基于長距離隧洞襯砌混凝土配合比的優(yōu)化探究

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110006)

經(jīng)濟社會的發(fā)展和高新技術(shù)的不斷應用，在一定程度上推動我國地下工程及水工隧洞的迅速發(fā)展[1]。統(tǒng)計資料顯示，截至2013年我國已建和在建水工隧洞約2000km，已列入規(guī)劃建設的約2000km，其中10km以上的連續(xù)特長隧洞數(shù)不勝數(shù)，如在建的單洞長82km的秦嶺隧洞、已建的單洞長85km的大伙房隧洞等。

引、調(diào)水工程中輸水隧洞發(fā)揮著重要作用，其中保證工程質(zhì)量和制約工期的關(guān)鍵性工序為混凝土襯砌施工。然而，混凝土襯砌在長距離輸水隧洞中面臨著更多的挑戰(zhàn)和問題，例如混凝土襯砌施工方案、襯砌臺車布置、混凝土拌和物入倉特性以及支洞控制段過長帶來的混凝土運輸?shù)葐栴}。為配制出符合施工環(huán)境和現(xiàn)場技術(shù)要求的混凝土，必須在襯砌混凝土過程中優(yōu)化設計配合比及嚴格控制襯砌質(zhì)量；通過合理安排和科學設計施工組織方案，保證供水工程建設和工程質(zhì)量[2-3]。

混凝土配合比是通過分析一系列試驗成果，按照一定的方法確定的符合施工工藝要求和滿足各項設計性能指標的各種材料單位體積混凝土用量。在施工過程中考慮混凝土性能參數(shù)分析結(jié)果、施工環(huán)境及工藝變化、原材料質(zhì)量波動等因素，根據(jù)配合比理論設計成果調(diào)整出具體操作的施工配合比[4]。

混凝土材料的深入研究和高新技術(shù)的不斷應用，使得混凝土配合比設計優(yōu)化充分考慮了經(jīng)濟成本、熱力學和混凝土變形等因素，現(xiàn)已突破傳統(tǒng)的耐久性、力學以及物理性指標。因此，以試驗和研究相結(jié)合的配合比優(yōu)化設計應考慮不同組合方式下的試驗成果，從而配置符合施工和設計要求的混凝土。本文結(jié)合工程實踐和理論研究成果，以大伙房長距離供水工程為例，通過設計、優(yōu)化、適配和調(diào)整等全過程分析研究長距離水工隧洞的襯砌混凝土配合比，為保證襯砌施工質(zhì)量配置了滿足施工技術(shù)各項指標的混凝土[5-6]。

1 工況概況

大伙房水庫輸水工程輸水隧洞長130km，洞室最大和最小埋深分別為580m和14m，屬于無壓水隧洞工程。根據(jù)工程地質(zhì)特性將隧洞全長分為5個標段，施工方法為TBM為輔、鉆爆法為主的聯(lián)合施工法。鉆爆法施工成洞長85km、洞涇為7.2m，斷面為馬蹄形；TBM施工法的開挖洞涇為8.5m，斷面為圓形，開挖長度占總長的32%。TBM施工的圓形和鉆爆法施工的馬蹄形隧洞斷面，襯砌厚度分別為35cm和30cm，隧洞襯砌為“薄壁”混凝土，主要性能指標見表1。

隧洞工程100年設計使用年限的混凝土配合比設計、原材料選取等，要結(jié)合試驗分析成果和工程實踐經(jīng)驗，通過系統(tǒng)性研究耐久性混凝土，確保襯砌質(zhì)量滿足設計使用年限要求，降低水工隧洞后期的維修費用和整修次數(shù)。

表1 薄壁混凝土襯砌性能指標

2 混凝土配合比設計

2.1 設計方法

混凝土有關(guān)參數(shù)確定原則：考慮工程設計要求計算配置混凝土強度；結(jié)合最大水膠比設計允許值和配置的混凝土強度，初步確定水膠比；按照襯砌施工的和易性要求，對用水量和凝膠材料用量進行計算；根據(jù)選定的砂率確定粗細骨料的用量；通過試驗調(diào)整選定最大水膠比限制值內(nèi)滿足混凝土耐久性、強度要求的水膠比，確定最終的配合比和各材料的用量。

a.確定凝膠材料。根據(jù)初選的摻和料、水泥和水膠比用量確定凝膠材料，計算方法如下：

mc+mp=mw/[w/(c+p)]

(1)

mc=(1-Pm)/(mc+mp)

(2)

mp=Pm(mc+mp)

(3)

式中Pm、mw、mp、mc——摻和料比例和每立方米混凝土的用水量、摻和料用量和水泥用量。

b.確定粗細骨料用量。根據(jù)“質(zhì)量法”和已確定的砂率、膠凝材料用量和用水量確定粗細骨料用量，計算公式如下：

ms,g=mc,e-(mw+mc+mp)

(4)

ms=ms,gSm

(5)

mg=ms,g-ms

(6)

式中Sm、mg、ms、mc,e、ms,g——砂率和每立方米混凝土的粗骨料質(zhì)量、細骨料質(zhì)量、拌和物質(zhì)量假定值和骨料總質(zhì)量。

c.水膠比的試配。水膠比不僅要符合經(jīng)濟可行、抗凍、抗?jié)B等設計規(guī)定要求，而且要達到設計強度等級標準。因此，試配調(diào)整混凝土水膠比的主要目的是找出一個既能節(jié)省水泥用量又能夠達到混凝土各項設計標準的配合比方案。在實際工程中，為簡化程序通常以混凝土強度單一指標作為試配調(diào)整的依據(jù)，通過提高試配標準來滿足28天標準養(yǎng)護強度要求。這種做法存在如下兩方面問題：一是混凝土各項設計指標未經(jīng)過試驗調(diào)整難以全部達到設計要求；二是凝膠材料用量過大造成資源浪費、成本增加及溫度裂縫等不利影響。因此，在水膠比初步選定后仍需再次調(diào)整水膠比[7-11]。

混凝土配合比可按照以上計算流程確定，計算得到的各參數(shù)值即為每立方米混凝土所需要的原材料的用量。

2.2 設計參數(shù)的確定

設計參數(shù)直接決定混凝土性能的優(yōu)劣和各類材料的用量比例，因此，配合比設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是確定設計參數(shù)。摻和料摻量、外加劑用量、單方用水量、配置強度、粗骨料比例、砂率和水膠比等為混凝土的設計參數(shù)，各參數(shù)計算方法如下：

a.強度等級。混凝土配置強度參照相關(guān)規(guī)范確定，其表達式為

fcu,0=fcu,k+tσ

(7)

式中fcu,k、fcu,0——混凝土立方體設計齡期抗壓強度標準值及其配置強度，fcu,k值為35MPa；

t——概率度系數(shù)，通常以P=95%抗壓強度保證率確定，其值為1.645；

σ——標準差，按抗壓強度標準值確定，C35等級的標準差為4.5。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和以上公式確定配制混凝土強度，fcu,0值為42.5MPa。

b.水膠比。用水量與硅粉、礦粉、粉煤灰等所有凝膠材料的比值即為水膠比w/(c+p)，參照混凝土強壓強度28天設計齡期標準值確定混凝土初選水膠比，水膠比w/(c+p)在30MPa

根據(jù)試拌分析成果，設計要求下的配制強度在水膠比為0.34時能夠得到較好的滿足，通過三個對比試驗確定最優(yōu)的水膠比：0.40、0.37、0.34?；炷僚浜媳鹊挠嬎愫驮嚢璋凑諏嶒炇以O計方法進行?；炷猎囼瀼姸葴y定結(jié)果見圖1。

圖1 水膠比與28天抗壓強度關(guān)系

從圖1可以看出，混凝土抗壓強度在水膠比為0.37時為46.2MPa，滿足配置強度要求，且拌和物和易性能夠符合施工要求。因此，選定推薦的0.37作為混凝土施工水膠比。

c.用水量。根據(jù)外加劑與摻和料的摻量及品種、骨料最大粒徑等初選用水量，通過混凝土試拌確定符合施工和易性和工程設計要求的最小用水量。

d.砂率。在其他參數(shù)固定不變的條件下砂占砂與石之和的比例即為砂率，混凝土坍落度最大且拌和物和易性、黏聚力等物理性能達到最優(yōu)時的砂率，即為最優(yōu)砂率[12]。在條件允許的情況下，可根據(jù)混凝土強度在不同砂率條件下的變化值綜合判定最優(yōu)砂率。

e.骨料級配。采用粒徑為20～40mm、5～20mm的二級碎石級配作為工程粗骨料，最佳骨料級配按照緊密堆積密度在不同比例情況下的值確定?；炷猎嚺湓跓o相關(guān)資料的情況下先按40∶60的比例進行，本工程的篩分和緊密堆積密度試驗按三種摻配比例進行，試驗對比見表2。

表2 不同摻配比例的骨料級配試驗結(jié)果

從表2可以看出，緊密堆積密度在摻配比例為50∶50下達到最大，并且不同孔徑下的篩余率分布比較合理，因此選用50∶50摻配比例。

f.粉煤灰摻量。為降低水泥水化產(chǎn)生的熱量，有效控制混凝土溫度裂縫，可將部分水泥由粉煤灰替代。按照水工和國際標準，粉煤灰最大摻量在水膠比不超過0.4時為35%，且必須為F類粉煤灰。本工程的混凝土抗凍性能試驗設計30%、20%和10%的粉煤灰摻量，對比結(jié)果見圖2。

圖2 粉煤灰摻量對比試驗(10%、20%、30%粉煤灰摻量)

從圖2可以看出，隨著粉煤灰摻量的增大混凝土抗凍指標呈現(xiàn)出下降的變化趨勢，質(zhì)量損失及相對動彈在粉煤灰摻量大于20%時減少幅度較大，因此考慮設定20%作為本工程粉煤摻量。

g.抗裂防水劑摻量。摻加抗裂防水劑的目的是減少襯砌混凝土存在裂縫的可能和提高混凝土密實性，補償收縮混凝土[13]。根據(jù)水工規(guī)范和實踐經(jīng)驗，一般以5%～8%作為抗裂防水劑摻量，一般不大于10%。

h.外加劑摻量。外加劑對混凝土抗凍耐久性的影響較為顯著，它是改變混凝土性能的至關(guān)重要的參數(shù)。根據(jù)設計要求，必須采用引氣劑提高混凝土抗凍性，通過試驗和含氣量要求確定其摻加量[14]。

2.3 初始配合比

根據(jù)以上計算流程對配合比各設計參數(shù)進行計算，從而確定初始配合比(見表3)。由表3可知，初始配合比的骨料級配為50∶50，水膠比為0.37，砂率為45%，各材料配比為1.6∶1.6∶2.47∶0∶0.01∶0.47∶0.08∶0.19∶1。

表3 襯砌混凝土初始配合比

3 優(yōu)化前的襯砌外觀質(zhì)量缺陷原因分析

現(xiàn)場混凝土襯砌施工按以上初始配合比實施，但在檢查外觀質(zhì)量時發(fā)現(xiàn)許多氣泡、水壓裂縫及早期環(huán)向裂縫位于內(nèi)襯砌表面。

3.1 環(huán)向裂縫成因

根據(jù)成因分析可將早期環(huán)向裂縫分為溫拉、干縮及收縮裂縫，進一步分析發(fā)現(xiàn)：由于拌和物穩(wěn)定性較低、漿體體積比率大和設計強度等級高等因素，使得早期的混凝土存在較大的收縮，這是引起收縮裂縫的主要因素；溫度在貫通隧洞后有所下降，襯砌混凝土受上游的熱空氣影響易發(fā)生干縮裂縫；將防水板設置在初期支護和襯砌混凝土之間，使得界面摩擦阻力增大易產(chǎn)生裂縫。混凝土內(nèi)部溫度受水化熱影響通常大于表面氣溫，而界面摩阻力的存在限制了內(nèi)部混凝土的變形，這是造成溫拉裂縫的關(guān)鍵因素。

3.2 水壓裂縫成因

混凝土分層處經(jīng)常出現(xiàn)水壓裂縫，進一步分析其成因發(fā)現(xiàn)：由于振搗不便和泵送時間差的存在，導致硬化時間差存在于前后混凝土分層處，早期未硬化的部位比較脆弱；混凝土分層后圍巖滲流面有自由水的滲入，越來越多的積水形成一定的水壓，由此導致水壓裂縫易在分層處形成。

3.3 氣泡問題成因

混凝土運輸和攪拌過程中能夠?qū)⒖諝鈳牖炷林校臼┕r由于溫度較低不易將氣泡排除；拌和物摻加外加劑形成的氣泡；入倉振搗后的混凝土溫度升高，在混凝土內(nèi)部氣泡遇熱膨脹不易破裂；多余的自由水存在于混凝土水化過程中，在砂漿和粗骨料之間受熱氣泡與自由水作用易形成局部通道，這是造成局部氣泡的另一因素。

4 襯砌混凝土配合比優(yōu)化設計

4.1 優(yōu)化措施

4.1.1 外加劑用量的調(diào)整

對減水劑用量進行調(diào)整并采取破泡和消泡處理，將0.1%的消泡劑摻入減水劑中；混凝土含氣量在不摻引氣劑前控制在3%以下，為了使含氣量在4.6%左右，在混凝土中摻入0.05%的引氣劑。

4.1.2 凝膠材料用量的調(diào)整

在水膠比和混凝土強度保持不變的基礎(chǔ)上，降低混凝土用量及漿體體積，減少水泥水化熱和混凝土內(nèi)部的自由水。另外，考慮到設計抗壓強度仍存在一定富余量，為降低襯砌混凝土經(jīng)濟成本可減少一定的凝膠材料用量。

4.1.3 工藝技術(shù)優(yōu)化

現(xiàn)場施工過程中，將分層厚度控制在50cm以下，加強振搗減少氣泡通道，盡可能地在分層處讓混凝土內(nèi)氣泡排出。

4.2 配合比優(yōu)化結(jié)果

在達到混凝土耐久性、強度等各項指標和物理性能的條件下，根據(jù)上述優(yōu)化措施和不同標段現(xiàn)場實際情況適當調(diào)整混凝土材料，從而確定優(yōu)化后的混凝土材料配比(見表4)。

從表4可以看出，相對于初始配合比，砂、水、水泥在單位體積混凝土材料中的用量有所降低，配合比優(yōu)化前后的水泥用量分別為327kg/m3、300kg/m3，可降低水泥用量約25kg/m3，顯著節(jié)約了工程成本；按照優(yōu)化后的配合比檢查混凝土外觀質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)明顯改善了混凝土外觀質(zhì)量，氣泡和混凝土裂縫較優(yōu)化前明顯降低，見圖3。

表4 混凝土配合比優(yōu)化設計 單位:kg/m3

圖3 優(yōu)化前后襯砌混凝土外觀質(zhì)量檢測結(jié)果

由圖3可知，配合比優(yōu)化前后的每100m隧洞長度，檢測出的裂縫數(shù)平均為11.2條、2.5條，裂縫減少了76%。每倉混凝土氣泡面積在混凝土配合比優(yōu)化前后分別為18m2、8m2，降低氣泡面積約52.7%。

5 結(jié) 語

針對長距離供水工程的襯砌混凝土配合比存在的質(zhì)量問題，本文結(jié)合工程實踐經(jīng)驗和理論研究成果，通過優(yōu)化、調(diào)整、試拌和計算混凝土配合比，在滿足混凝土外觀質(zhì)量、耐久性和設計強度等各項指標及物理性能的基礎(chǔ)上，對各類材料的用量進行經(jīng)濟合理的計算，為保證水工隧洞的襯砌質(zhì)量和項目的順利實施提供了保證，實現(xiàn)了配合比的最優(yōu)設計。