用于共同管溝襯砌的擠壓混凝土配合比及關鍵工藝研究

李文俊

(中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

擠壓混凝土襯砌簡稱 ECL，是英文 Extruded Concrete Lining的縮寫，即加壓灌注混凝土襯砌［1］。該工法需要輸送混凝土的機械和專門的開挖設備，如圖1所示。

該工法已在歐洲和日本得到了廣泛應用，并積累了成熟的施工經驗。前蘇聯在1965年開始用于建涅格寧河總水管，隨后又用于莫斯科、第比利斯、明斯克、高爾基和古比雪夫的地鐵隧道;大約在1980年前，歐洲只是產生了擠壓混凝土的理念，但未得到推廣，后來才實現了用擠壓混凝土襯砌替換管片襯砌系統;1981年，東京都下水道本田干線盾構工程首次采用ECL施工工法;1987年，日本采用此技術完成了櫪木縣小山市公用道路下內徑為1 200 mm的隧洞工程。而后擠壓混凝土襯砌施工進入了快速發展階段。

圖1 擠壓混凝土襯砌盾構主要結構Fig.1 Main structure of shield with extruded concrete lining

宋克志等［1］對ECL技術在我國應用的可行性進行了研究，認為該技術在國內具有廣闊的應用前景;顧國明等［2］系統地介紹了ECL工法的原理特點及基本施工方法，認為該工法具有一般盾構管片無法比擬的優點;朱敏等［3］結合擠壓混凝土工法的開發過程與現狀，重點分析了擠壓混凝土襯砌的特點及常用盾構管片的優缺點，并列出擠壓混凝土工法當前存在的問題和技術難題，認為ECL工法為當前隧道界最先進的工法之一，在我國的應用前景十分廣闊。但現階段我國對該技術研究還相對較少，擠壓混凝土盾構技術和襯砌技術尚屬空白。因此，需盡快引進和掌握運用擠壓混凝土工法施工和襯砌技術，以填補盾構技術領域的空白。

與傳統的盾構隧道管片工法相比:該工法具有對地表影響小，襯砌整體性好，無防水維修費，施工場地周邊和沿線的建筑物受損小等特點。但要實現擠壓混凝土襯砌施工，難點在于解決混凝土長時間高保坍(2～3 h，坍落度200 mm以上)與較高早期強度(1 d， 10 MPa以上)之間的矛盾關系，同時要求混凝土在此過程中不離析、不泌水。

本文主要從滿足擠壓混凝土各項性能的混凝土配合比設計及擠壓壓力控制方面進行研究，以期為國內擠壓混凝土襯砌應用提供技術支持。

1 擠壓混凝土配合比設計

1.1 擠壓混凝土性能指標

1)高流動性:能有效填充盾構掘進形成的空隙; 2)高緩凝性:盾構掘進過程中不硬化;3)早強性:模板能有效循環利用，具有施工經濟性;4)泵送性:通過泵送將混凝土輸送到掘進形成的空腔;5)抗離析性:施工過程中不離析。

參考表1國外擠壓混凝土性能指標，同時為滿足混凝土有效填充盾構掘進形成的空腔，以及擠壓混凝土襯砌施工時模具的高效循環利用等要求，本文提出試驗時擠壓混凝土的性能指標，如表2所示。

表1 國外擠壓混凝土性能指標實例［4］Table 1 Performance indexes of extruded concrete in foreign countries

表2 本文提出的擠壓混凝土性能指標Table 2 Performance indexes of extruded concrete proposed in the paper

1.2 原材料

考慮到研究成果的適用性，選擇了不同廠家、不同強度等級的普通硅酸鹽水泥，并對其進行初終凝時間、體積安定性及各齡期強度等相關試驗，同時對不同品牌的水泥細度、顆粒級配、堿含量及主要成分C3A含量等進行分析，測定各水泥初始坍落度、保坍時間及其各齡期強度，最終選擇水泥比表面積在330～350 m2/kg，堿含量小于0.6%，C3A含量小于8%的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。細骨料含泥量要求小于0.6%，通過測定不同摻量粉煤灰保坍時間及各齡期強度，最終確定粉煤灰摻量為20%。

通過測定不同外加劑的減水效率、保坍性能及各齡期強度指標，最終選擇常用的FAC聚羧酸高效減水劑，要求其減水效率在30%左右，摻量為1.0%～1.8%。

1.3 擠壓混凝土配合比優化設計

依據混凝土性能指標，參考JGJ 55—2000《普通混凝土配合比設計規程》，計算出擠壓混凝土基準配合比(質量比)，即W∶C∶S∶G=240∶387∶592∶1 138。

采用正交試驗方法對影響混凝土性能的各因素進行優化，通過正交試驗極差分析，得出影響混凝土坍落度保持時間的主要因素及各因素的最優組合方式［6－9］。

坍落度保持時間極差分析。由坍落度極差計算結果(見表3)可知，影響坍落度保持時間的因素順序為: A(水膠比)＞C(砂率)＞B(粉煤灰摻量)＞D(外加劑摻量)。

其中:A，C，B是主要影響因素，D為次要影響因素。影響坍落度保持時間的最優組合為:A1B3C3。

由圖2可知，當水膠比為0.42、粉煤灰摻量為20%(膠凝材料質量)、砂率為38%、聚羧酸類高效減水劑摻量為1.5%(膠凝材料質量)時，坍落度保持為最優組合。

表3 L16(45)坍落度保持時間極差計算表Table 3 Range analyzing results of slump keep time of L16(45)

為了驗證原試驗結果的準確性及可靠性，沿位級趨勢探尋的方案是否預測的有效、準確，進而補充驗證試驗，如表4所示。

對于表3中坍落度保持最高的3組(1#，5#和10#)進行重復試驗，編號分別為17#，18#和19#。從趨勢圖上推斷的最優條件為一個試驗組，編號為20#。

補充試驗結果表明:正交試驗中的1#，5#和10#的試驗結果具有可重復性。

試驗組20#與17#相比，砂率較大，相應的水泥用量較小，從新鮮混凝土拌合物形態看，水泥砂漿能夠更好地包裹粗骨料，和易性好;相比19#，20#粉煤灰摻量較大，同樣可減少水泥用量。18#由于混凝土泌水較為嚴重，且外加劑摻量相對較高，盡管其坍落度保持時間較長，但綜合考慮混凝土1d和28 d最終強度及施工經濟性，優先選用20#配合比。

2 擠壓混凝土擠壓壓力控制研究

對于擠壓混凝土襯砌系統，通過擠壓壓力控制就能夠使混凝土獲得較高的早期強度，擠壓壓力控制是擠壓混凝土襯砌施工過程中的關鍵工藝，包括擠壓壓力大小控制和保壓時間控制2部分。通過對混凝土擠壓脫水，排除混凝土中多余水分，使其獲得較高的密實性，有利于提高混凝土襯砌早期強度。混凝土擠壓脫水如圖3所示。

圖2 因素位級趨勢圖Fig.2 Trends of factors

表4 補充的試驗內容Table 4 Supplementary testing results

圖3 混凝土擠壓脫水示意圖Fig.3 Dehydration of concrete under extrusion

通過對擠壓壓力控制的研究，得出滿足擠壓混凝土襯砌施工的最佳擠壓壓力和保壓時間，使擠壓混凝土在滿足施工所要求的大坍落度、高保坍時間的前提下，也能滿足混凝土襯砌所需的早期及最終強度要求。

為盡可能模擬擠壓混凝土盾構對混凝土的擠壓脫水過程，設計制造了使用于擠壓混凝土脫水的專用試驗設備。試驗采用厚15 mm，尺寸為150 mm×150 mm× 150 mm的鋼模，并在鋼模相鄰兩側面隨機位置各打4個直徑為0.5 cm的脫水孔，萬能試驗機通過嵌入模具上部的擠壓傳力裝置施加壓力，對混凝土進行擠壓脫水，如圖4和圖5所示。

按照最終得出的混凝土最優配合比配置混凝土，進行擠壓壓力在0.2～0.4 MPa，保壓時間分別為10，20，30 min的壓力控制試驗。

2.1 0.2 MPa擠壓壓力控制試驗

在擠壓壓力控制試驗中，壓力為0.2 MPa，分別進行時間為10，20，30 min的保壓試驗，不同保壓時間的試驗數據如表5所示。同時測定混凝土1 d和28 d時的強度，如圖6和圖7所示。

圖4 混凝土擠壓脫水Fig.4 Photo of dehydration of concrete under extrusion

圖5 從脫水孔中排出的水Fig.5 Water extruded from dehydration holes

圖6 0.2 MPa，不同保壓時間下混凝土1 d強度Fig.6 1-day strength of concrete under 0.2 MPa extrusion pressure and different pressure keeping time

表5 擠壓壓力0.2 MPa，不同保壓時間的試驗數據Table 5 Data of tests made under 0.2 MPa extrusion pressure and different pressure keeping time

圖7 0.2 MPa，不同保壓時間下混凝土28 d強度Fig.7 28-day strength of concrete under 0.2 MPa extrusion pressure and different pressure keeping time

由于擠壓后混凝土試件尺寸變為非標準尺寸，為精確地計算擠壓后試件抗壓強度，故需對擠壓后試件尺寸進行測量。圖8為對擠壓后試件尺寸的測量，圖9為破壞的混凝土形態。

圖8 擠壓后試件尺寸測量Fig.8 Specimen dimension measuring after extrusion

圖9 破壞的混凝土形態Fig.9 Damaged concrete

2.2 其他擠壓壓力控制試驗

采用同樣的配合比，分別進行壓力為0.3 MPa和0.4 MPa，保壓為10，20，30 min的擠壓控制試驗。將試驗結果繪制成折線圖，如圖10和圖11所示。

通過擠壓混凝土壓力控制研究可知，隨著擠壓壓力及保壓時間的提高，混凝土可獲得較高的早期(1 d)強度。但是，后期強度(28 d)隨著擠壓壓力的增高、保壓時間的延長，部分強度出現減低。

圖10 不同壓力及保壓下，混凝土1 d強度Fig.10 1-day strength of concrete under different extrusion pressure and different pressure keeping time

圖11 不同壓力及保壓下，混凝土28 d強度Fig.11 28-day strength of concrete under different extrusion pressure and different pressure keeping time

綜上試驗表明:擠壓壓力控制在0.3 MPa，保壓時間為30 min，混凝土在滿足襯砌早期(1 d)強度的同時，也可獲得較高的后期(28 d)強度。

因此，通過試驗研究得出，為使擠壓混凝土襯砌獲得較高的早期強度和后期強度，擠壓壓力宜控制在0.3 MPa，保壓時間宜控制為30 min。

3 結論與討論

3.1 結論

1)通過研究得出能夠滿足擠壓混凝土施工各項性能指標的混凝土配合比為W∶C∶F∶M砂∶M石∶M外= 180∶343∶86∶673∶1 098∶6.4。采用該配合比的混凝土200 mm以上坍落度可保持150 min以上。

2)通過擠壓壓力控制試驗研究，得出擠壓壓力大小宜控制在0.3 MPa，保壓時間控制在30 min。在此條件下，混凝土在經過擠壓脫水試驗后，1 d強度可達10 MPa以上，28 d強度可達45 MPa以上，能夠滿足擠壓混凝土襯砌施工要求。

3.2 討論

1)適用于擠壓混凝土水泥的選擇較為關鍵，本文在原材料選擇時，水泥的品種較少，選擇的廣度不夠。現場試驗及推廣時，對水泥的要求嚴格，若水泥選擇不當，容易造成擠壓混凝土各項性能指標達不到預定要求，推廣應用會受到一定的影響。

2)適用于擠壓混凝土外加劑的選擇也比較重要，尤其是其與水泥的適應性。本文在試驗過程中缺少對擠壓混凝土所適應的外加劑進行研究，且外加劑廠家單一，沒有相關的替代品，實際推廣應用時容易受外加劑質量(穩定性)的影響，也容易受制于外加劑廠家。同時對擠壓混凝土的耐久性問題研究不夠深入，可能導致現場及推廣應用受限。

3)為了推廣擠壓混凝土襯砌施工技術，已跟中鐵裝備制造公司聯合研制擠壓混凝土盾構，在該樣機制造出后，將利用該平臺進行現場試驗，并根據試驗結果對室內試驗成果進一步優化。

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