深隧工程預制混凝土復合摻合料制備及性能研究

孫丹丹，於林鋒

（上海市建筑科學研究院有限公司，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)域提高排水防澇標準的通常做法。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。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的硅灰筒倉，從施工便利性角度，若不將硅灰以復合摻合料的形式供應，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)境特點和服役高性能混凝土耐久性提升需求，開展深隧工程預制混凝土用復合摻合料的研究，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。

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

1 試驗

1.1 原材料

水泥：金山南方P·Ⅱ52.5水泥，主要性能指標見表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：?？蠂H貿(mào)易（上海）有限公司，半加密硅灰，主要性能指標見表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，抗拉強度646 MPa。

表1 水泥的主要性能指標

表2 硅灰的主要性能指標

1.2 預制混凝土復合摻合料配合比設(shè)計

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，研究復合摻合料總摻量為30%、35%、45%時，復合摻合料對預制混凝土性能的影響。其中復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預制混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

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方法標準》進行測試，混凝土抗壓強度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試，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方法標準》進行測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 復合摻合料配比對預制混凝土坍落度和力學性能的影響（見表4）

表4 復合摻合料配比對混凝土性能的影響

由表4可見：（1）采用復合摻合料的混凝土達到目標坍落度所需的聚羧酸減水劑用量提高了0.2～0.3個百分點。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，使混凝土達到目標坍落度[7－9]。

（2）采用摻合料后混凝土蒸養(yǎng)抗壓強度和1 d抗壓強度均有所降低；但采用含硅灰的復合摻合料后，混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強度和1 d抗壓強度整體有所提高，提高約5 MPa。這可能是因為混凝土中摻加摻合料會提高等效水灰比，延長混凝土的凝結(jié)時間，從而降低混凝土的早期抗壓強度[10]。但復合摻合料中含有硅灰，硅灰顆粒極其細小，可以起到加速形核效應，從而促進水泥水化[11]。此外，復合摻合料摻量在30%～45%時，隨著摻量的增加，混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強度呈下降趨勢。當摻合料摻量為45%時，混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強度明顯下降，下降約10 MPa。復合摻合料的使用并未影響C60預制混凝土7 d和28 d抗壓強度。

綜上所述，采用含有硅灰的復合摻合料對于提高C60預制混凝土的蒸養(yǎng)和早期抗壓強度有明顯作用。由于預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)抗壓強度或1 d抗壓強度。因此，建議深隧工程預制混凝土采用含硅灰的復合摻合料，其總摻量不宜超過35%。

2.2 復合摻合料配比對預制混凝土抗氯離子滲透性能的影響（見表5）

表5 復合摻合料對預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%；摻入含硅灰的復合摻合料后，當摻合料摻量在30%～35%時，混凝土的電通量和氯離子滲透系數(shù)均進一步下降約50%。當摻合料摻量增加至45%時，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。

復合摻合料摻量在30%～35%時，可增強混凝土的密實度，從而提高C60預制混凝土的抗氯離子滲透性能。當摻合料摻量增加至45%時，混凝土的抗氯離子滲透性能明顯下降。這可能是因為復合摻合料與常規(guī)摻合料相比加入了硅灰，硅灰中無定形SiO2含量可達90%以上，具有超高的活性，并且硅灰的顆粒細小、比表面積大，有利于火山灰反應的進行，填充混凝土毛細孔，使混凝土結(jié)構(gòu)密實。但摻合料摻量過大時，等效水灰比增加，導致?lián)胶狭系亩嗡軐嵦畛渥饔貌⒉蛔阋詮浹a等效水灰比變大毛細孔數(shù)量增加帶來的負效應[12－13]。因此，從抗氯離子滲透性能來看，C60預制混凝土的復合摻合料摻量也不宜大于35%。

2.3 纖維對預制混凝土蒸養(yǎng)強度和早期強度的影響

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制混凝土蒸養(yǎng)強度和早期強度的影響，結(jié)果見表6。

表6 纖維對預制混凝土蒸養(yǎng)強度和早期強度的影響

由表6可知，復合摻合料摻量在30%～45%時，摻加纖維后混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強度和1 d抗壓強度均明顯下降，蒸養(yǎng)抗壓強度下降幅度為19.5%～38.6%，1 d抗壓強度下降幅度為45.6%～49.7%。原因可能有2個方面：（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，導致混凝土的等效水灰比略有增加。因此，復合摻合料中摻加細纖維對混凝土抗壓強度基本無正效應[14]。

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

3 復合摻合料在預制混凝土中應用性能研究

根據(jù)以上試驗結(jié)果，并結(jié)合深隧工程混凝土服役環(huán)境，確定了深隧工程預制混凝土用復合摻合料的最佳配合比為礦粉、粉煤灰、硅灰復合摻加，其相對比例為50%∶30%∶20%。將該復合摻合料按35%摻量用于制備C60預制混凝土，對其各項性能指標進行測試，并與普通混凝土性能進行比較?；炷辆唧w配合比和試驗結(jié)果分別見表7和表8。

表7 C60預制混凝土配合比 kg/m3

表8 C60預制混凝土各項性能指標測試結(jié)果

由表8可知，摻加復合摻合料后混凝土的1 d和7 d抗壓強度雖然均有一定程度的降低，但蒸養(yǎng)抗壓強度、28 d和56 d抗壓強度可達到與普通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。試驗結(jié)果表明，摻加復合摻合料后混凝土的力學性能均能達到設(shè)計強度等級要求，且硅灰的存在顯著提高了C60預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合摻合料，C60預制混凝土的早期強度和抗氯離子滲透性能大幅提高，混凝土的早期強度提高約5 MPa，電通量和抗氯離子滲透系數(shù)均明顯下降50%。因此，建議深隧工程預制混凝土采用礦粉、粉煤灰和硅灰三摻復合摻合料體系。

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

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

（4）預制混凝土專用復合摻合料中礦粉、粉煤灰和硅灰的最佳比例為50%∶30%∶20%，用于制備C60預制混凝土時其最佳摻量為35%。此時，混凝土的抗壓強度均能達到設(shè)計強度等級要求，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。