劉汝華，孫淼，施一春，2

（1.寧波富邦公路工程建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315613；2.寧波富邦基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，浙江 寧波 315613）

0 引言

近年來由于天然砂資源緊張、價(jià)格水漲船高[1]。而機(jī)制砂資源豐富、經(jīng)濟(jì)性明顯，我國在限制天然砂過度開采的同時(shí)，也積極促進(jìn)機(jī)制砂的推廣應(yīng)用。因此，機(jī)制砂替代天然砂已成為必然趨勢。劉曉凡等[2]研究提出隧道洞渣石粉含量從7.3%增至18.6%，混凝土拌合物流動(dòng)性降低超過11.4%，3 d、28 d 抗壓強(qiáng)度和28 d 電通量均有提高。黃志剛等[3]研究指出機(jī)制砂中的針片狀含量及粒徑的增大，混凝土的流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能均降低，其對(duì)抗折強(qiáng)度的影響程度遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度。傅蕾等[4]研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂混凝土的收縮率比河砂的要高，并且隨著混凝土的強(qiáng)度水平的提升，收縮率也會(huì)相應(yīng)上升。于本田等[5]在機(jī)制砂混凝土早期收縮、抗裂及力學(xué)性能測試中發(fā)現(xiàn)，添加SAP 和PVA 纖維可以有效地降低早期收縮，其中SAP 的效果達(dá)到93%，PVA 的纖維則有助于減少早期開裂，其中，添加SAP 和PVA 的混合物可以有效改善混凝土的力學(xué)特性，但是添加膨脹劑和減縮劑則會(huì)導(dǎo)致混凝土的力學(xué)特性下降。徐延等[6]研究提出石粉含量在10%左右，混凝土力學(xué)性能和抗氯離子滲透性較好，過多會(huì)使混凝土塑性開裂敏感性提高。張凌強(qiáng)等[7]的研究表明，隨著石粉含量的增加，混凝土的早期干縮會(huì)變得更加明顯，而當(dāng)石粉含量達(dá)到7%時(shí)，其干縮程度最高。鄭曉冬等[8]采用花崗巖洞渣生產(chǎn)的機(jī)制砂石骨料配制一種具有優(yōu)良工作性、力學(xué)性能和耐久性的T 梁用C50 混凝土，其剛度、強(qiáng)度和抗裂性均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。孫勝偉[9]研究指出C30 機(jī)制砂混凝土的石粉含量宜在10%～15%，C50 宜在7%～10%，但在該范圍內(nèi)能提高C30 混凝土耐久性，而對(duì)C50 混凝土耐久性影響不大。

本文基于上述研究成果，結(jié)合寧波某明挖海底隧道項(xiàng)目特點(diǎn)，依據(jù)就近取材的原則，有效利用工程隧道洞渣制備機(jī)制砂，開展濱海圍墾區(qū)暗埋隧道機(jī)制砂海工混凝土應(yīng)用及裂縫控制技術(shù)研究，本項(xiàng)目為國內(nèi)首次采用機(jī)制砂配制高性能大斷面防裂暗埋箱體。通過配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化、混凝土結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和工程應(yīng)用溫度監(jiān)控及抗裂效果評(píng)價(jià)，研究提出一種低水化熱高抗裂機(jī)制砂海工混凝土配制及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，解決在不依靠冷卻水管降溫的條件下機(jī)制砂混凝土自身水化熱高、抗裂性低的問題，為機(jī)制砂混凝土的應(yīng)用與發(fā)展提供重要支撐。

1 原材料

1.1 水泥

水泥為寧海強(qiáng)蛟海螺產(chǎn)的P·II52.5 水泥，其主要性能見表1。

表1 水泥的主要性能Table 1 Main performance of cement

1.2 礦物摻合料

粉煤灰為浙江某電廠產(chǎn)的F 類I 級(jí)粉煤灰，細(xì)度7.1%，燒失量3.0%；礦粉為張家港恒昌產(chǎn)的S95 級(jí)礦粉，密度2.9 g/cm3，比表面積400 m2/kg，28 d 活性指數(shù)97%。

1.3 集料

粗細(xì)集料均為本項(xiàng)目海底隧道洞渣自產(chǎn)的，粗集料為5～25 mm 連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)集料為細(xì)度模數(shù)2.8 的Ⅱ區(qū)中砂，粗、細(xì)集料的主要性能如表2 所示。

1.4 功能材料

減水劑為寧波某公司的復(fù)合型高性能減水劑，減水率為26.2%；膨脹劑為寧波某公司的HEA 型膨脹劑，膨脹劑的主要性能如表3 所示。聚丙烯纖維為無錫某公司生產(chǎn)的長度為12 mm、當(dāng)量直徑為34.2 μm 的聚丙烯纖維；混凝土拌合用水采用潔凈自來水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

表3 膨脹劑的主要性能Table 3 Main performance of expansion agent

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

隧道主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為雙向6 車道箱體設(shè)計(jì)，其中暗埋箱體底板厚1.2 m、側(cè)墻厚1.1 m、頂板厚1.1 m，屬于狹長的大體積結(jié)構(gòu)，采取分段澆筑，在新老混凝土界面約束作用下易產(chǎn)生較大應(yīng)力使混凝土開裂，且結(jié)構(gòu)內(nèi)部無法布置冷卻水管降溫，這對(duì)混凝土本身的抗裂性提出了更高要求。箱體結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)為C50 機(jī)制砂海工混凝土，坍落度要求（180±20）mm，28 d 抗壓強(qiáng)度≥59.87 MPa，84 d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)＜2.0×10-12m2/s，抗?jié)B等級(jí)≥P10。

圖1 隧道箱體截面圖Fig.1 Cross-sectional view of tunnel box

針對(duì)該大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在保證混凝土施工性能和強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能使用大摻量礦物摻合料，大幅降低膠凝材料的水化熱，盡量降低漿體比，從而降低其水化熱，同時(shí)也有利于提高體積穩(wěn)定性和抗裂性；利用膨脹劑的微膨脹應(yīng)力來抵消混凝土的收縮應(yīng)力，并適量添加聚丙烯纖維來增強(qiáng)其抗裂性。

2.2 基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)

以水膠比0.34 的膠砂作為研究對(duì)象，改變膠凝材料中水泥、礦粉、粉煤灰和膨脹劑的質(zhì)量比例，測試其28 d 抗壓強(qiáng)度、絕熱溫升[2]依據(jù)JTS/T 236—2019《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)檢測技術(shù)規(guī)范》采用混凝土絕熱溫升測定儀（A-142）進(jìn)行檢測，結(jié)果如表4 所示。

表4 不同膠凝體系膠砂強(qiáng)度和絕熱溫升測試結(jié)果Table 4 Test results of mortar strength and adiabatic temperature rise of different gelling systems

可以看出，隨著礦物摻合料比例的增加，28 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，絕熱溫升也在降低，這主要是因?yàn)榈V物摻合料的水化活性較水泥低，其摻量越高，水化程度越低，水化熱也越低，但同時(shí)強(qiáng)度也會(huì)降低。因此，兼顧考慮強(qiáng)度和絕熱溫升，宜選擇J4 組即水泥∶礦粉∶粉煤灰∶膨脹劑=0.55∶0.2∶0.15∶0.1 的膠凝體系進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。

基于上述研究結(jié)果，選用JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》作為機(jī)制砂海工混凝土配合比的設(shè)計(jì)依據(jù)，經(jīng)理論計(jì)算與初步試驗(yàn)，選取如表5 所示的基準(zhǔn)配合比。

表5 基準(zhǔn)配合比Table 5 Base mix ratio

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)混凝土拌合物的坍落度、擴(kuò)展度、表觀密度和含氣量進(jìn)行測試，并對(duì)其氯離子擴(kuò)散系數(shù)和抗?jié)B等級(jí)進(jìn)行測試；對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和溫度監(jiān)測，均可參照GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》。

3.1 水膠比對(duì)混凝土性能的影響

試驗(yàn)在基準(zhǔn)配合比的條件下，保持漿體比為34.5%，砂率為45%，研究水膠比變化對(duì)混凝土性能的影響，具體試驗(yàn)配合比如表6 所示，結(jié)果如表7 所示。

表6 不同水膠比試驗(yàn)配合比Table 6 Different water-cement ratio test mix ratio

表7 不同水膠比混凝土性能Table 7 Properties of concrete with different water-cement ratios

由表7 分析可知，不同水膠比的混凝土雖流動(dòng)性良好但包裹性欠佳，且水膠比為0.36 時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度不足，這主要是因?yàn)樯奥势?，混凝土中砂漿量不足，對(duì)碎石的包裹性差，且水膠比增加，混凝土密實(shí)度降低，強(qiáng)度降低。因此，在保證強(qiáng)度的前提下，宜選擇水膠比為0.32。

3.2 砂率對(duì)混凝土性能的影響

試驗(yàn)在保持漿體比為34.5%和水膠比為0.32的條件下，研究了砂率變化對(duì)混凝土性能的影響，試驗(yàn)配合比見表8，結(jié)果見表9。

表8 不同砂率試驗(yàn)配合比Table 8 Different sand rate test mix ratio

表9 不同砂率混凝土性能Table 9 Properties of concrete with different sand rates

由表9 可知，隨著砂率的增加，混凝土包裹性變好，強(qiáng)度略有降低，但也都符合設(shè)計(jì)要求，這主要是因?yàn)樯奥侍岣?，混凝土中砂漿量增多，對(duì)碎石的包裹性好。因此，考慮到強(qiáng)度的富余，宜選擇砂率為48%。

3.3 漿體比對(duì)混凝土性能的影響

試驗(yàn)在保持砂率為48%和水膠比為0.32 的條件下，研究了漿體比變化對(duì)混凝土性能的影響，具體試驗(yàn)配合比見表10，結(jié)果見表11。

表10 不同漿體比試驗(yàn)配合比Table 10 Different slurry ratio test mix ratio

表11 不同漿體比混凝土性能Table 11 Properties of concrete with different slurry ratios

由表11可知，漿體比的降低對(duì)混凝土流動(dòng)性和包裹性影響不大，但對(duì)其強(qiáng)度影響較大，這主要是因?yàn)?，漿體比降低，膠凝材料總量減少，水化產(chǎn)物減少，膠結(jié)性和密實(shí)度降低，強(qiáng)度也隨之降低，但考慮到漿體比降低有利于混凝土體積穩(wěn)定性提升和降低收縮，因此，宜選擇漿體比為33%。

3.4 耐久性研究

圖2 為D6 組混凝土早期收縮形變量隨齡期的變化曲線，依據(jù)JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的（非接觸法）測定混凝土的早期收縮（近年來，由于水泥混凝土品種增多以及礦物摻合料、外加劑等的廣泛使用，導(dǎo)致混凝土早期收縮明顯增大，采用接觸法無法反應(yīng)早齡期（3 d 之內(nèi)）混凝土的體積變形性能，而非接觸法一般只用于混凝土的早齡期收縮測試）?？梢钥闯觯S著混凝土齡期的增長，1～7 d 的形變量增長幅度最大，而7～28 d 則先略有增長并基本保持不變后逐漸減少，其中7 d 形變量為175 με，28 d形變量為167 με，差值僅8 με，說明該配合比早期體積穩(wěn)定性好。此外，經(jīng)檢驗(yàn)，該配合比84 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為1.8×10-12m2/s，抗?jié)B等級(jí)為P12，也都符合設(shè)計(jì)要求。綜上，優(yōu)選D6 組混凝土配合比為機(jī)制砂海工混凝土最優(yōu)配合比。

圖2 混凝土早期收縮形變量隨齡期的變化曲線Fig.2 Concrete early shrinkage deformation curve with age

3.5 結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

隧道箱體斷面尺寸33.6 m×9.35 m，分為底板、側(cè)墻、頂板三次澆筑，根據(jù)實(shí)際施工情況，取最不利工況隧道兩端受約束（跳艙施工中間節(jié)段）工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)取彈模為2.2×104MPa，箱體側(cè)面計(jì)算取表面散熱系數(shù)50 kJ/（m2·h·℃），墊層底部散熱系數(shù)10 kJ/（m2·h·℃）；溫度及溫度應(yīng)力計(jì)算從混凝土澆筑開始，模擬之后28 d 的溫度應(yīng)力發(fā)展；混凝土澆筑按最不利工況考慮，澆筑溫度按35 ℃計(jì)算，環(huán)境溫度按（30±3）℃計(jì)算。箱體標(biāo)準(zhǔn)長度按15 m、20 m、25 m 三種工況分別計(jì)算。在以上設(shè)定條件下，箱體內(nèi)部最高溫度約73.3 ℃，溫峰出現(xiàn)時(shí)間約為澆筑后第2～3 天。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表12。

表12 箱體溫度應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果Table 12 Calculation results of box temperature stress field

由表12 可知，不同工況下混凝土內(nèi)部最高溫度差異不大，這主要是因?yàn)閮?nèi)部最高溫度取決于結(jié)構(gòu)最小厚度，而各結(jié)構(gòu)部位厚度基本相當(dāng)；各結(jié)構(gòu)部位各齡期混凝土安全系數(shù)均大于1.2，但最小抗裂安全系數(shù)小于1.4，安全系數(shù)偏小；綜上，按15 m 分段澆筑工況計(jì)算，各齡期結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)均＞1.4；20 m 分段底板側(cè)墻最小安全系數(shù)＞1.4，頂板為1.39，與1.4 接近，控裂保障率接近85%；25 m 分段頂板、底板最小安全系數(shù)均＜1.4，控裂保障率不足。因此，箱體施工宜選擇15 m 或20 m 分段澆筑。

4 工程應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)段概況

選取5 個(gè)節(jié)段的側(cè)墻為試驗(yàn)段，每節(jié)段長約20 m，全長約100 m，以D6 組混凝土配合比作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)5 個(gè)試驗(yàn)段的混凝土溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表13，總體上，混凝土內(nèi)部最高溫度、內(nèi)表溫差和降溫速率等基本符合溫控標(biāo)準(zhǔn)要求。

表13 5 節(jié)段側(cè)墻溫度監(jiān)測結(jié)果Table 13 5 section sidewall temperature monitoring results

4.2 抗裂效果評(píng)價(jià)

從混凝土澆筑起至結(jié)構(gòu)成型1 a 時(shí)間內(nèi)，對(duì)1—5 節(jié)段側(cè)墻溫度裂縫產(chǎn)生及擴(kuò)展情況進(jìn)行全程記錄，裂縫分布情況如表14 所示。分析可知：在1—5 節(jié)段總長約100 m 的范圍內(nèi)，合計(jì)裂縫數(shù)量僅32 條，裂縫分布密度低至0.32 條/m，且平均裂縫寬度也均低于設(shè)計(jì)規(guī)范要求的≤0.2 mm，說明所配制的機(jī)制砂海工混凝土抗裂效果好。

表14 側(cè)墻溫度裂縫分布情況Table 14 Distribution of temperature cracks in sidewalls

5 結(jié)語

試驗(yàn)針對(duì)大體積隧道箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)部無法布置冷卻水管降溫而導(dǎo)致溫度應(yīng)力大、結(jié)構(gòu)易開裂的問題，研究提出一種低水化熱高抗裂機(jī)制砂海工混凝土配制及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，并得出以下結(jié)論：

1） 混凝土配合比的設(shè)計(jì)宜選擇水膠比為0.32，砂率為48%，漿體比為33%，最優(yōu)配合比為水泥264 kg/m3、礦粉72 kg/m3、粉煤灰96 kg/m3、膨脹劑48 kg/m3、砂858 kg/m3、碎石930 kg/m3、聚丙烯纖維0.9 kg/m3、水154 kg/m3、外加劑4.8 kg/m3。

2） 所配制的混凝土不僅流動(dòng)性和包裹性好，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，而且7 d 至28 d 的形變量僅為8 με，體積穩(wěn)定性好；84 d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)為1.8×10-12m2/s，也符合設(shè)計(jì)要求，混凝土耐久性好。

3） 經(jīng)結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，箱體施工宜選擇15 m 或20 m 分段澆筑，可確保最小安全系數(shù)均＞1.4，控裂保障率高。

4） 經(jīng)1—5 節(jié)段側(cè)墻試驗(yàn)段溫度監(jiān)控和抗開裂效果評(píng)價(jià)，混凝土最大溫升、內(nèi)表溫差和降溫速率等基本符合溫控標(biāo)準(zhǔn)要求，且結(jié)構(gòu)成型1 a時(shí)間內(nèi)，裂縫分布密度低至0.32 條/m，且平均裂縫寬度也均低于設(shè)計(jì)規(guī)范要求的≤0.2 mm，混凝土抗裂效果好。