成都地鐵氣密性混凝土配制及性能研究

何星瑩

(中交機(jī)電工程局有限公司，北京 101318)

成都軌道交通30號(hào)線一期工程范圍為：雙流機(jī)場(chǎng)T2航站樓站～洪家橋站，全線呈西南～東北走向，線路全長(zhǎng)26.284 km，均為地下線，共設(shè)車站23座，其中14座換乘站，最大站間距為1 792 m(順風(fēng)村站～石羊站)， 最小站間距為670 m(金融城北站～府城橋站)，平均站間距為925 m。設(shè)1段1場(chǎng)2主所，分別為高碑壩車輛段、洪家橋停車場(chǎng)、高碑壩主所和洪家橋主所。開工日期2020年10月，竣工日期2024年9月，合同總價(jià)為129.3億元。項(xiàng)目共跨越4個(gè)行政區(qū)，沿線地質(zhì)水文條件復(fù)雜多變，地層主要以砂卵石、泥巖為主，摻雜了雜填土、粉土、黏土等，涉及的不良地質(zhì)主要包括膨脹土及高瓦斯賦存區(qū)。沿線穿越工程較多，線路上部和周圍分布有大量的建(構(gòu))筑物、地表水體等，工程周邊環(huán)境復(fù)雜，不可預(yù)見因素多，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

項(xiàng)目共有兩段高瓦斯區(qū)段，總長(zhǎng)1 422 m，分別為臨長(zhǎng)區(qū)間(YCK13+533～YCK14+156段)、洪菱區(qū)間(YCK33+803.3～YCK34+602.3段)，主要受蘇碼頭氣田影響，雙流隱伏斷層和李紅塘斷層對(duì)成都軌道交通30號(hào)線一期工程危害最大。瓦斯大量涌入工作面，很容易造成人員窒息、瓦斯燃燒或瓦斯爆炸，且具有突出危險(xiǎn)性的煤層還易發(fā)生煤與瓦斯突出事故，給盾構(gòu)施工安全帶來嚴(yán)重威脅。在通過瓦斯地段時(shí)，需要用到氣密性混凝土，而目前氣密性混凝土研究較少，缺乏標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)氣密性混凝土配合比的涉及[1-7]，為此該文從水膠比、粉煤灰和硅灰摻量以及砂率等配合比參數(shù)對(duì)混凝土氣密性影響的角度出發(fā)，研究氣密性混凝土配合比設(shè)計(jì)，旨在為工程氣密性混凝土配制提供技術(shù)支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥：PO 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能見表1。

表1 PO 42.5水泥物理性能

2)粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度18.1%，需水量比101.3%，7 d活性指數(shù)75.9%，28 d活性指數(shù)78.5%。

3)硅灰：二氧化硅含量92.5%，燒失量1.2%，需水量比121.5%，比表面積16.8 m2/g，7 d活性指數(shù)116%。

4)細(xì)骨料：二區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.6。

5)粗骨料：5～20 mm級(jí)配碎石，孔隙率為38.7%，針片狀含量5.3%。

6)減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率27.5%，含氣量3.1%。

1.2 試驗(yàn)混凝土配合比

試驗(yàn)研究不同混凝土配合比參數(shù)對(duì)混凝土氣密性的影響，配合比參數(shù)包括水膠比(0.36、0.40、0.44、0.48)、粉煤灰摻量(15%、20%、25%、30%)、硅灰摻量(4%、8%、12%)以及砂率(39%、41%、43%、45%)，具體試驗(yàn)配合比編號(hào)和相應(yīng)的混凝土配合比見表2。

表2 試驗(yàn)混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土氣密性按照《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》TB10424—2018測(cè)試，在恒定氣壓下進(jìn)行，試件尺寸為上徑175 mm、下徑185 mm、高150 mm的圓臺(tái)體，混凝土試件成型后在24 h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d，繼續(xù)室內(nèi)氣干14～28 d，當(dāng)試件濕度與大氣平衡后，方可進(jìn)行透氣性測(cè)試，采用下進(jìn)氣法或上進(jìn)氣法進(jìn)行透氣性測(cè)試，進(jìn)氣壓力為0.3 MPa和0.6 MPa，穩(wěn)壓以后讀透氣量，并計(jì)算混凝土透氣系數(shù)。

2 混凝土性能分析

2.1 水膠比對(duì)氣密性的影響

混凝土水膠比對(duì)于氣密性影響的試驗(yàn)結(jié)果見圖1。可見，隨著混凝土水膠比的增大，混凝土透氣系數(shù)急速上升，水膠比0.36時(shí)，混凝土透氣系數(shù)為0.251×10-12cm/s，水膠比增至0.40、0.44和0.48時(shí)，混凝土透氣系數(shù)分別增大至1.825×10-12cm/s、5.792×10-12cm/s、11.665×10-12cm/s。這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋环矫鎸?duì)于混凝土而言，用水量除了滿足水泥水化以外，很大的一部分用量作用為滿足混凝土的工作性能，而水泥水化所用的用水量占到的比例相對(duì)來說并不大，這部分水會(huì)與水泥產(chǎn)生水化反應(yīng)，成為水化產(chǎn)物化學(xué)結(jié)合水，而作用為滿足混凝土工作性能的用水量，在混凝土水化硬化過程中并不會(huì)參與水化反應(yīng)，而是作為自由水，隨著時(shí)間的進(jìn)展，逐漸蒸發(fā)，在蒸發(fā)過程中會(huì)在硬化漿體中形成氣孔，這些氣孔可以成為氣密性試驗(yàn)中氣體通過的通道，因此，水膠比越大，混凝土中的自由水也就越多，在混凝土硬化漿體中所形成的氣孔就越多，混凝土的透氣系數(shù)也相應(yīng)的就越大；另一方面，用水量過大，容易造成混凝土泌水離析等現(xiàn)象，以及在骨料過渡區(qū)造成薄弱，這些問題都可以致使混凝土密實(shí)性下降，透氣系數(shù)增大。

2.2 粉煤灰摻量對(duì)氣密性的影響

混凝土中粉煤灰摻量對(duì)于氣密性影響的試驗(yàn)結(jié)果見圖2。可見，隨著混凝土中粉煤灰摻量的增加，混凝土透氣系數(shù)下降明顯，混凝土氣密性提高顯著。粉煤灰摻量為15%時(shí)，混凝土透氣系數(shù)為3.560×10-12cm/s，粉煤灰摻量增加到20%、25%、30%時(shí)，混凝土透氣溪水分別降低至1.825×10-12cm/s、1.258×10-12cm/s、0.548 3×10-12cm/s。這主要是因?yàn)椋勖夯易鳛榈V物摻合料摻入混凝土中，具有填充效應(yīng)、滾珠效應(yīng)和火山灰效應(yīng)等三大效應(yīng)。首先是填充效應(yīng)，由于粉煤灰顆粒粒度比水泥小，可以很好地填充大水泥顆粒之間的孔隙，起到良好的填充效應(yīng)，從而降低混凝土整體孔隙尺寸，提高混凝土的氣密性；而滾珠效應(yīng)，是由于粉煤灰顆粒為圓球狀的玻璃體，在混凝土中可以提高混凝土工作性能，使得混凝土成型更加容易密實(shí)，進(jìn)一步提高了混凝土氣密性；最后是火山灰效應(yīng)，粉煤灰中具有大量的非晶態(tài)二氧化硅和氧化鋁，能夠與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，生產(chǎn)水化硅酸鈣，從而進(jìn)一步填充了混凝土中的孔隙，使得混凝土氣密性提高。

2.3 硅灰摻量對(duì)氣密性的影響

硅灰也稱硅微灰，是鐵合金在冶煉硅鐵和工業(yè)硅時(shí)，礦熱電爐內(nèi)產(chǎn)生出大量揮發(fā)性很強(qiáng)的SiO2和Si氣體，氣體排放后與空氣迅速氧化冷凝沉淀而成。由于硅灰粒徑小，在混凝土中活性較大，考慮摻入硅灰提高混凝土的氣密性。混凝土中硅灰摻量對(duì)于氣密性影響的試驗(yàn)結(jié)果見圖3，可見，隨著混凝土中硅灰摻量的提高，混凝土透氣系數(shù)降低明顯，氣密性提高顯著。未摻硅灰的普通混凝土透氣系數(shù)為1.825×10-12cm/s，硅灰摻量?jī)H為膠凝材料用量4%時(shí)，混凝土透氣系數(shù)已降至1.120×10-12cm/s，而當(dāng)硅灰摻量提高至12%時(shí)，混凝土透氣系數(shù)僅為0.105×10-12cm/s，可以看出，硅灰的應(yīng)用對(duì)于提高混凝土氣密性效果顯著，在工程中可以考慮在氣密性混凝土中適當(dāng)摻入硅灰。硅灰之所以能夠很好地提高混凝土氣密性，主要原因是，硅灰顆粒細(xì)度極為細(xì)小，雖然質(zhì)量摻量較小，但是顆粒數(shù)量非常龐大，能夠很好地填充水泥顆粒之間的孔隙，起到降低孔隙尺寸，提高密實(shí)性的效果；另外硅灰與粉煤灰相似，同樣具有火山灰效應(yīng)，而且硅灰火山灰效應(yīng)比粉煤灰更加顯著，水化產(chǎn)物更多，對(duì)于混凝土的密實(shí)性的貢獻(xiàn)也就越大。

2.4 砂率對(duì)氣密性的影響

砂率是混凝土中細(xì)骨料占到骨料用量的比例。對(duì)于混凝土而言，細(xì)骨料填充粗骨料孔隙，如果砂率過小則混凝土中孔隙較大，不利于混凝土性能的提升，而砂率過大，則混凝土中粗骨料呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)，不利于混凝土減小收縮和抗裂，因此混凝土砂率應(yīng)該選擇在一個(gè)合理范圍內(nèi)。混凝土中砂率對(duì)于氣密性影響的試驗(yàn)結(jié)果見圖4，可見，隨著混凝土中砂率的增大，混凝土透氣系數(shù)降低，混凝土氣密性提高。砂率為39%時(shí)，混凝土透氣系數(shù)為4.376×10-12cm/s，砂率分別為41%、43%和45%時(shí)，混凝土透氣系數(shù)降低為2.678×10-12cm/s、2.036×10-12cm/s、1.825×10-12cm/s。對(duì)于工程氣密性混凝土而言，建議在配制過程中，其他性能滿足工程需求的時(shí)候，砂率盡量提高。

3 結(jié) 論

以成都軌道交通30號(hào)線一期工程為依托，為滿足工程施工中氣密性混凝土的需求，通過水膠比、粉煤灰摻量、硅灰摻量以及砂率等幾個(gè)方面，研究了氣密性混凝土的配制，并研究了配合比參數(shù)對(duì)混凝土氣密性的影響，得到如下結(jié)論：

a.隨著混凝土水膠比的增大，混凝土透氣系數(shù)急速上升，氣密性能變差；隨著混凝土中砂率的增大，混凝土透氣系數(shù)降低，混凝土氣密性提高。

b.粉煤灰或者硅灰摻量的增加，可以提高混凝土氣密性，尤其是硅灰的摻加，混凝土氣密性提高更為顯著。

c.在工程配制氣密性混凝土?xí)r，建議在滿足混凝土其他性能的情況下，適當(dāng)加入硅灰和提高砂率。