隧道二次襯砌混凝土配合比設(shè)計研究

■高建平

(福建省交設(shè)工程試驗檢測有限公司，福州 350008)

1 引言

近年來， 隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的蓬勃發(fā)展及中西部地區(qū)大建設(shè)的進一步落實， 使得交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)特別是高速公路中的隧道工程得到迅速發(fā)展[1]。 隧道二次襯砌作為其重要結(jié)構(gòu)，在長期服役期間，由于自身材料老化、疲勞效應(yīng)、溫度效應(yīng)、荷載效應(yīng)等不利因素，降低了結(jié)構(gòu)承載力，使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了安全隱患，縮短隧道服役年限，威脅生命和財產(chǎn)安全。 混凝土作為二次襯砌澆筑的重要原料， 其配合比及工作性能的合理性又直接關(guān)乎二次襯砌的質(zhì)量[2]，因此對隧道二次襯砌進行混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計，平衡混凝土強度、改善其流動性及抗?jié)B性， 以滿足隧道二次襯砌混凝土施工要求尤為必要。

二次襯砌混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計需達到以下基本要求，能滿足混凝土工作性能、材料強度和耐久性；采用通用設(shè)備易于搗實澆筑，具有易修飾性，離析和泌水小；強度和耐久性，滿足規(guī)范要求的最小抗壓強度，滿足設(shè)計要求的抗?jié)B、抗凍及耐腐蝕性。同時要求混凝土各組成部分的用量比例經(jīng)濟合理，降低混凝土造價[3]。

為此本文結(jié)合減水劑的性能， 在混凝土配合比設(shè)計時，分別選用0.38、0.43 及0.48 三種水膠比，粉煤灰摻量為16 %。分別利用對比試驗研究三種水膠比在不同摻量的減水劑下，對混凝土工作性能、材料強度及抗?jié)B性能的影響。

2 二次襯砌混凝土配合比試驗研究

2.1 試驗原材料

(1)膠凝材料

水泥選用建福牌P.O42.5 普通硅酸鹽水泥， 堿含量0.56%，氯離子含量0.02%；3d 抗折強度：5.8MPa；3d 抗壓強度：28.8MPa；28d 抗折強度7.8MPa；28d 抗壓強度51.9 MPa； 采用Ⅰ級粉煤灰， 材料性能指標(biāo)滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

(2)碎石

采用閩清梅溪碎石場的碎石； 采用31.5～19mm、19～9.5mm 及9.5～5mm 三種級配， 摻配比例：31.5～19mm∶19～9.5mm∶9.5～5mm=20∶70∶10；表觀密度2704kg/m3；堆積密度1538kg/m3：含泥量0.7%；針片狀含量7.3%；壓碎值9.2%。

(3)砂子

采用閩清梅溪砂石場的砂子，細度模數(shù)為2.95，含泥量1.1%；堆積密度為1542kg/m3；表觀密度為2662kg/m3。

(4)外加劑

外加劑應(yīng)與水泥之間具有良好的適應(yīng)性，減水率高，坍落度損失小。據(jù)此，采用福州興大建材有限公司聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%。

2.2 試驗配合比設(shè)計步驟

在二次襯砌混凝土配合比設(shè)計時， 分別選用0.38、0.43 及0.48 三種水膠比，粉煤灰摻量為16%，并在三種水膠比情況下，分別摻入1.15%、1.2%及1.25%的減水劑，將水膠比和減水劑作為試驗的兩個變量因素， 研究其對混凝土工作性能、材料強度及抗?jié)B性能的影響。本文規(guī)定水膠比0.38 時，澆筑的試件編號為A1～A3；水膠比0.43，澆筑試件編號為B1～B3； 水膠比0.48， 澆筑試件編號為C1～C3。

假定二次襯砌為C30 P8 抗?jié)B混凝土，設(shè)計坍落度為140～180mm。將水膠比0.43 及摻入1.2%減水劑的混凝土配合比作為基準(zhǔn)配合比。通過混凝土施工要求的坍落度、設(shè)計要求的強度和強度保證率來計算確定混凝土水膠比、砂率、單位用水量、砂石用量等參數(shù)[4]，其設(shè)計步驟如下：

(1)配制強度

fcu，0≥fcu，k+1.645σ，其中σ 取5.0

fcu，0≥30+1.645×5.0=38.2MPa

(2)確定水膠比

W/B=αarffce/(fcu0+αaαbfb)； 其中αa取0.53；αb取0.20；rf取0.85。

W/B=0.53×0.85×1.16×42.5/(38.2+0.53×0.2×0.85×1.16×42.5)=0.52

根據(jù) 《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》 中的要求和施工環(huán)境、氣候的影響，混凝土和抗?jié)B等級在P8～P12 之間的抗?jié)B混凝土最大水灰比不能大于0.55， 因此本文選取水膠比W/B=0.43。

(3)單位用水量

根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)中對混凝土的要求，查表得單位用水量為225kg/m3，減水劑的減水率為26%，則單位用水量mw0=225×(1-26%)=166kg/m3。

(4)確定水泥用量

根據(jù)水膠比W/B=0.43， 單位用水量為166kg/m3，則膠凝材料B=166/0.43=386kg/m3， 粉煤灰摻量為16 %，則粉煤灰F=386×0.16=62kg/m3, 那么水泥含量=386-62=324kg/m3。基準(zhǔn)減水劑摻入量為膠凝材料的1.2%，則減水劑摻入量J=386×1.2%=4.64kg/m3。

(5)選取砂率

根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)表5.4.2的要求，二次襯砌混凝土需滿足泵送要求，因而本期選取砂率βs為41%。

(6)確定粗、細骨料的材料用量

假定混凝土容重為2400kg/m3， 由mc0+mf0+mg0+ ms0+mw0=mcp得mg0+ms0=1848

式中：mc0為混凝土的含量，mf0為粉煤灰的含量，mg0為碎石的含量，ms0為砂子的含量，mw0為水的含量，mcp為混凝土容重。

由砂率βs=ms0/(mg0+ms0)×100%

計算得ms0=1848×41%=758kg/m3

mg0=1848-758=1090kg/m3

本文中碎石采用三種級配，摻配比例如下：

31.5～19mm∶19～9.5mm∶9.5～5mm=20∶70∶10 則31.5～19mm∶19～9.5mm∶9.5～5mm=218∶763∶109

計算所有材料用量以后完成配合比設(shè)計， 即可得到基準(zhǔn)配合比各材料用量之比為

mc0∶mf0∶mg0∶ms0∶mw0∶mj0=324∶62∶1090∶758∶166∶4.64

對完成基準(zhǔn)配合比先進行試拌，其坍落度、粘聚性及泌水性均符合規(guī)范要求。

(7) 在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)的要求，增加或減少水膠比0.05%，增加或減少砂率1%。 同時增加或減少減水劑0.05%。 按照上述設(shè)計步驟，在保持用水量不變的情況下，計算出其它組配合比設(shè)計的混凝土材料用料表，如表1～3 所示。

表1 水膠比為0.38 時不同摻量減水劑的混凝土材料用料表

表2 水膠比為0.43 時不同摻量減水劑的混凝土材料用料表

表3 水膠比為0.48 時不同摻量減水劑的混凝土材料用料表

3 試驗結(jié)果與分析

測定混凝土拌合物的坍落度(取料后5min 內(nèi)測定)、經(jīng)時坍落度損失值(1h)及壓力泌水率(10s)，以評價可泵性能[4]；采用150mm×150mm×150mm 標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至7d、28d 測定其抗壓強度[5]；混凝土抗?jié)B等級試件采用標(biāo)準(zhǔn)抗?jié)B圓臺試件， 以每組6 個試件中4 個未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象時的最大水壓力表示混凝土的抗?jié)B等級[6]。其測定坍落度、7 d 及28d 的抗壓強度和混凝土的抗?jié)B等級具體結(jié)果試驗結(jié)果如表4、表5 及表6 所示。

表4 水膠比0.38 時不同量減水劑混凝土坍落度、強度及抗?jié)B性

表5 水膠比0.43 時不同量減水劑混凝土坍落度、強度及抗?jié)B性

表6 水膠比0.48 時不同量減水劑混凝土坍落度、強度及抗?jié)B性

3.1 不同摻量的減水劑對混凝土工作性能的影響

不同摻量的減水劑對混凝土工作性能的影響如圖1所示。 從圖1 可知，在水灰比不變的情況下，摻入的減水劑對混凝土的坍落度均略微有所提高， 但在規(guī)范允許摻入減水劑量的情況下，添加越多的減水劑，對混凝土的坍落度影響越大；在摻入減水劑量不變的情況下，水膠比越大，混凝土的坍落度越大。

圖1 不同摻量的減水劑對混凝土工作性能的影響

3.2 不同摻量的減水劑對混凝土強度的影響

不同摻量的減水劑對28d 及7d 混凝土強度的影響如圖2 及圖3 所示。

圖2 不同摻量的減水劑對7d 混凝土強度的影響

圖3 不同摻量的減水劑對28d 混凝土強度的影響

從圖2 及圖3 可知，摻加減水劑后，混凝土的7d 及28 d 強度顯著提高，隨著水膠比的增大，混凝土強度逐漸降低。 這主要是因為聚羧酸高性能減水劑含有的三乙醇胺能與水泥顆粒發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石，加速水泥的水化反應(yīng)，使混凝土中內(nèi)部孔隙體積明顯減少，混凝土更為致密，從而使混凝土的抗壓強度顯著提高。

從圖2 及圖3 可知， 隧道二次襯砌配合比參數(shù)按強度來控制時，要滿足澆筑的強度要求，每方混凝土消耗的用水量和水膠比均較高， 這樣配制出的混凝土易出現(xiàn)干縮開裂、離析、泌水等質(zhì)量問題。

3.3 不同摻量的減水劑對混凝土抗?jié)B性能的影響

不同摻量的減水劑對混凝土抗?jié)B性能的影響如圖4所示。 圖4 可知，當(dāng)水膠比不變的情況下，摻入的減水劑量越多，最大量不超過規(guī)范規(guī)定的范圍時，混凝抗?jié)B等級呈遞增趨勢；隨著水膠比的增大，混凝抗?jié)B等級呈遞減趨勢，且水膠比為0.38 的混凝抗?jié)B等級遠遠大于0.48 水膠比的混凝土； 說明減水劑對對混凝土的抗?jié)B性能的影響程度遠遠小于水膠比的影響。因此在實際工程應(yīng)用中，為了最大化地控制工程成本， 建議通過降低水灰比來控制混凝土抗?jié)B性能。

4 結(jié)論

本文結(jié)合減水劑的性能，在混凝土配合比設(shè)計時，分別選用0.38、0.43 及0.48 三種水膠比， 粉煤灰摻量為16%。 分別利用對比試驗研究三種水膠比在不同摻量的減水劑下，對混凝土工作性能、材料強度及抗?jié)B性能的影響。 得到結(jié)論如下：

圖4 不同摻量的減水劑對混凝土抗?jié)B性能的影響

(1)在水膠比不變的情況下，摻入不同量的減水劑均略微提高了混凝土的坍落度， 同時顯著提高了混凝土材料強度，對混凝土抗?jié)B性能影響較小。

(2)在摻入的減水劑量不變的情況下，水膠比越大其混凝土強度越低，但是混凝土的坍落度越好；水膠比參數(shù)對混凝土抗?jié)B性能的影響程度遠遠大于減水劑。

要滿足隧道二次襯砌混凝土低強度、 高流動性及抗?jié)B性要求，可以通過摻入減水劑降低水膠比，提高其抗?jié)B性的要求，然后通過摻入粉煤灰等礦物摻和料，降低其強度，提供其流動性，平衡混凝土強度、改善其流動性及抗?jié)B性，以滿足隧道二次襯砌施工要求。