肥軌道交通4號線為工程背景，將各組分混摻，通過正交試驗，研究其各組分對混凝土力學性能的影響，優(yōu)化混凝土配合比，并結合低場核磁共振試驗數據，分析混凝土孔隙微觀結構機理，從而得出一種適應于地下大體積連續(xù)澆筑且抗?jié)B防水性能優(yōu)越的混凝土配合比，為工程實際提供參考。

1 工程概況及設計要求

長寧大道位于望江西路和長寧大道交叉口，為合肥軌道交通4、7號線“T”形換乘站。4號線長寧大道站位于望江西路南側，為14 m島式站臺車站，標準段寬度為22.7 m，標準段底板埋深約為16.9 m，車站主體為雙層三跨鋼筋混凝土箱型框架結構；7號線長寧大道站為14 m島式站臺車站，標準段寬度為23.1 m標準段底板埋深約為25.3 m，車站主體為三層三跨鋼筋混凝土箱型框架結構。

圖1 工程概況

2 原材料選擇及混凝土配合比正交設計

2.1 原材料選擇

(1)水：自來水。

(2)水泥：海螺牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，其28 d抗壓強度為52.3 MPa，化學組分見表1。

(3)細骨料：優(yōu)質河沙，含泥量少、無堿活性、級配佳，細度模數為2.73的中砂。

(4)粗骨料：含泥量少、無堿活性的5～20 mm連續(xù)級配反擊破石灰?guī)r碎石。

(5)外加劑：m2減水劑：江蘇蘇博特PCA?-I聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%～30%，其品質符合現行業(yè)標準要求；m2膨脹劑：合肥廬江創(chuàng)科牌膨脹劑，由鋁酸鈣、硫酸鋁鈣、氧化鎂、氧化鈣四種膨脹組分研磨而成，其限制膨脹率水中7 d大于等于0.025%，水中28 d小于等于0.1%，空氣中21 d大于等于-0.02%，化學組分見表1。

(6)礦物摻合料：m2淮南平圩電廠Ⅱ級粉煤灰，需水量比為98.7%，化學組分見表1合肥清雅S95礦粉，7 d活性指數77%，28 d活性指數97%，化學組分見表1。

(7)纖維：武漢鼎強牌纖維素纖維，性能指標見表2。

2.2 抗?jié)B防水混凝土正交試驗設計

根據長寧大道站工程概況、設計要求以及地下混凝土工程的特殊性，試驗采用膠凝材料總質量為380 Kg/m3，水膠比0.35，砂率40%，減水劑用量為膠凝材料和膨脹劑質量之和的0.8%。試驗正交配合比設計將粉煤灰與礦粉內摻取代膠凝材料質量的10%、15%、20%三個水平。膨脹劑外摻取代膠凝材料質量的4%、6%、8%三個水平。纖維素纖維體積摻量設置0.9 Kg/m3、1.2 Kg/m3和1.5 Kg/m3三個水平。以上為“四因素三水平”正交試驗方案，因素-水平表見表3，試驗基準組配合比和正交設計配合比見表4。

表3 因素水平表

3 試驗方法與內容

3.1 基本力學性能

抗?jié)B防水混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度測試采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的非標準立方體試塊，抗壓強度乘以尺寸換算系數0.95，劈裂抗拉強度乘以尺寸換算系數0.85，每3個試塊為一組。試樣養(yǎng)護溫度20±2℃，濕度97%的養(yǎng)護箱內養(yǎng)護至規(guī)定齡期。試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)在 CSSYAW3000電液伺服壓力試驗機上進行。

3.2 限制膨脹率

限制膨脹率測試采用的縱向限制器長度355 mm，鋼筋直徑為10 mm，配筋率為0.79%，其中試塊尺寸為100 mm×100 mm×300 mm長條形試塊，每3個試塊為一組。試樣1～14 d為水養(yǎng)，水養(yǎng)溫度20±2℃，14 d后轉入溫度20±2℃，濕度65%的養(yǎng)護箱進行干空養(yǎng)護。試驗參照《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》(GB 50119-2013)在ISOBY-354比長儀上進行。

表1 原材料化學組份(%)

表2 纖維素纖維性能指標

表4 混凝土配合比設計 (kg/m3)

3.3 孔隙結構

采用江蘇紐邁公司的低場核磁共振試驗平臺(見圖2)測試混凝土孔隙結構。采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊取芯直徑為50 mm，切除混凝土芯樣兩端并打磨至100 mm。試樣養(yǎng)護溫度20±2℃，濕度97%的養(yǎng)護箱內養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

圖2 低場核磁共振試驗裝置

3.4 抗?jié)B性能

混凝土相對滲透系數測試采用尺寸為上底直徑175 mm、下底直徑185 mm、高150 mm的圓臺試塊，每6個試塊為一組。試樣養(yǎng)護溫度20±2℃，濕度97%的養(yǎng)護箱內養(yǎng)護至規(guī)定齡期。試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 5008-2009)在HP-4.0型數顯自動調壓混凝土抗?jié)B儀上進行。

4 結果分析

4.1 抗壓與抗拉強度

抗壓強度與劈裂抗拉強度是混凝土兩項最基本的力學性能，因此本試驗針對表4設計的正交配合比進行澆筑以及測試28 d抗壓強度和28 d劈裂抗拉強度，試驗結果見表5。

根據表5試驗結果對試樣的28 d抗壓強度和28 d劈裂抗拉強度進行極差分析，結果如表6所示，分析各因素對混凝土28 d抗壓強度以及28 d劈裂抗拉強度的影響，從而為抗?jié)B防水混凝土配合比進行優(yōu)化設計。

表5 試驗結果

表6 極差分析

為了直觀分析各因素在不同水平對試驗指標的影響趨勢，繪制如圖3所示的四因素三水平指標趨勢圖。

圖3 四因素三水平指標趨勢圖

圖3(a)為各因素對28 d抗壓強度K值的影響趨勢圖，可以看出四因素均在2水平時28 d抗壓強度最大，且四因素28 d抗壓強度K值影響均表現出隨著摻量的增加先增大后減小的趨勢，其中纖維素纖維28 d抗壓強度K值變化趨勢平緩，由此得知纖維素纖維對混凝土的抗壓強度影響較小。與基準組28 d抗壓強度相比，粉煤灰、礦粉在10%～20%的合理摻量范圍內，混凝土28 d抗壓強度增加，并由表6知，膨脹劑28 d抗壓強度極差最大，由此得出當摻入8%的膨脹劑時，會降低混凝土28 d的抗壓強度。

圖3(b)為各因素對28 d劈裂抗拉強度K值的影響趨勢圖，從圖中可以看出粉煤灰、礦粉、膨脹劑28 d劈裂抗拉強度K值變化趨勢平緩，而隨著纖維素纖維摻量的增加28 d劈裂抗拉強度K值逐漸增大，并結合表6知，纖維素纖維28 d劈裂抗拉強度極差最大。由此可以得知當纖維素纖維在0.9～1.5 kg/m3摻量范圍內，隨著纖維素纖維摻量的增加，混凝土28 d的劈裂抗拉強度增大。

根據圖3(a)和圖3(b)，比較同一因素下K值大小，能夠得到28 d抗壓強度最優(yōu)水平為A2B2C2D2，28 d劈裂抗拉強度最優(yōu)水平為A2B3C2D3。以此為基礎，再結合基準組配合比，進一步優(yōu)化抗?jié)B防水混凝土配合比，配合比見表7。針對表7配合比進行澆筑以及測試28 d抗壓強度、28 d劈裂抗拉強度、相對滲透系數、限制膨脹率以及混凝土孔隙結構，其試驗結果見表8、圖4、圖5和表9。

表7 混凝土配合比 (kg/m3)

表8 力學性能與抗?jié)B性

4.2 限制膨脹率

由圖4可知，三組試樣的水養(yǎng)限制膨脹率在1～14 d均表現為先增大后趨于穩(wěn)定并達到最大值，1～7 d增長迅速，7～14 d增加緩慢并逐漸趨于平穩(wěn)，1#基準組膨脹源主要為吸水膨脹，吸水膨脹主要發(fā)生在前7 d，由于11#、12#試樣摻入6%的膨脹劑，1～7 d限制膨脹率增長速度高于01#基準組，而在7～14 d增加緩慢并逐漸趨于平穩(wěn)，11#、12#的限制膨脹率最大值為0.048%、0.046%；14 d后轉入溫度20±2℃，濕度65%的養(yǎng)護箱進行干空養(yǎng)護，三組試樣失水收縮導致14～21 d限制膨脹率均迅速減小，21～28 d變化緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定，01#基準組試樣在19 d開始出現收縮，由此可知01#基準組混凝土干縮量較大極易產生收縮裂縫，而11#、12#在28 d時仍保持膨脹狀態(tài)，其限制膨脹率為0.016%、0.011%，均滿足混凝土補償收縮。

圖4 限制膨脹率與齡期關系

圖5 馳豫時間T2譜分布

表9 低場核磁共振T2譜面積

4.3 孔隙特征與滲透系數

通過分析低場核磁共振T2弛豫時間來獲取孔隙系統(tǒng)中微小孔、中孔、大孔及裂隙的分布情況、連通性參數[20]，其中結合水是與C-S-H凝膠材料發(fā)生化學結合的水，橫向弛豫時間T2約為10 μs；凝膠水是指在凝膠孔隙中的水，是C-S-H膠凝的組成部分，由于其與凝膠孔壁的強烈作用，T2在0.5～1 ms之間；毛細孔水的弛豫時間在5～10 ms[21]。

由表8知01#、11#和12#試樣相對滲透系數分別為 1.377×10-7cm/h、0.937×10-7cm/h、0.799×10-7cm/h，11#、12#試樣相對滲透系數比01#基準組降低32%、42%。由圖5和表9知，三組混凝土試樣T2譜的譜峰均為三峰結構，譜峰由左到右分別分布在0.1～1 ms、15 ms以及1000 ms左右處，依次對應混凝土內部小孔隙、中孔隙、大孔隙的分布情況。其中主峰均分布在小孔隙處，其余兩個譜峰面積均較小，表明試樣內部孔隙特征均以小孔隙為主，中孔隙與大孔隙則較少，其中11#、12#試樣混凝土的小孔隙面積相對于01#基準組的減少52%左右，中孔隙與大孔隙變化相對較小，表明01#基準組小孔隙之間的連通性比11#、12#試樣好，因此11#、12#的相對滲透系數比01#基準組低。11#與12#試樣譜峰總面積相差較小，其中第一譜峰面積基本相等，但12#試樣第二、第三譜峰面積比11#相應的第二、第三譜峰面積減小，由此可知12#試樣中孔隙和大孔隙的數量比11#少，而中、大孔隙對水流束縛性較小，因此12#相對滲透系數比11#低。01#、11#和12#的孔隙度分別為3.64%、1.63%、1.46%，11#、12#的孔隙度比01#基準組降低55%、60%。

出現上述結果差異的原因是由于粉煤灰、礦粉顆粒尺寸多為幾微米至幾十微米的玻璃滾珠，粉煤灰、礦粉的粒度比水泥顆粒小，且具有火山灰、微集料和微晶核效應，使其能夠充分填充水泥顆粒的孔隙，改善孔隙結構，構成最密堆積，有利于混凝土強度的發(fā)展，提高混凝土的抗?jié)B性能；纖維素纖維的空腔結構以及親水性，為膠凝材料的水化提供水分，起到內養(yǎng)護作用，促使其充分水化反應，提高混凝土的密實度，并且有利于抑制混凝土裂隙的產生與發(fā)展，從而使混凝土內水分遷移困難，提高混凝土的抗?jié)B性；膨脹劑的摻入能夠有效補償混凝土的收縮，抑制自收縮裂縫的產生，提高混凝土的密實度。由此得知適量的摻入粉煤灰、礦粉、膨脹劑以及纖維素纖維可有效降低混凝土的相對滲透系數，減少混凝土的小孔隙面積，提高混凝土的密實度。

4.4 最佳配合比確定

由圖4可知，11#、12#試樣的限制膨脹率均滿足混凝土補償收縮。由表8知，通過混凝土相對滲透系數與抗?jié)B等級換算[22]，三組混凝土均滿足工程P8抗?jié)B等級要求。由表9可知，11#、12#試樣的小孔隙面積相比01#基準組減少52%左右，孔隙度降低55%、60%。結合圖4、表8和表9綜合分析，11#試樣抗壓強度比12#試樣高，但隨著12#試樣比11#試樣纖維素纖維摻量的增加對混凝土的劈裂抗拉強度、小孔隙面積、孔隙度和相對滲透系數影響均較小，因此建議地下抗?jié)B防水混凝土配合比為水泥：粉煤灰：礦粉：膨脹劑：砂：石子：水：纖維素纖維：減水劑=1：0.214：0.214：0.086：2.749：4.123：0.636：0.005：0.012，相對于基準組 28d抗壓強度提高17%，28 d劈裂抗拉強度提高14.6%，小孔隙面積減少52.5%，孔隙度降低55%，相對滲透系數降低32%。

5 結論

(1)膠凝材料質量為380 Kg/m3，粉煤灰、礦粉在10%～20%內摻量時會提高混凝土的28 d抗壓強度；當膨脹劑的外摻量為8%時，降低混凝土28 d抗壓強度。

(2)當纖維素纖維的摻量在0.9～1.5 Kg/m3范圍內，隨著摻量的增加對混凝土28 d抗壓強度影響較小，但對混凝土28 d的劈裂抗拉強度增加顯著。

(3)分析低場核磁共振T2弛豫時間來獲取孔隙系統(tǒng)中微小孔、中孔、大孔及裂隙的分布情況、連通性參數，得出摻入粉煤灰、礦粉、膨脹劑、纖維素纖維11#相比01#基準組小孔隙面積減少52.5%，中孔隙與大孔隙變化相對較小，孔隙度降低55%。

(4)建議抗?jié)B防水混凝土配合比為：水泥：粉煤灰：礦粉：膨脹劑：砂：石子：水：纖維素纖維：減水劑=1：0.214：0.214：0.086：2.749：4.123：0.636：0.005：0.012，試驗結果相對于基準組28 d抗壓強度提高17%，28 d劈裂抗拉強度提高14.6%，相對滲透系數降低32%。