水工隧洞二次襯砌自密實(shí)混凝土配合比優(yōu)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(xué)研究院；2 廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心）

0 引言

中國(guó)水資源時(shí)空分布極不均勻，水資源短缺和水環(huán)境惡化嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。為了解決水資源短缺問題，新中國(guó)成立之后，我國(guó)的長(zhǎng)距離引水工程發(fā)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(jì)渭工程、引江濟(jì)淮工程、南水北調(diào)工程等。這些引調(diào)水工程給我國(guó)的發(fā)展帶來的多方面的（如社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境）效益[2]。

輸水工程若采用地面輸水渠的形式，將會(huì)占用大量土地資源，且在輸水過程中將會(huì)有大量的蒸發(fā)及滲透損失。采用水工隧洞的形式，不僅可以節(jié)約土地資源，還可以避免地表氣候及沿途污染物污染水質(zhì)。因此在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的城市群，引調(diào)水工程常采用長(zhǎng)距離深埋輸水隧洞的形式布置。然而傳統(tǒng)的鉆爆法難以適應(yīng)長(zhǎng)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(gòu)法機(jī)械化，自動(dòng)化程度高，能適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)破巖、出碴、運(yùn)輸、襯砌等多種工序聯(lián)合作業(yè)，具有優(yōu)質(zhì)、高效、安全等優(yōu)點(diǎn)，已開始應(yīng)用于水資源調(diào)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(yùn)行期間除承受外部的水土壓力外，還須承受較大的內(nèi)水壓力；而盾構(gòu)管片單襯結(jié)構(gòu)無法承擔(dān)內(nèi)水壓力荷載產(chǎn)生的環(huán)向拉力，需采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)(外襯為盾構(gòu)管片，內(nèi)襯為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土或“鋼內(nèi)筒+混凝土”［5,6］。

由于輸水隧洞內(nèi)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(cāng)困難，無法充分地進(jìn)行人工振搗。若采用常規(guī)的泵送混凝土澆筑二襯，很難保證混凝土達(dá)到完全密實(shí)的狀態(tài)。自密實(shí)混凝土是一種高流動(dòng)度、高穩(wěn)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(guī)范要求的力學(xué)性能和耐久性能；并在狹小空間內(nèi)，有助于減少作業(yè)人員勞動(dòng)的強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；同時(shí)能消除因作業(yè)空間狹小、視線受限而產(chǎn)生的安全隱患。［7-9］

為了配置出滿足施工現(xiàn)場(chǎng)性能要求的自密實(shí)混凝土，本試驗(yàn)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(shù)對(duì)自密實(shí)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(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

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

表1 水泥和礦物摻合料的化學(xué)組成(%)

為了確保配合比采用最佳的粗骨料級(jí)配，碎石采用南寧市武鳴區(qū)甘圩鎮(zhèn)龍響山石場(chǎng)生產(chǎn)的5～10mm 碎石，表觀密度為2710g/㎝3，堆積密度為1320g/㎝3，壓碎指標(biāo)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(biāo)為11.4%，針片狀含量為3%,含泥量為0.3%。

細(xì)骨料采用始興湞江河砂場(chǎng)生產(chǎn)的河砂，細(xì)度模數(shù)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)試配結(jié)果確定，最終選定由廣東強(qiáng)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(yàn)方法

1.2.1 坍落擴(kuò)展度及T500 檢測(cè)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(wěn)地提起坍落度筒，使混凝土自由流出，測(cè)定擴(kuò)展度達(dá)到500mm 的時(shí)間T500。用鋼直尺在相互垂直的兩個(gè)方向測(cè)量混凝土的擴(kuò)展直徑，并計(jì)算兩個(gè)所測(cè)有效直徑的平均值作為混凝土拌合物的坍落擴(kuò)展度。

1.2.2 Bj 值檢測(cè)[10]

坍落度筒放在底板中心位置，下緣與200mm 刻度圈重合，J 環(huán)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(gè)過程中不施以任何振動(dòng)或搗實(shí)，隨即垂直平穩(wěn)地提起坍落度筒。用鋼直尺測(cè)量J 環(huán)中心位置混凝土拌和物頂面至J 環(huán)頂面的高度差，然后再沿J環(huán)外緣兩垂直方向分別測(cè)量4 個(gè)位置混凝土拌合物頂面至J 環(huán)頂面的高度差，單位為mm。

1.2.3 混凝土力學(xué)性能測(cè)試方法

混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)包括抗壓強(qiáng)度（7d 和28d）、抗?jié)B等級(jí)、抗凍等級(jí)等3 項(xiàng)，具體檢測(cè)方法遵循《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019) 的規(guī)定[11]。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

考慮到水工隧洞二次襯砌混凝土的受力和抗?jié)B要求，本研究目標(biāo)混凝土為C50W12。結(jié)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(kuò)展度性能等級(jí)為SF2（660～755mm)，T500 性能等級(jí)不低于VS1（2s～6s），間隙通過性要求障礙高差性能Bj 等級(jí)不低于BS1（20～40mm）。

綜合考慮外加劑配方及摻量、骨料級(jí)配、單位用水量、砂率、粉煤灰摻量、水膠比等7 個(gè)因素對(duì)混凝土性能的影響，開展本次配合比試驗(yàn)。根據(jù)以上要求，本次共設(shè)計(jì)不同配合比14 組，具體見表2。

表2 自密實(shí)混凝土試件的配合比

試驗(yàn)編號(hào)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(dá)到最優(yōu)，試驗(yàn)編號(hào)D 和E 配比砂率略有調(diào)整，除此以外，其他材料配比均相同。主要測(cè)試分析外加劑配方對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響。試驗(yàn)編號(hào)F-N 配合比外加劑均采用4#配方。

試驗(yàn)編號(hào)D 及試驗(yàn)編號(hào)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(cè)試外加劑摻量對(duì)混凝土工作性能的影響。

試驗(yàn)編號(hào)G 配合比相比于試驗(yàn)編號(hào)D，碎石由5～20mm 的單一粒徑調(diào)整為5～10mm 占比20%、5～20mm 占比80%級(jí)配組成。主要測(cè)試粗骨料集配對(duì)混凝土工作性能的影響。

試驗(yàn)編號(hào)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(yàn)編號(hào)G、J 及K 配合比，砂率分別為48%、46%、44%。試驗(yàn)編號(hào)J、L，粉煤灰摻量分別為20%、15%。測(cè)試分析不同砂率比例對(duì)混凝土強(qiáng)度和工作性能的影響。

試驗(yàn)編號(hào)L、M 及N 配合比設(shè)計(jì)的水膠比分別為0.41、0.36 和0.31，同時(shí)，調(diào)整砂率，對(duì)應(yīng)砂率為46%、45%和44%，其他配合比參數(shù)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(duì)自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響。

2 混凝土工作性能試驗(yàn)

2.1 外加劑配方優(yōu)選

外加劑符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑》（GB8076-2008） 和《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（GB50119-2003）的要求。

根據(jù)混凝土拌和試驗(yàn)情況，外加劑廠家在現(xiàn)場(chǎng)試配調(diào)整配方5 個(gè)，配方依次編號(hào)為1#、2#、3#、4#及5#，分別進(jìn)行5 次混凝土拌合物試驗(yàn)（試驗(yàn)編號(hào)A～E），以確定與工程水泥相容性良好、性能最優(yōu)的自密實(shí)混凝土外加劑。具體外加劑配方拌和試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 外加劑配方對(duì)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(kuò)展度損失為30mm，但坍落擴(kuò)展度較低，粘性大、結(jié)底，很快失去流動(dòng)性，同時(shí)，Bj值偏大，通過鋼筋的能力較差，不利于長(zhǎng)距離運(yùn)輸和較大尺寸結(jié)構(gòu)的施工。

2#配方混凝土拌和物與1#配方類似，粘性較大、易結(jié)底，失去流動(dòng)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(shí)坍落擴(kuò)展度損失稍快，不利于長(zhǎng)距離運(yùn)輸和較大尺寸結(jié)構(gòu)的施工。

3#配方混凝土拌和物存在流漿現(xiàn)象，粘聚性稍差，Bj值偏大，通過鋼筋的能力較差，坍落擴(kuò)展度損失中等，不利于長(zhǎng)距離運(yùn)輸和較大尺寸結(jié)構(gòu)的施工。

4#配方混凝土拌和物坍落擴(kuò)展度次大，Bj值最小，粘聚性最好，流動(dòng)性和粘聚性平衡，通過鋼筋的能力最好，坍落擴(kuò)展度損失最小，對(duì)長(zhǎng)距離運(yùn)輸和較大尺寸結(jié)構(gòu)的施工有利。

5#配方混凝土拌和物含氣量達(dá)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(kuò)展度損失大，不利于長(zhǎng)距離運(yùn)輸和較大尺寸結(jié)構(gòu)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(fā)揮外加劑的作用，同時(shí)為工程實(shí)際使用時(shí)儲(chǔ)備工作性調(diào)整的方法，將外加劑摻量由1.5%（試驗(yàn)編號(hào)D）提高到1.7%（試驗(yàn)編號(hào)F）進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(kuò)展度增加3.6%，T500縮短0.3s，但混凝土拌和物稍泌漿，表現(xiàn)為摻量偏大，其他性能滿足要求。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于運(yùn)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(duì)混凝土工作性能的影響

2.3 骨料級(jí)配的影響

從拌和試驗(yàn)看，當(dāng)拌和物的流動(dòng)性較大時(shí)，容易出現(xiàn)流漿現(xiàn)象，雖然坍落擴(kuò)展度和T500較大，但是Bj值也大，砂漿對(duì)碎石的包裹性不足，粘聚性降低，導(dǎo)致混凝土通過鋼筋的能力不足，不利于長(zhǎng)距離運(yùn)輸和較大尺寸結(jié)構(gòu)的施工。同時(shí)，考慮碎石扁平比較大，球度不足，粒形不太好，因此，考慮適當(dāng)增加碎石細(xì)顆粒的含量。

將碎石由5～20mm 的單一粒徑，調(diào)整為5～10mm 占比20%、5～20mm 占比80%級(jí)配組成（試驗(yàn)編號(hào)G），并進(jìn)行拌和試驗(yàn)，與試驗(yàn)編號(hào)D 比較，坍落擴(kuò)展度有所提高，Bj有所降低，總體上粘聚性改善。

表5 骨料級(jí)配對(duì)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(yàn)編號(hào)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(kuò)展度增大，T500和Bj減小，單位用水量平均每增加10㎏/m3，坍落擴(kuò)展度增大30mm。

表6 單位用水量對(duì)混凝土工作性能的影響

2.5 砂率的影響

由表7（試驗(yàn)編號(hào)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(kuò)展度增大，T500減小，Bj增大，表現(xiàn)為流動(dòng)性增大，粘聚性有所降低。

表7 砂率對(duì)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(yīng)，改善粉體的級(jí)配，降低拌和物的粘性，提高拌和物的流動(dòng)性，另一方面，粉煤灰通過二次水化反應(yīng)，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性，但粉煤灰的二次水化反應(yīng)主要在28d 齡期后進(jìn)行，一般情況下會(huì)降低28d 強(qiáng)度。根據(jù)《水工混凝土摻用粉煤灰應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》DL/T 5055-2007 第6.04 條規(guī)定，采用普通硅酸鹽水泥的預(yù)應(yīng)力混凝土中，粉煤灰最大摻量為15%[12]；《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》GB/T 50146-2014 第5.2.1 條規(guī)定，采用普通硅酸鹽水泥的預(yù)應(yīng)力混凝土中，當(dāng)水膠比不大于0.4 時(shí)，粉煤灰最大摻量為25%。[13]

由表8（試驗(yàn)編號(hào)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(kuò)展度、T500和Bj變化均較小。

表8 粉煤灰摻量對(duì)混凝土工作性能的影響

3 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

3.1 砂率的影響

由表9（試驗(yàn)編號(hào)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(qiáng)度有所增大。

表9 砂率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

3.2 粉煤灰摻量的影響

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

表10 粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

3.3 水膠比的影響

根據(jù)保羅米法則，混凝土的強(qiáng)度主要由水膠比決定，水膠比是最重要的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)。本次配合比設(shè)計(jì)的水膠比為0.41、0.36 和0.31，同時(shí)，調(diào)整砂率，對(duì)應(yīng)砂率為46%、45%和44%，其他配合比參數(shù)保持不變。由表11 可知，隨著水膠比的下降，自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度、T500及Bj值的變化均較小，混凝土7d 抗壓強(qiáng)度和28d 抗壓強(qiáng)度有所增加，混凝土工作性能滿足工程要求，其抗?jié)B、抗凍標(biāo)號(hào)也滿足要求。

表11 水膠比對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

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

圖1 抗壓強(qiáng)度- 膠水比關(guān)系圖

4 結(jié)語(yǔ)

⑴在配制自密實(shí)混凝土配合比中，外加劑對(duì)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(shè)計(jì)單位必須通過現(xiàn)場(chǎng)試配調(diào)整外加劑配方。考慮實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)施工運(yùn)距、氣溫等因素的影響，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)具體情況將外加劑摻量略微提高。

⑵相對(duì)于使用5～20mm 的單一粒徑，將碎石粒徑調(diào)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(kuò)展度增大，T500和Bj減??；單位用水量平均每增加10㎏/m3，坍落擴(kuò)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(dòng)性變差，28d 抗壓強(qiáng)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(kuò)展度、T500和Bj變化較小，但28d 抗壓強(qiáng)度有所增大?；炷恋?d 和28d 齡期抗壓強(qiáng)度隨膠水比（水膠比的倒數(shù)）增大而增大，兩者呈正比，具有線性相關(guān)性。