深隧工程預(yù)制混凝土復(fù)合摻合料制備及性能研究

孫丹丹，於林鋒

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海200032）

0 引言

采用大型深層調(diào)蓄隧道輔以源頭徑流控制是建設(shè)“海綿城市”的重要途徑，也是國外已建區(qū)域提高排水防澇標(biāo)準(zhǔn)的通常做法。但與常規(guī)軌道交通等地下工程不同的是深隧工程混凝土結(jié)構(gòu)除了與地下水接觸外，內(nèi)部結(jié)構(gòu)還與動態(tài)的初期雨水相接觸[1－2]。然而，沿海地區(qū)地下水中通常含有低量的氯鹽、初期雨水具有弱酸性，這些特殊的服役環(huán)境不僅要求混凝土具有較高的強(qiáng)度，而且對其耐久性提出了更高的要求[3－5]。

目前通常會摻入大量的礦物摻合料，以使混凝土在滿足強(qiáng)度要求基礎(chǔ)上提高其耐久性，降低生產(chǎn)成本[6]。但隨著國家環(huán)保力度的加大以及電廠脫硫、脫硝工藝的推廣，混凝土摻合料（尤其是粉煤灰）的質(zhì)量波動越來越大，很難保證其穩(wěn)定供應(yīng)。另外，深隧工程的一些部位如隧道盾構(gòu)管片中可能要用到硅灰，而攪拌站一般不具備單獨(dú)的硅灰筒倉，從施工便利性角度，若不將硅灰以復(fù)合摻合料的形式供應(yīng)，可能需要攪拌站增加筒倉或者采用人工加料，增加人力物力成本。因此，有必要針對初期雨水環(huán)境特點(diǎn)和服役高性能混凝土耐久性提升需求，開展深隧工程預(yù)制混凝土用復(fù)合摻合料的研究，一方面，可以提高深隧混凝土的耐久性能；另一方面，也有利于為深隧工程提供質(zhì)量穩(wěn)定的摻合料來源，保證工程質(zhì)量。

本文主要研究了復(fù)合摻合料和纖維對預(yù)制高性能混凝土性能的影響規(guī)律及其在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)，為高性能混凝土耐久性提升提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：金山南方P·Ⅱ52.5水泥，主要性能指標(biāo)見表1；粉煤灰：上海寶田新型建材有限公司的C類Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度（45 μm篩余）為22.7%，需水量比98%，28 d活性指數(shù)78%；礦粉：上海寶田新型建材有限公司的S95級礦粉，比表面積447 m2/kg，流動度比103%，7 d和28 d活性指數(shù)分別為76%和109%；硅灰：埃肯國際貿(mào)易（上海）有限公司，半加密硅灰，主要性能指標(biāo)見表2；減水劑：上海麥斯特建工，固含量16%，減水率30%；聚丙烯纖維：常州天怡工程纖維有限公司生產(chǎn)，長度12 mm，直徑31 mm，抗拉強(qiáng)度646 MPa。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

表2 硅灰的主要性能指標(biāo)

1.2 預(yù)制混凝土復(fù)合摻合料配合比設(shè)計(jì)

以常規(guī)C60純水泥混凝土（S0a）和隧道工程常用C60P12混凝土（S0b）配合比為基準(zhǔn)，研究復(fù)合摻合料總摻量為30%、35%、45%時(shí)，復(fù)合摻合料對預(yù)制混凝土性能的影響。其中復(fù)合摻合料中固定硅灰相對比例為20%，礦粉和粉煤灰相對比例分別為A1（60%∶20%）、A2（45%∶35%）、A3（30%∶50%），混凝土具體配合比見表3。

表3 C60預(yù)制混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土的拌合物性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，混凝土抗壓強(qiáng)度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，耐久性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合摻合料配比對預(yù)制混凝土坍落度和力學(xué)性能的影響（見表4）

表4 復(fù)合摻合料配比對混凝土性能的影響

由表4可見：（1）采用復(fù)合摻合料的混凝土達(dá)到目標(biāo)坍落度所需的聚羧酸減水劑用量提高了0.2～0.3個(gè)百分點(diǎn)。這主要是由于混凝土中含有6%～9%的硅灰，而硅灰的比表面積較大，摻入混凝土后礦物摻合料顆粒表面吸附水量增加，用于改善混凝土拌合物性能的自由水含量減少，使混凝土坍落度下降，因此摻加硅灰后需要提高減水劑用量來釋放更多的自由水，使混凝土達(dá)到目標(biāo)坍落度[7－9]。

（2）采用摻合料后混凝土蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度和1 d抗壓強(qiáng)度均有所降低；但采用含硅灰的復(fù)合摻合料后，混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度和1 d抗壓強(qiáng)度整體有所提高，提高約5 MPa。這可能是因?yàn)榛炷林袚郊訐胶狭蠒岣叩刃冶龋娱L混凝土的凝結(jié)時(shí)間，從而降低混凝土的早期抗壓強(qiáng)度[10]。但復(fù)合摻合料中含有硅灰，硅灰顆粒極其細(xì)小，可以起到加速形核效應(yīng)，從而促進(jìn)水泥水化[11]。此外，復(fù)合摻合料摻量在30%～45%時(shí)，隨著摻量的增加，混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢。當(dāng)摻合料摻量為45%時(shí)，混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度明顯下降，下降約10 MPa。復(fù)合摻合料的使用并未影響C60預(yù)制混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度。

綜上所述，采用含有硅灰的復(fù)合摻合料對于提高C60預(yù)制混凝土的蒸養(yǎng)和早期抗壓強(qiáng)度有明顯作用。由于預(yù)制混凝土需要考慮脫模、吊裝等因素，通常要求混凝土具有較高的蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度或1 d抗壓強(qiáng)度。因此，建議深隧工程預(yù)制混凝土采用含硅灰的復(fù)合摻合料，其總摻量不宜超過35%。

2.2 復(fù)合摻合料配比對預(yù)制混凝土抗氯離子滲透性能的影響（見表5）

表5 復(fù)合摻合料對預(yù)制混凝土的抗氯離子滲透性能的影響

由表5可以看出，相同配比條件下，未摻加摻合料混凝土的電通量和氯離子滲透系數(shù)分別為1235 C和4.1×10－12m2/s，摻常規(guī)摻合料后混凝土的電通量和氯離子滲透系數(shù)均有所下降，下降幅度約為25%；摻入含硅灰的復(fù)合摻合料后，當(dāng)摻合料摻量在30%～35%時(shí)，混凝土的電通量和氯離子滲透系數(shù)均進(jìn)一步下降約50%。當(dāng)摻合料摻量增加至45%時(shí)，混凝土的電通量和氯離子滲透系數(shù)又明顯增加，分別為1071 C和2.7×10－12m2/s。

復(fù)合摻合料摻量在30%～35%時(shí)，可增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度，從而提高C60預(yù)制混凝土的抗氯離子滲透性能。當(dāng)摻合料摻量增加至45%時(shí)，混凝土的抗氯離子滲透性能明顯下降。這可能是因?yàn)閺?fù)合摻合料與常規(guī)摻合料相比加入了硅灰，硅灰中無定形SiO2含量可達(dá)90%以上，具有超高的活性，并且硅灰的顆粒細(xì)小、比表面積大，有利于火山灰反應(yīng)的進(jìn)行，填充混凝土毛細(xì)孔，使混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)。但摻合料摻量過大時(shí)，等效水灰比增加，導(dǎo)致?lián)胶狭系亩嗡軐?shí)填充作用并不足以彌補(bǔ)等效水灰比變大毛細(xì)孔數(shù)量增加帶來的負(fù)效應(yīng)[12－13]。因此，從抗氯離子滲透性能來看，C60預(yù)制混凝土的復(fù)合摻合料摻量也不宜大于35%。

2.3 纖維對預(yù)制混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度和早期強(qiáng)度的影響

摻加纖維可抑制混凝土早期裂縫的產(chǎn)生，研究了聚丙烯纖維摻量對預(yù)制混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度和早期強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表6。

表6 纖維對預(yù)制混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度和早期強(qiáng)度的影響

由表6可知，復(fù)合摻合料摻量在30%～45%時(shí)，摻加纖維后混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度和1 d抗壓強(qiáng)度均明顯下降，蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度下降幅度為19.5%～38.6%，1 d抗壓強(qiáng)度下降幅度為45.6%～49.7%。原因可能有2個(gè)方面：（1）纖維本身不具有活性且纖維的摻入增加了體系內(nèi)的界面過渡區(qū)，若分散不均勻會引入缺陷；（2）摻入纖維后為了保證坍落度，提高了減水劑的用量，導(dǎo)致混凝土的等效水灰比略有增加。因此，復(fù)合摻合料中摻加細(xì)纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度基本無正效應(yīng)[14]。

綜合考慮復(fù)合摻合料對預(yù)制混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能的影響，建議深隧工程預(yù)制混凝土采用不摻加纖維、含硅灰的復(fù)合摻合料，且摻合料摻量宜控制在30%～35%。

3 復(fù)合摻合料在預(yù)制混凝土中應(yīng)用性能研究

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合深隧工程混凝土服役環(huán)境，確定了深隧工程預(yù)制混凝土用復(fù)合摻合料的最佳配合比為礦粉、粉煤灰、硅灰復(fù)合摻加，其相對比例為50%∶30%∶20%。將該復(fù)合摻合料按35%摻量用于制備C60預(yù)制混凝土，對其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測試，并與普通混凝土性能進(jìn)行比較。混凝土具體配合比和試驗(yàn)結(jié)果分別見表7和表8。

表7 C60預(yù)制混凝土配合比 kg/m3

表8 C60預(yù)制混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)測試結(jié)果

由表8可知，摻加復(fù)合摻合料后混凝土的1 d和7 d抗壓強(qiáng)度雖然均有一定程度的降低，但蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度、28 d和56 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到與普通C60混凝土相同的水平；其56 d電通量和56 d氯離子滲透系數(shù)分別僅為216 C和0.8×10－12m2/s，與普通C60混凝土相比均明顯降低；干燥收縮僅為134×10－6。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加復(fù)合摻合料后混凝土的力學(xué)性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級要求，且硅灰的存在顯著提高了C60預(yù)制混凝土的耐久性能，使得混凝土的抗氯離子環(huán)境作用等級從Ⅳ－D級提高到了Ⅳ－E級。

4 結(jié)語

（1）與普通摻合料相比，相同摻量下采用含硅灰的復(fù)合摻合料，C60預(yù)制混凝土的早期強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能大幅提高，混凝土的早期強(qiáng)度提高約5 MPa，電通量和抗氯離子滲透系數(shù)均明顯下降50%。因此，建議深隧工程預(yù)制混凝土采用礦粉、粉煤灰和硅灰三摻復(fù)合摻合料體系。

（2）復(fù)合摻合料摻量在30%～45%時(shí)，隨著摻量增加，混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能呈明顯下降趨勢。當(dāng)復(fù)合摻合料摻量為45%時(shí)，混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度降低約10 MPa，電通量由533 C增加至1071 C。因此，建議C60預(yù)制混凝土的復(fù)合摻合料摻量不宜大于35%。

（3）復(fù)合摻合料摻量在30%～45%時(shí)，摻加聚丙烯纖維后混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度和1 d抗壓強(qiáng)度均明顯下降，蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度下降19.5%～38.6%，1 d抗壓強(qiáng)度下降45.6%～49.7%。對于預(yù)制混凝土來說，纖維的摻加不利于混凝土的質(zhì)量控制，因此，建議深隧工程預(yù)制混凝土中不摻加纖維。

（4）預(yù)制混凝土專用復(fù)合摻合料中礦粉、粉煤灰和硅灰的最佳比例為50%∶30%∶20%，用于制備C60預(yù)制混凝土?xí)r其最佳摻量為35%。此時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級要求，且具有良好的耐久性能，尤其是可使混凝土的抗氯離子環(huán)境作用等級從Ⅳ－D級提高到Ⅳ－E級。