淺談?lì)A(yù)制盾構(gòu)管片高性能混凝土的研究和應(yīng)用

徐建新

中國水利水電第七工程局有限公司

1 引言

在經(jīng)濟(jì)、科技飛速發(fā)展的新時(shí)期下，我國的軌道交通也獲得了日新月異的發(fā)展，盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)愈發(fā)成熟和完善，城市軌道建設(shè)規(guī)模越來越大。部分城市和地區(qū)受到材料、技術(shù)、環(huán)境等客觀因素的制約，無法很好地把控盾構(gòu)管片高性能混凝土的質(zhì)量，造成盾構(gòu)管片的質(zhì)量隱患。成都地鐵18號(hào)線所采用的預(yù)制盾構(gòu)管片的直徑是8.3m，尺寸誤差控制在±1mm 范圍內(nèi)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到了C50級(jí)，抗?jié)B透P12級(jí)，即使是在潮濕的環(huán)境中，也不會(huì)產(chǎn)生堿——集料反應(yīng)，且外觀完整、色彩均勻。

2 預(yù)制盾構(gòu)管片高性能混凝土的基本要求

（1）水膠比≤0.35；混凝土拌和物的坍落度＜70mm，便于澆筑、振搗。

（2）混凝土的抗壓強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C50，能夠在蒸汽養(yǎng)護(hù)的情況下滿足每8h一次的模具周轉(zhuǎn)要求。

（3）預(yù)制構(gòu)件的外觀應(yīng)滿足清水混凝土標(biāo)準(zhǔn)，棱角完整、色澤一致且均勻、表面無裂縫、外觀光亮、致密、氣泡較少。

（4）具有良好的體積穩(wěn)定性。

（5）構(gòu)件的幾何尺寸偏差＜1mm。

（6）無堿——集料反應(yīng)。

（7）預(yù)制生產(chǎn)中采用的是附著式振動(dòng)器振搗工藝，因此要求混凝土的觸變性良好，分層、離析以及泌水較小。

（8）具有良好的耐久性，相關(guān)指標(biāo)要求的耐久性是100 年。此外還要具有較強(qiáng)的抗?jié)B性、耐腐蝕性。

3 本文的研究內(nèi)容與技術(shù)路線

與其他混凝土構(gòu)件相比，預(yù)制盾構(gòu)管片在強(qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)、尺寸精度、外觀質(zhì)量等方面都有更高的要求。結(jié)合生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，在滿足混凝土相關(guān)性能要求的情況下，本文的研究應(yīng)側(cè)重于如何節(jié)約總膠凝材料以及水泥的用量，如何提高混凝土體積穩(wěn)定性，預(yù)防外觀裂縫。技術(shù)路線如下。

（1）采用礦物摻合料，一方面能夠降低水泥水化初期產(chǎn)生的熱量，避免混凝土后期因收縮而產(chǎn)生裂縫，另一方面，還可以減少單方混凝土中的總堿含量，避免產(chǎn)生堿——集料反應(yīng)。此外，礦物摻合料具有微集料填充效應(yīng)，能夠增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度、抗?jié)B性、耐久性。

（2）采用高質(zhì)量、堿含量低的水泥、外加劑；選擇堿活性較低的砂石骨料，可以進(jìn)一步預(yù)防堿——集料反應(yīng)。

（3）當(dāng)混凝土達(dá)到了性能要求標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)盡量減少總膠凝材料的使用量，避免混凝土收縮徐變，節(jié)約預(yù)制生產(chǎn)成本。

（4）優(yōu)選混凝土配合比。

（5）把混凝土拌和物的坍落度控制在40mm～60mm 區(qū)間內(nèi)，當(dāng)弧形管片澆筑成型后，更利于保持混凝土內(nèi)部的均勻，提高外弧面混凝土平整度。

4 原材料的選擇

4.1 水泥

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性降低，根本原因在于裂縫。遇到混凝土遭到破壞的情況，常規(guī)思維會(huì)認(rèn)為是骨料、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)、摻合料、質(zhì)量控制不佳等原因引起的，往往忽略了水泥的影響。即使是同一品種的水泥，由不同廠家生產(chǎn)，水泥所具備的抵抗混凝土開裂能力也具有顯著差異。所以，高性能混凝土不能忽略水泥的選擇。首先，水泥應(yīng)具有良好的早期強(qiáng)度，適合蒸汽養(yǎng)護(hù)，在低于60℃的蒸養(yǎng)情況下，盾構(gòu)管片8h 的脫模強(qiáng)度至少要達(dá)到20MPa。以筆者的經(jīng)驗(yàn)而言，應(yīng)該選擇強(qiáng)度等級(jí)≥42.5MPa 的普通硅酸鹽水泥或者硅酸鹽水泥。其次，水泥的堿含量應(yīng)＜0.6%，可以避免產(chǎn)生堿——集料反應(yīng)。最后，水泥要和高效減水劑有良好的適應(yīng)性，以增強(qiáng)混凝土的耐久性。

可以通過以下試驗(yàn)方案選用水泥品種和廠家，以三種強(qiáng)度等級(jí)為42.5MPa 的普通硅酸鹽水泥（以A、B、C 表示）為例，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 混凝土脫模強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

水泥和外加劑適應(yīng)性的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 三種水泥和外加劑適應(yīng)性

分析表1、表2 可知：（1）A、B、C 三種水泥的堿含量都比較低，但最低的是C 水泥。（2）C 水泥的混凝土脫模強(qiáng)度最高，其次是B，最低是A。（3）在水泥的凈漿流動(dòng)度沒有明顯區(qū)別的情況下，C水泥和外加劑的適應(yīng)性最好。

綜上，最適合用來配置預(yù)制盾構(gòu)管片高性能混凝土的是C水泥。

4.2 摻合料

生產(chǎn)高性能混凝土，摻合料是不可或缺的一部分。磨細(xì)的礦渣、硅灰、粉煤灰等都是應(yīng)用非常廣泛的摻合料。研究表明：磨細(xì)的礦渣能夠顯著增強(qiáng)混凝土的耐久性，改善抗腐蝕性以及和易性。也有最新試驗(yàn)結(jié)果表明：礦渣越細(xì)，混凝土工程越容易早期開裂。比如，某廠家使用了摻加大量磨細(xì)礦渣的生產(chǎn)管片，管片存放半年后，外弧面的裂縫明顯比未摻加磨細(xì)礦渣的管片更多、更深、更寬。另有資料表明：單一應(yīng)用高質(zhì)量的粉煤灰，或者結(jié)合應(yīng)用磨細(xì)礦渣與粉煤灰，能夠增強(qiáng)混凝土體積穩(wěn)定性，減少混凝土的收縮。筆者建議采用I 級(jí)粉煤灰作為高性能混凝土的摻合料。

4.3 集料

目前市場上的砂子細(xì)度模數(shù)通常＞2.5，因此本文主要側(cè)重于粗集料的研究。為了解決石子集配不合格的問題，筆者提出“組合級(jí)配”的思路，適度的增加粗集料中細(xì)料的含量，解決了粗集料集配較差的問題。以5mm～20mm 石子為例，篩分結(jié)果見表3。

表3 5mm～20mm石子的篩分結(jié)果（%）

5mm～20mm 的石子中，粒徑＜10mm 的石子較少，顯著低于規(guī)范要求的范圍。“組合級(jí)配”操作簡單、不會(huì)增加成本，應(yīng)用效果理想。如果預(yù)制盾構(gòu)管片需要粒徑20mm的石灰?guī)r碎石，可以讓廠家提供5mm～10mm、10mm～20mm 兩種級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)的石子，按照 1∕4 的 5mm～10mm 碎石、3∕4 的10mm～20mm 碎石的比例進(jìn)行攪拌配料，最終結(jié)果見表4。

表4 碎石的組合級(jí)配結(jié)果（%）

由此可見：“組合級(jí)配”有三大優(yōu)勢：①解決了5mm～20mm石子級(jí)配質(zhì)量較差的問題。②顯著減少了針片狀石子的含量，充分保證了石子質(zhì)量。③能夠根據(jù)砂子細(xì)度模數(shù)來調(diào)整兩種石子的比率，避免了預(yù)制盾構(gòu)管片澆筑之后浮漿太厚的問題。

5 預(yù)制盾構(gòu)管片高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)研究四個(gè)因素（水膠比、礦物摻合料比例、膠凝材料總量、砂率）對(duì)混凝土外觀、強(qiáng)度、耐久性的影響。通過正交試驗(yàn)，將五種摻合料（高嶺石粉、磨細(xì)礦渣、沸石粉、粉煤灰、復(fù)合礦粉）按照三水平四因素的L（934）正交表進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）水膠比：0.26、0.30、0.36。

（2）總膠凝材料的使用量：420kg∕m3、460kg∕m3、500kg∕m3。

（3）粉煤灰摻量10%、磨細(xì)礦渣20%、復(fù)合礦粉30%、高嶺石粉10%、沸石粉15%～20%。

（4）砂率范圍：35%、40%45%。

（5）高效減水劑：2.4%～3.5%；新拌混凝土坍落度40mm～60mm。

選擇水膠比0.30以及20%的磨細(xì)礦渣明確各種摻合料在達(dá)到最佳摻量時(shí)混凝土拌和物的外觀、耐久性、和易性、經(jīng)濟(jì)性等的各種指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)結(jié)果最終確認(rèn)在水膠比0.30 和20%的磨細(xì)礦渣為最佳組合。

通過試驗(yàn)結(jié)果總膠凝材料使用460kg 便能夠滿足高性能混凝土的相關(guān)要求。之后對(duì)四種摻加比例的磨細(xì)礦渣（20%、30%、35%、40%）以及三種總膠凝材料用量（420kg∕m3、450kg∕m3、480 kg∕m3）分別進(jìn)行了試配，最終確認(rèn)：純礦粉的最佳摻量是30%、總膠凝材料的最低使用量是440 kg∕m3，最終的配合比如表5所示。

表5 預(yù)制盾構(gòu)管片混凝土配合比與強(qiáng)度結(jié)果（水膠比0.30、砂率37%）

按照表5的配合比進(jìn)行試生產(chǎn)，評(píng)價(jià)混凝土性能，最終結(jié)果為以下幾點(diǎn)。

（1）強(qiáng)度：根據(jù)《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕T 50107—2010）標(biāo)準(zhǔn)制作三組100mm×100mm×100mm的試件，與盾構(gòu)管片同條件養(yǎng)護(hù)，同條試塊1d、14d、28d齡期的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上，符合高性能混凝土的要求。

（2）抗?jié)B性能：根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)》（GB∕T 50082—2009）標(biāo)準(zhǔn)制作四組試件，兩組同條件養(yǎng)護(hù)、兩組標(biāo)養(yǎng)，按照P12 等級(jí)的要求進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，水壓加到1.4MPa，恒壓8h，所有試件無滲透，抗?jié)B性能符合要求。

（3）收縮性能：根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)》（GB∕T 50082—2009）標(biāo)準(zhǔn)，使用100mm×100mm×515mm的棱柱體試件進(jìn)行試驗(yàn)。用放大鏡檢測，并未發(fā)現(xiàn)＞0.1mm的裂縫，滿足裂縫＜0.2mm的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

綜上所述，盾構(gòu)掘進(jìn)在城市軌道建設(shè)中的應(yīng)用非常廣泛，為盾構(gòu)管片預(yù)制行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了有利環(huán)境，相應(yīng)的，對(duì)盾構(gòu)管片的性能、質(zhì)量要求也不斷提高。本文借鑒成都地鐵18號(hào)線的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以期為盾構(gòu)混凝土管片的應(yīng)用提供參考。