水工隧洞二次襯砌自密實混凝土配合比優化及其性能研究

萬家瑞 李兆恒 謝 亮,

（1 廣東省水利水電科學研究院；2 廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心）

0 引言

中國水資源時空分布極不均勻，水資源短缺和水環境惡化嚴重影響經濟社會的可持續發展[1]。為了解決水資源短缺問題，新中國成立之后，我國的長距離引水工程發展迅速，包括：引灤入津工程、引大入秦工程、東深引水工程、引黃入晉工程、引漢濟渭工程、引江濟淮工程、南水北調工程等。這些引調水工程給我國的發展帶來的多方面的（如社會、經濟、生態和環境）效益[2]。

輸水工程若采用地面輸水渠的形式，將會占用大量土地資源，且在輸水過程中將會有大量的蒸發及滲透損失。采用水工隧洞的形式，不僅可以節約土地資源，還可以避免地表氣候及沿途污染物污染水質。因此在經濟發達、人口密集的城市群，引調水工程常采用長距離深埋輸水隧洞的形式布置。然而傳統的鉆爆法難以適應長距離深埋輸水隧洞施工要求，而常用于交通隧洞施工的盾構法機械化，自動化程度高，能適應各種復雜地質，可實現破巖、出碴、運輸、襯砌等多種工序聯合作業，具有優質、高效、安全等優點，已開始應用于水資源調配隧洞工程［3,4］。但輸水隧洞與交通隧洞并不完全相同，輸水隧洞在運行期間除承受外部的水土壓力外，還須承受較大的內水壓力；而盾構管片單襯結構無法承擔內水壓力荷載產生的環向拉力，需采用復合襯砌結構(外襯為盾構管片，內襯為現澆預應力混凝土或“鋼內筒+混凝土”［5,6］。

由于輸水隧洞內砌厚度一般只有0.5～0.7m，而且隧洞空間狹小，屬于有限的地下密閉空間，混凝土入倉困難，無法充分地進行人工振搗。若采用常規的泵送混凝土澆筑二襯，很難保證混凝土達到完全密實的狀態。自密實混凝土是一種高流動度、高穩定性及均勻性的特種混凝土，具有良好的施工性能，而且不離析、不泌水，混凝土硬化后能夠滿足規范要求的力學性能和耐久性能；并在狹小空間內，有助于減少作業人員勞動的強度，提高勞動生產率；同時能消除因作業空間狹小、視線受限而產生的安全隱患。［7-9］

為了配置出滿足施工現場性能要求的自密實混凝土，本試驗分別研究了外加劑、骨料、單位用水量、砂率及粉煤灰及水膠比等參數對自密實混凝土性能的影響，以期掌握適用于水工隧洞二次襯砌自密實混凝土的配合比設計方法。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥為佛山海螺水泥有限公司生產的P.O52.5R 硅酸鹽水泥，比表面積379m2/㎏，密度3.13g/㎝3，28d 抗折強度8.6MPa，28d 抗壓強度55.3MPa。粉煤灰為廣東粵華發電有限公司F 類Ⅱ級粉煤灰，細度29.3%，燒失量4.76%，水泥及粉煤灰的具體化學組成見表1。

表1 水泥和礦物摻合料的化學組成(%)

為了確保配合比采用最佳的粗骨料級配，碎石采用南寧市武鳴區甘圩鎮龍響山石場生產的5～10mm 碎石，表觀密度為2710g/㎝3，堆積密度為1320g/㎝3，壓碎指標為11.4%，針片狀含量為8%，含泥量為0.8%；5～20mm碎石表觀密度為2730g/㎝3，堆積密度為1360g/㎝3，壓碎指標為11.4%，針片狀含量為3%,含泥量為0.3%。

細骨料采用始興湞江河砂場生產的河砂，細度模數2.32，表觀密度為2590㎏/m3。堆積密度1470㎏/m3，緊密密度1590㎏/m3，含泥量為1.5%，硫酸鹽及硫化物含量為0.28%。

外加劑配方根據現場試配結果確定，最終選定由廣東強仕建材科技有限公司提供的4# 配方作為最終配方。4#配方含固量17.79%，密度1.051g/ml，減水率27%，含氣量1.8%。

拌合水為自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 坍落擴展度及T500 檢測方法[10]

坍落度桶放在平板中心位置，下緣與200mm 刻度圈重合。將混凝土不分層一次填滿坍落筒中，加滿后用抹刀抹平，使其與坍落度筒的上緣齊平，隨即垂直平穩地提起坍落度筒，使混凝土自由流出，測定擴展度達到500mm 的時間T500。用鋼直尺在相互垂直的兩個方向測量混凝土的擴展直徑，并計算兩個所測有效直徑的平均值作為混凝土拌合物的坍落擴展度。

1.2.2 Bj 值檢測[10]

坍落度筒放在底板中心位置，下緣與200mm 刻度圈重合，J 環則套在坍落度筒外，下緣與300mm 刻度圈重合。將新拌混凝土裝入容器中靜置1min 后不分層一次填滿坍落度筒，整個過程中不施以任何振動或搗實，隨即垂直平穩地提起坍落度筒。用鋼直尺測量J 環中心位置混凝土拌和物頂面至J 環頂面的高度差，然后再沿J環外緣兩垂直方向分別測量4 個位置混凝土拌合物頂面至J 環頂面的高度差，單位為mm。

1.2.3 混凝土力學性能測試方法

混凝土的力學性能指標包括抗壓強度（7d 和28d）、抗滲等級、抗凍等級等3 項，具體檢測方法遵循《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019) 的規定[11]。

1.3 配合比設計

考慮到水工隧洞二次襯砌混凝土的受力和抗滲要求，本研究目標混凝土為C50W12。結合隧洞尺寸及鋼筋布置等因素，確定其填充性能要求坍落擴展度性能等級為SF2（660～755mm)，T500 性能等級不低于VS1（2s～6s），間隙通過性要求障礙高差性能Bj 等級不低于BS1（20～40mm）。

綜合考慮外加劑配方及摻量、骨料級配、單位用水量、砂率、粉煤灰摻量、水膠比等7 個因素對混凝土性能的影響，開展本次配合比試驗。根據以上要求，本次共設計不同配合比14 組，具體見表2。

表2 自密實混凝土試件的配合比

試驗編號A-E 配合比外加劑配方分別采用1#、2#、3#、4#、5#配方。為了使混凝土拌合物性能達到最優，試驗編號D 和E 配比砂率略有調整，除此以外，其他材料配比均相同。主要測試分析外加劑配方對自密實混凝土工作性能的影響。試驗編號F-N 配合比外加劑均采用4#配方。

試驗編號D 及試驗編號F 配合比外加劑摻量分別為1.5%、1.7%，其他材料配比相同。主要測試外加劑摻量對混凝土工作性能的影響。

試驗編號G 配合比相比于試驗編號D，碎石由5～20mm 的單一粒徑調整為5～10mm 占比20%、5～20mm 占比80%級配組成。主要測試粗骨料集配對混凝土工作性能的影響。

試驗編號G、H 及I 水膠比、砂率、粉煤灰摻量均相同，單位用水量分別為201㎏/m3、191㎏/m3、211㎏/m3。

試驗編號G、J 及K 配合比，砂率分別為48%、46%、44%。試驗編號J、L，粉煤灰摻量分別為20%、15%。測試分析不同砂率比例對混凝土強度和工作性能的影響。

試驗編號L、M 及N 配合比設計的水膠比分別為0.41、0.36 和0.31，同時，調整砂率，對應砂率為46%、45%和44%，其他配合比參數保持不變。在確保滿足混凝土工作性能要求的前提下，分析水膠比對自密實混凝土力學性能的影響。

2 混凝土工作性能試驗

2.1 外加劑配方優選

外加劑符合現行國家標準《混凝土外加劑》（GB8076-2008） 和《混凝土外加劑應用技術規程》（GB50119-2003）的要求。

根據混凝土拌和試驗情況，外加劑廠家在現場試配調整配方5 個，配方依次編號為1#、2#、3#、4#及5#，分別進行5 次混凝土拌合物試驗（試驗編號A～E），以確定與工程水泥相容性良好、性能最優的自密實混凝土外加劑。具體外加劑配方拌和試驗結果見表3。

表3 外加劑配方對混凝土工作性能的影響

1#配方混凝土拌和物外觀良好，尤其是保坍性好，1h 坍落擴展度損失為30mm，但坍落擴展度較低，粘性大、結底，很快失去流動性，同時，Bj值偏大，通過鋼筋的能力較差，不利于長距離運輸和較大尺寸結構的施工。

2#配方混凝土拌和物與1#配方類似，粘性較大、易結底，失去流動性較快，拌和物表面稍泌漿、稍流漿，Bj值偏大，通過鋼筋的能力較差，同時坍落擴展度損失稍快，不利于長距離運輸和較大尺寸結構的施工。

3#配方混凝土拌和物存在流漿現象，粘聚性稍差，Bj值偏大，通過鋼筋的能力較差，坍落擴展度損失中等，不利于長距離運輸和較大尺寸結構的施工。

4#配方混凝土拌和物坍落擴展度次大，Bj值最小，粘聚性最好，流動性和粘聚性平衡，通過鋼筋的能力最好，坍落擴展度損失最小，對長距離運輸和較大尺寸結構的施工有利。

5#配方混凝土拌和物含氣量達到7.0%，偏大（其余配方在3%左右），Bj值偏大，通過鋼筋的能力較差，坍落擴展度損失大，不利于長距離運輸和較大尺寸結構的施工。

最終選定4#配方作為最終配方。4#配方含固量17.79%。密度1.051g/ml，減水率27%，含氣量1.8%。

2.2 外加劑摻量的影響

為了充分發揮外加劑的作用，同時為工程實際使用時儲備工作性調整的方法，將外加劑摻量由1.5%（試驗編號D）提高到1.7%（試驗編號F）進行試驗。試驗結果見表4。研究表明，隨著外加劑摻量的增加，混凝土拌合物的Bj值增加46.7%，坍落度擴展度增加3.6%，T500縮短0.3s，但混凝土拌和物稍泌漿，表現為摻量偏大，其他性能滿足要求。實際應用時，由于運距、氣溫等因素的影響，可將外加劑摻量提高至1.7%。

表4 外加劑摻量對混凝土工作性能的影響

2.3 骨料級配的影響

從拌和試驗看，當拌和物的流動性較大時，容易出現流漿現象，雖然坍落擴展度和T500較大，但是Bj值也大，砂漿對碎石的包裹性不足，粘聚性降低，導致混凝土通過鋼筋的能力不足，不利于長距離運輸和較大尺寸結構的施工。同時，考慮碎石扁平比較大，球度不足，粒形不太好，因此，考慮適當增加碎石細顆粒的含量。

將碎石由5～20mm 的單一粒徑，調整為5～10mm 占比20%、5～20mm 占比80%級配組成（試驗編號G），并進行拌和試驗，與試驗編號D 比較，坍落擴展度有所提高，Bj有所降低，總體上粘聚性改善。

表5 骨料級配對混凝土工作性能的影響

2.4 單位用水量的影響

由表6（試驗編號G、H 及I）可見，隨著單位用水量增大，混凝土拌和物的坍落擴展度增大，T500和Bj減小，單位用水量平均每增加10㎏/m3，坍落擴展度增大30mm。

表6 單位用水量對混凝土工作性能的影響

2.5 砂率的影響

由表7（試驗編號G、J 及K）可見，隨著砂率由48%降低至44%，混凝土拌和物的坍落擴展度增大，T500減小，Bj增大，表現為流動性增大，粘聚性有所降低。

表7 砂率對混凝土工作性能的影響

2.6 粉煤灰摻量的影響

在混凝土中，粉煤灰一方面通過填充效應，改善粉體的級配，降低拌和物的粘性，提高拌和物的流動性，另一方面，粉煤灰通過二次水化反應，提高混凝土的強度和耐久性，但粉煤灰的二次水化反應主要在28d 齡期后進行，一般情況下會降低28d 強度。根據《水工混凝土摻用粉煤灰應用技術規范》DL/T 5055-2007 第6.04 條規定，采用普通硅酸鹽水泥的預應力混凝土中，粉煤灰最大摻量為15%[12]；《粉煤灰混凝土應用技術規程》GB/T 50146-2014 第5.2.1 條規定，采用普通硅酸鹽水泥的預應力混凝土中，當水膠比不大于0.4 時，粉煤灰最大摻量為25%。[13]

由表8（試驗編號J 及L）可見，隨著粉煤灰摻量由20%降低至15%，混凝土拌和物的坍落擴展度、T500和Bj變化均較小。

表8 粉煤灰摻量對混凝土工作性能的影響

3 混凝土力學性能試驗

3.1 砂率的影響

由表9（試驗編號G、J 及K）可見，隨著砂率由48%降低至44%，混凝土拌和物的28d 混凝土抗壓強度有所增大。

表9 砂率對混凝土力學性能的影響

3.2 粉煤灰摻量的影響

由表10（試驗編號J 及L）可見，隨著粉煤灰摻量由20%降低至15%，28d 抗壓強度有所增大。

表10 粉煤灰對混凝土力學性能的影響

3.3 水膠比的影響

根據保羅米法則，混凝土的強度主要由水膠比決定，水膠比是最重要的配合比設計參數。本次配合比設計的水膠比為0.41、0.36 和0.31，同時，調整砂率，對應砂率為46%、45%和44%，其他配合比參數保持不變。由表11 可知，隨著水膠比的下降，自密實混凝土的坍落擴展度、T500及Bj值的變化均較小，混凝土7d 抗壓強度和28d 抗壓強度有所增加，混凝土工作性能滿足工程要求，其抗滲、抗凍標號也滿足要求。

表11 水膠比對混凝土力學性能的影響

由圖1 可知，混凝土的7d 和28d 齡期抗壓強度隨膠水比（水膠比的倒數）增大而增大，兩者呈正比，相關性良好。

圖1 抗壓強度- 膠水比關系圖

4 結語

⑴在配制自密實混凝土配合比中，外加劑對混凝土工作性能影響顯著，是非常重要的原材料。為了確保外加劑和膠材的相容性，配合比設計單位必須通過現場試配調整外加劑配方?？紤]實際工程現場施工運距、氣溫等因素的影響，實際應用時可根據具體情況將外加劑摻量略微提高。

⑵相對于使用5～20mm 的單一粒徑，將碎石粒徑調整為5～10mm 占比20%、5～20mm 占比80%可以改善混凝土拌合物的粘聚性。隨著單位用水量增大，混凝土拌和物的坍落擴展度增大，T500和Bj減??；單位用水量平均每增加10㎏/m3，坍落擴展度增大約30mm。隨著混凝土砂率提高，混凝土拌和物的粘聚性變好，但流動性變差，28d 抗壓強度略微降低。

⑶隨著粉煤灰摻量的降低，混凝土拌和物的坍落擴展度、T500和Bj變化較小，但28d 抗壓強度有所增大。混凝土的7d 和28d 齡期抗壓強度隨膠水比（水膠比的倒數）增大而增大，兩者呈正比，具有線性相關性。