TBM管片混凝土配合比及蒸汽養護工藝參數的確定

裴 有 立， 孟 懷 秀， 范 春 艷

(中國水利水電第十工程局有限公司勘測設計院，四川 都江堰 611830)

1 工程概況

西藏林芝米林派鎮至墨脫解放大橋農村公路一期工程I標路線從景區大門外約100 m的雅江魚村飯店附近接現有崗(嘎)派(鎮)旅游公路，沿現有大峽谷景區停車場外側平臺展線，派巴溝左岸而上，至派巴溝山體變陡、溝口變窄位置采用213 m橋梁跨過派巴溝至右岸，并在右岸緩坡平臺回頭展線，在現有派鎮水池附近與現有便道接線，沿便道上行，至派鎮松林口碎石土路3 078 m一級平臺位置，與現有派鎮松林口碎石土路相接，沿現有土路上行至松林口3 550 m附近高程，采用特長隧道穿越多雄拉山，終點多雄拉隧道出口。本標段路線起點樁號為K0+000.00，止點樁號為K13+615.00，路線總長為13.615 km，其中特長隧道4.4 km，小橋38 m。隧道均采用TBM掘進機掘進，預制管片安裝的方式進行支護。

在TBM掘進機的掘進施工中，混凝土管片的生產是保證整體掘進施工的決定性因素之一。為確保混凝土管片生產的質量管控及生產效率，嚴格從原材料把關，同時還要求配合比設計，蒸汽養護工藝試驗，強度、耐久性試驗等各環節環環相扣，緊密配合。

2 混凝土原材料

(1)用于配制管片混凝土的水泥一般要求有早強性，與外加劑相容性好，標準稠度用水量比較大，初凝時間較短。本次試驗采用水泥華新水泥有限公司生產的華新P.O42.5水泥。

(2)用于配制管片混凝土的細集料采用細度模數在2.3～3.0，含泥量不大于3.0的中砂，且為非堿活性骨料。本次試驗用細骨料為河口料場生產的人工中砂，滿足規范要求。

(3)用于配制管片混凝土的粗骨料采用粒徑為5～16 mm、16～31.5 mm，粒形較好，質地堅硬，針片狀含量較小，壓碎指標較小的碎石，且為非堿活性骨料。本次試驗用粗骨料為河口料場生產的碎石, 滿足規范要求。

(4)用于配制管片混凝土的外加劑宜采用具有引氣性、早強型的高性能減水劑，并和水泥具有良好的相容性。本次試驗用外加劑為山西華凱生產的聚羧酸高性能減水劑。

(5)用于配制管片混凝土的拌合用水為工地使用的生活生產用水(水質分析滿足規范要求)。

3 管片混凝土配合比設計基本參數的選擇

(1)根據設計要求，本標段TBM管片應符合下列要求：C35P10F150；

(2)管片混凝土配合比試配。根據《普通混凝土配合比設計規程》JGJ 55-2011要求，分別對0.45、0.40、0.35三個水灰比分別進行了成型檢測，設計坍落度70～90 mm。試配方案見表1。

4 混凝土試配及蒸汽養護工藝的確定

試拌配合比混凝土蒸汽養護和標準養護兩種，試拌后混凝土靜養、升溫、恒溫、降溫、標準養護；試拌后混凝土進行標準養護。根據兩種試驗結果選擇滿足要求的配合比參數及現場蒸養護的工藝參數(蒸養后，脫模強度不小于15 MPa)。

表1 管片混凝土配合比試配表

蒸養試驗分為靜養、升溫、恒溫、降溫四個階段，蒸養時間按每個模具行走每個工位所需時間而定，共24個工位。本次試驗每個模具行走一個工位按15 min控制，總共需要花費時間360 min。

(1)靜養段。根據預制管片流水線生產工藝特點，預養護是通過靜養來實現，其作用是讓混凝土在常溫下進行養護，以達到管片生產的技術要求。根據現場工藝要求，靜養段分為室外靜養和室內靜養，室外靜養有2個工位，室內靜養有6個工位，按模具在每個工位行走靜養溫度按35 ℃ 控制(模擬施工現場室內控制環境溫度)。

(2)升溫段。根據現場工藝要求，升溫段有3個工位，按規范要求，升溫速度不宜超過15 ℃/h，最高溫度分別按靜養段對應升溫段的50 ℃、55 ℃、55 ℃進行控制。

(3)恒溫段。根據現場工藝要求，升溫段有6個工位最高溫度分別按升溫段對應恒溫段的60 ℃、65 ℃、70 ℃進行控制。

(4)降溫段。降溫段分為室內降溫和室外降溫兩段，根據規范要求，降溫速度不宜超過20 ℃/h，室內降溫(3個工位)最低溫度分別按恒溫段對應降溫段的50 ℃、55 ℃、55 ℃進行控制，室外降溫(4個工位)最低溫度分別按室內降溫對應室外降溫35 ℃進行控制。排列蒸汽養護試驗溫度、時間控制詳見表2。

表2 排列蒸養試驗溫度、時間控制表

將三種溫度梯度及時間組合，分別進行蒸養試驗，得出相應的試驗結果。從中選出一個既能滿足生產線循環作業，又能保證管片質量,且經濟合理的最佳溫度梯度及時間組合。

三種組合混凝土物理性能及耐久性檢測結果見表3。

表3 三種組合各水膠比下混凝土物理性能及耐久性檢測結果

從三種組合的試驗結果看，第一組合溫度梯度不能滿足蒸養后脫模強度不小于15 MPa的要求。第三組合溫度梯度蒸養后，脫模強度偏高。這不僅浪費了資源，還影響了混凝土后期強度，且由于蒸養溫度過高，管片脫模后表面溫度達50多度，環境混度僅10度左右，如此大的溫差，管片表面容易產生溫度裂縫。第二組合蒸養強度滿足要求，且混凝土28 d強度發展良好。綜上所述，從質量保證，還是經濟合理兩方面考慮，取第二種組合。

5 管片混凝土配合比的確定

根據上述三種組合的試拌結果， 得出第二組合灰水比和抗壓強度關系曲線如圖1所示。

根據上述三種組合的試拌結果通過計算，蒸養后28d抗壓強度與膠水比的回歸方程式為：

圖1 第二組合灰水比和抗壓強度關系曲線圖

y=15.343x+4.699 4

相關系數r=0.993 6

標養后28 d抗壓強度與膠水比的回歸方程式為：

y=14.715x+8.953 4

相關系數r=0.999 6

式中x膠水比；y混凝土28 d抗壓強度，MPa。

最后，綜合得出蒸汽養護C35P10F150混凝土的水灰比為0.40，標準養護C35P10F150混凝土的水灰比為0.43，綜合蒸汽養護、標準養護的試驗結果及相關規范要求(蒸養工藝后，管片預制混凝土強度達到15 MPa)確定C35P10F150混凝土的水灰比為0.40。

最終C35P10F150混凝土配合比如表4所示。

6 存在的問題及解決的辦法

6.1 減水劑的調整

管片廠開始工藝性生產，根據試驗室配合比，C35膠凝材料用量為363 kg/m3,減水劑摻量為膠凝材料的1.0%，每方用量為3.63 kg。在試驗室試拌此配合比時和易性良好，不泌水。然在現場實際生產過程中發現，同樣的摻量，由于振搗方式等施工工藝與試驗室的理想狀態有很大的差異。導致混凝土產生拔地、泌水、混凝土表面產生很厚的浮漿等現象。為此，我們在生產過程中將減水劑摻量調整至膠凝材料的0.7%，每方用量為2.54 kg，經現場生產發現拔地、泌水、浮漿等現象消除，混凝土和易性也明顯改善。

表4 C35P10F150混凝土配合比

6.2 氣泡問題

在生產過程中，管片兩側上部很多氣泡，為此我們在配合比優化方面也做了很多工作，如試驗室配合比砂率為35%，根據現場骨料情況將砂率調整為36%。但效果不明顯，現場技術人員進行交流，是否是脫模劑的問題前用的是油性脫模劑，它對混凝土產生的氣泡吸附在混凝土表面，我們建議改為水性脫模劑，效果非常顯著，混凝土表面光滑。

6.3 坍落度控制

試驗室配合比設計時，坍落度控制在70～90 mm，然在實際生產過程中，振搗強度比試驗室振搗強幾倍，如按70～90 mm控制，管片表面至少有50 mm的浮漿，翻砂情況嚴重，大大影響了混凝土質量，影響抹面速度，不能滿足每個工位15 min的停留時間，影響生產效率根據這一情況，將坍落度調整為30～50 mm浮漿厚度10 mm,保證了混凝土質量，解決了因浮漿太厚無法抹面使管片流水線無法正常循環的問題，滿足施工要求。

6.4 裂縫產生的原因及控制措施

施工過程中出現了一些混凝土裂縫，分析混凝土裂縫的產生主要有以下兩種原因：第一，剛出模時管片表面溫度達四十多度，而管片廠(環境溫度)只有10度左右。如此懸殊的溫差管片表面容易產生細微的裂縫。為此，盡量增加管片廠的溫度，使之與管片表面溫度盡量接近，從而減小溫差。第二種產生裂縫的原因是，在管片的擺放過程中，三片為一組，中間由木方隔開。如果木方擺放位置不在同一條線上，就會使得管片產生不均勻受力，出現裂縫。還有地基不牢造成管片傾斜，使得管片產生不均勻沉降產生裂縫。所以在管片擺放過程中，地基，木方必須嚴格要求執行。

7 結 語

在TBM掘進施工過程中，管片起到非常重要的，管片混凝土質量顯得尤為重要。在西藏高海拔地區對于管片質量控制，難度比一般地區大所以我們在生產過程中不斷總結經驗，不斷提高管片質量。