隧洞混凝土力學(xué)性能與耐久性能影響因素研究

盧長海

(北京京水建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100193)

0 引 言

隧洞混凝土施工過程中對混凝土和易性要求極高，當(dāng)混凝土出現(xiàn)流動(dòng)性小、包裹性差、泌漿泌水等問題時(shí)，極易造成堵管，影響施工效率，同時(shí)極容易出現(xiàn)混凝土質(zhì)量問題，比如漏筋、實(shí)體強(qiáng)度偏低等，導(dǎo)致實(shí)體結(jié)構(gòu)存在安全隱患。采用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰及礦粉，針對工程存在的實(shí)際問題，開展取代率研究，新制備的混凝土和易性良好。為避免項(xiàng)目實(shí)體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)由于混凝土導(dǎo)致的漏筋、強(qiáng)度偏低等工程質(zhì)量問題，針對混凝土原材料配合比及基本性能進(jìn)行研究，通過測試擴(kuò)展度、倒筒時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等關(guān)鍵指標(biāo)，建立評價(jià)體系，指導(dǎo)生產(chǎn)施工[1]。

1 工程概況

某水電站引水隧洞設(shè)計(jì)總長度為10080.8m，開挖斷面面積為33.1m2，過水?dāng)嗝婷娣e為15.02m2，全斷面鋼筋混凝土襯砌，澆筑混凝土襯砌厚度51 cm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為C30。工程澆筑完成后，實(shí)體出現(xiàn)2處質(zhì)量缺陷，分別為部分位置出現(xiàn)漏筋、5個(gè)區(qū)域回彈強(qiáng)度值及對應(yīng)施工日期留置試塊強(qiáng)度較低。分析原因：①混凝土澆筑過程中和易性差，流動(dòng)性差，通過振搗并不能均勻密實(shí)混凝土，導(dǎo)致過振，混凝土下沉，鋼筋裸露；②針對強(qiáng)度偏低問題，查詢施工日志知，混凝土原材料配合比不合理，且使用礦物摻和料品質(zhì)未達(dá)到設(shè)計(jì)原材料的指標(biāo)要求。

2 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)水泥為P·O42.5級(jí)水泥，測試標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量26.9%，3d抗壓強(qiáng)度28.0MPa，28d抗壓強(qiáng)度51.9MPa；試驗(yàn)粉煤灰為I級(jí)粉煤灰，細(xì)度6.8%，燒失量2.3%，需水量比91%；試驗(yàn)礦粉為S95級(jí)礦粉，比表面積實(shí)測值403m2/kg，28d活性指數(shù)達(dá)101%；試驗(yàn)中粗河砂，細(xì)度模數(shù)2.5-2.7，含泥量1.8%，碎石5-25mm連續(xù)級(jí)配，含泥量0；外加劑為聚羧酸高效外加劑，固含量15.9%，減水率19%；水為飲用水[2]。

3 C30隧洞混凝土配合比

良好的混凝土和易性易于泵送，降低施工難度，提升施工效率，同時(shí)混凝土勻質(zhì)性良好，振搗過程中不分層、不離析，避免拆模后出現(xiàn)漏筋等由于和易性引起的質(zhì)量問題?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)依據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求、配合比設(shè)計(jì)規(guī)范，確保混凝土具有良好的和易性，混凝土流動(dòng)性好、包裹性好、無泌漿泌水。粉料用量為單方400kg，粉煤灰取代范圍0%-40%，礦粉取代范圍0%-30%，通過調(diào)整聚羧酸減水劑母液及小料用量，達(dá)到調(diào)整混凝土和易性的目的，混凝土配合比，見表1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 不同因素對隧洞混凝土和易性的影響

針對實(shí)體出現(xiàn)的漏筋問題，研究礦物摻合料中粉煤灰、礦粉取代率對于混凝土擴(kuò)展度、倒筒時(shí)間等和易性關(guān)鍵指標(biāo)的影響，混凝土性能測試，見表2；不同因素混凝土擴(kuò)展度測試結(jié)果，見圖1。

表2 混凝土性能測試

續(xù)表2 混凝土性能測試

圖1 不同因素混凝土擴(kuò)展度測試結(jié)果

研究礦物摻合料不同取代率對混凝土擴(kuò)展度的影響。研究結(jié)果表明，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土擴(kuò)展度呈現(xiàn)先增加后不變的趨勢，倒筒時(shí)間呈現(xiàn)先下降后不變的趨勢。當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，混凝土整體黏度下降明顯，倒筒時(shí)間明顯降低，為3.5s，但隨粉煤灰摻量增加，黏度改善并不明顯，表明粉煤灰滾珠效應(yīng)已到極限；礦粉摻入并不能顯著改善混凝土整體和易性，由于礦粉水化時(shí)間晚于水泥，通過與水泥形成的產(chǎn)物反應(yīng)，進(jìn)一步形成致密的水化產(chǎn)物，提高體系整體密實(shí)度，提高混凝土后期強(qiáng)度。

4.2 不同因素對隧洞混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

研究礦物摻合料中不同取代率對于混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響，混凝土抗壓強(qiáng)度，見表3；混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度，見圖2。

表3 混凝土抗壓強(qiáng)度

續(xù)表3 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖2 混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度

研究礦物摻合料對混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響。隨著粉煤灰摻量增加，混凝土長齡期(60d、90d)強(qiáng)度增長幅度明顯，當(dāng)粉煤灰摻量20%時(shí)，長齡期強(qiáng)度基本接近最大值，粉煤灰摻量繼續(xù)增加，強(qiáng)度增幅基本不變；隨著礦粉摻量增加，混凝土中長齡期(28d)強(qiáng)度增長幅度明顯，當(dāng)?shù)V粉摻量25%時(shí)，中長齡期強(qiáng)度基本接近最大值，礦粉摻量繼續(xù)增加，強(qiáng)度增幅基本不變。由于粉煤灰、礦粉通過水泥水化形成的堿性產(chǎn)物激發(fā)，進(jìn)一步發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成的水化產(chǎn)物使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高混凝土抗壓強(qiáng)度。但粉煤灰、礦粉水化速率不同，中期礦粉與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，后期粉煤灰與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，因此，粉煤灰主要貢獻(xiàn)長齡期強(qiáng)度，礦粉主要貢獻(xiàn)中期強(qiáng)度[3]。

4.3 隧洞混凝土耐久性能研究

研究模擬實(shí)體結(jié)構(gòu)點(diǎn)與點(diǎn)的溫差變化規(guī)律，提供理論依據(jù)，避免由于局部溫升過高導(dǎo)致的裂縫出現(xiàn)。01點(diǎn)溫差變化規(guī)律，見圖3；02點(diǎn)溫差變化規(guī)律，見圖4。

圖3 01點(diǎn)溫差變化規(guī)律

圖4 02點(diǎn)溫差變化規(guī)律

1-7位于1號(hào)點(diǎn)縱向中心處，1-12位于1號(hào)點(diǎn)縱向距離表面50mm處， 2-6位于2號(hào)點(diǎn)縱向中心偏上處，2-8位于2號(hào)點(diǎn)縱向距離表面50mm處1號(hào)點(diǎn)與2號(hào)點(diǎn)距離較近，為500mm，最高溫度都是67.9℃，降溫速率與升溫速率大致相同。大約在15d以內(nèi)溫差都控制在25℃內(nèi)，但1號(hào)點(diǎn)溫差較2號(hào)點(diǎn)溫差提升速率較快，且波動(dòng)較大，原因在于1號(hào)點(diǎn)位于混凝土構(gòu)件體的中心處，在混凝土構(gòu)件體中心處預(yù)留外露鋼筋柱，導(dǎo)致保溫效果會(huì)比2號(hào)點(diǎn)要差。約27-28d溫差突變，極具上升，可能是由于氣溫變化引起的。通過模擬溫差，確保溫差不高于25℃，有效避免了實(shí)體結(jié)構(gòu)由于溫差導(dǎo)致的溫度裂縫，拆模后，實(shí)體表面平整光滑，無裂縫等問題[4]。

5 結(jié) 論

1)由于粉煤灰的滾珠效應(yīng)以及填充效應(yīng)，隨著粉煤灰長摻量的增加，可顯著改善混凝土工作性，提升混凝土流動(dòng)度，降低混凝土的整體黏度，減少混凝土泵送過程中的阻力，盡量減小泵送設(shè)備的磨損，同時(shí)，由于水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，粉煤灰可提供長齡期抗壓強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰摻量20%時(shí)，混凝土流動(dòng)性及長期強(qiáng)度基本達(dá)到最大值。

2)由于礦粉28d活性指數(shù)達(dá)標(biāo)，因此等量替代水泥后，早期強(qiáng)度降低明顯，但中期強(qiáng)度增加幅度大，主要強(qiáng)度貢獻(xiàn)率高于水泥。當(dāng)?shù)V粉摻量25%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

3)通過模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)體整體效果良好，溫度差控制在25℃之內(nèi)，有效避免里表溫差導(dǎo)致的溫度裂縫等質(zhì)量問題的出現(xiàn)。