預(yù)制盾構(gòu)管片高性能混凝土的研究和應(yīng)用

摘要：結(jié)合北京地鐵預(yù)制盾構(gòu)管片施工，對配制管片高性能混凝土的原材料和配合比進(jìn)行了優(yōu)選。試驗證明，必須重視對水泥的選擇，重點是早期強度、堿含量以及與外加劑的適應(yīng)性。同時，必須重視對外加劑的選擇，使用改性三聚氰胺高效減水劑和聚羧酸系高效減水劑效果較好。另外，針對市場上石子級配較差的狀況，采用“組合級配”方法有效保證了混凝土中集料的級配，提高了新拌混凝土的工作性，保證了管片混凝土的勻質(zhì)性和耐久性。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)管片；高性能混凝土；質(zhì)量控制；三聚氰胺高效減水劑；聚羧酸高效減水劑

中圖分類號：TU525 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1000-4637（2006）04-31-03

0 前言

    目前地鐵施工中大量采用預(yù)制盾構(gòu)管片作為襯砌，管片混凝土必須使用高性能混凝土才能滿足各種設(shè)計和施工要求。這些基本要求是：①抗壓強度設(shè)計等級為C50，要求早強，即在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下滿足12h 一次模具周轉(zhuǎn)。②水膠比不大于0.35，混凝土坍落度小于70mm，易于澆注和振搗。③構(gòu)件幾何尺寸偏差要求高，幾何尺寸偏差要求小于1mm 。④構(gòu)件外觀質(zhì)量要求高，基本上要求達(dá)到清水混凝土的標(biāo)準(zhǔn)，即要求棱角完整無磕碰、外觀光亮、顏色均勻一致、表面致密氣泡少。⑤由于采用振搗工藝，混凝土必須有良好的觸變性，分層、離析和泌水小。⑥體積穩(wěn)定性好，裂縫少。⑦耐久性要求高，在耐久性指標(biāo)上明確提出了100 年耐久性的設(shè)計要求。對混凝土抗?jié)B性要求也很高，有的還有耐腐蝕要求。⑧低堿集料反應(yīng)性等。本文結(jié)合幾年來生產(chǎn)管片的實際經(jīng)驗，就管片高性能混凝土原材料優(yōu)選以及配合比設(shè)計進(jìn)行了總結(jié)。

1 原材料優(yōu)選

1.1 水泥

      混凝土裂縫是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素。當(dāng)混凝土發(fā)生破壞時，常常歸因于養(yǎng)護(hù)、集料、摻和料或者質(zhì)量控制，卻很少考慮水泥的影響。這可能是因為同一類型的水泥一旦通過了標(biāo)準(zhǔn)試驗就認(rèn)為它們是一樣的。然而事實上，不同廠家生產(chǎn)的同一類型的水泥,在抵抗混凝土開裂的能力方面有很大的差異。因此，高性能混凝土必須重視對水泥的選擇。配制不易開裂的管片混凝土應(yīng)重點考察以下幾個方面：（1）水泥早期強度好，并適合蒸汽養(yǎng)護(hù)，要求在低溫蒸養(yǎng)條件下（60℃以下）盾構(gòu)管片10h 脫模強度≥20MPa 。根據(jù)經(jīng)驗,應(yīng)選擇強度等級不低于42.5MPa 的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。（2）為避免發(fā)生堿集料反應(yīng)，水泥的堿含量應(yīng)嚴(yán)格控制在0.6% 以下。（3）從經(jīng)濟(jì)性和耐久性兩方面考慮，應(yīng)選擇與高效減水劑適應(yīng)性好的水泥。

      本文選擇北京常用的三種普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5（甲、乙、丙）進(jìn)行對比試驗。其中混凝土脫模強度采用和實際生產(chǎn)一致的混凝土配合比（相同膠凝材料、相同水膠比、相同砂率）進(jìn)行，試驗結(jié)果見表1。與外加劑的適應(yīng)性試驗采用聚羧酸系高效減水劑，試驗結(jié)果見表2。

    通過表1和表2試驗結(jié)果可以看出：（1）三種水泥均屬低堿含量水泥，以丙的堿含量最低。（2）混凝土脫模強度：丙最高，乙中等，甲最低。（3）與外加劑適應(yīng)性：在水泥凈漿流動度基本相同的情況下考察外加劑摻量：甲>乙>丙，說明丙與高效減水劑的適應(yīng)性最好。

      綜合以上試驗結(jié)果，丙最適合配制管片高性能混凝土。

1.2 摻合料

      摻合料是高性能混凝土不可缺少的組分之一,常用的摻合料有磨細(xì)礦渣、粉煤灰、硅灰等。眾多試驗研究結(jié)果表明，磨細(xì)礦渣可以改善混凝土的和易性、提高混凝土的耐久性，尤其是耐腐蝕性可得到較大幅度的提高。但是，近年來的研究結(jié)果也顯示，摻加磨細(xì)礦渣配制混凝土的體積穩(wěn)定性越來越引起工程界的重視，磨細(xì)礦渣細(xì)度越大，混凝土工程早期開裂的越多。如某管片廠采用大摻量磨細(xì)礦渣摻和料生產(chǎn)管片，在存放6個月以后，和不摻加磨細(xì)礦渣摻和料的管片相比，外弧面裂縫更寬和更深。大量研究高性能混凝土文獻(xiàn)資料表明，單獨使用優(yōu)質(zhì)粉煤灰或者把磨細(xì)礦渣和粉煤灰復(fù)合使用可減少混凝土收縮，提高體積穩(wěn)定性[1] 。本文根據(jù)經(jīng)驗使用Ⅰ級粉煤灰作摻合料取得較好效果。

1.3 集料

      針對北京及周邊地區(qū)砂子細(xì)度模數(shù)普遍在2.5 以下的特點，本文將改善混凝土集料級配的重點放在粗集料上。目前北京市售石子存在的最大問題是級配不合格，其中有生產(chǎn)不穩(wěn)定的因素，也有生產(chǎn)和存儲過程中大小石子分離的問題。本文提出了“組合級配”方法，適當(dāng)提高粗集料中細(xì)料含量，較好解決了細(xì)集料細(xì)度模數(shù)較低和粗集料級配較差的問題。表3為從某山碎石廠購買的5～20mm 石子的實際篩分結(jié)果。

      從表3可以看出，該5～20mm 石子中10mm 以下粒徑偏少，已經(jīng)明顯低于規(guī)范的范圍。本文采用“組合級配”方法，既簡單易行，也不提高成本，取得了較好效果。所謂“組合級配”就是碎石廠根據(jù)混凝土企業(yè)提供的集料粒徑生產(chǎn)2種以上間斷級配的石子，由混凝土企業(yè)自己混合成滿足級配要求的連續(xù)級配石子。如盾構(gòu)管片需要最大集料粒徑為20mm 石灰?guī)r碎石，我們通過和碎石廠協(xié)商，由其提供5～10mm 、10～20mm 兩種級配的石子，在攪拌配料時按照25% 的5～10mm 碎石和75% 的10～20mm 碎石的比例混合，滿足生產(chǎn)要求，檢測結(jié)果見表4。

      半年來的應(yīng)用結(jié)果表明，采用組合級配方法有如下優(yōu)點：（1）克服了北京市場5～20mm 石子級配差的缺點，保證了級配穩(wěn)定。（2）大大減少了針片狀含量，提高了石子質(zhì)量。（3）可以根據(jù)砂子級配及時調(diào)整兩種石子的比率，解決了盾構(gòu)管片澆筑后浮漿過厚的難題。

1.4 外加劑的優(yōu)選

      混凝土減水劑要滿足低水膠比下流動性及其保持能力，減水率一定要大（一般在20%以上），且坍落度的經(jīng)時損失要較小，這就要選用高性能高效減水劑。目前北京常用的高效減水劑主要有三類：第一類是萘系高效減水劑，第二類是新型改性三聚氰胺系高效減水劑，第三類是聚羧酸系高效減水劑。使用這三類高效減水劑配制的管片混凝土，在新拌混凝土工作性、強度穩(wěn)定性、管片外觀質(zhì)量以及耐久性方面有較大區(qū)別。典型外加劑產(chǎn)品性能見表5。

     和水泥適應(yīng)性好壞是選擇外加劑的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。本文采用水泥凈漿流動度的方法檢測外加劑與水泥的適應(yīng)性。水泥采用與外加劑適應(yīng)性較好的丙種水泥。水泥用量300g，固定用水量87g 。試驗結(jié)果見表6。

      根據(jù)以上水泥凈漿試驗結(jié)果，比較三種減實際篩孔通過率11111 220 88 100 水劑減水率，聚羧酸鹽系>改性三聚氰胺系>萘系。一般地，萘系高效減水劑用量為0.7%～1.0% （折固），國內(nèi)改性三聚氰胺系減水劑摻量為0.45%～ 0.55%（折固），國外聚羧酸系高效減水劑摻量為0.10%～0.15%（折固）[2] 。

      聚羧酸系高效減水劑的減水性能明顯好于其它兩種類型產(chǎn)品，但價格也明顯高于其它兩類產(chǎn)品。綜合考慮減水劑品質(zhì)、與水泥適應(yīng)性試驗結(jié)果以及單方外加劑價格，初步確定使用國內(nèi)改性三聚氰胺高效減水劑和國外某聚羧酸高效減水劑進(jìn)行混凝土試配和管片制作，通過混凝土工作性、強度、管片外觀等效果進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)選。

2 配合比試驗和管片性能

2.1 配合比設(shè)計基本要求

      盾構(gòu)管片高性能混凝土配合比設(shè)計的難點在于：較小坍落度的混凝土在澆注時有良好的觸變性；振動成型過程中石子基本不下沉，分層離析小；混凝土澆筑后能夠盡快失去流動度形成初始結(jié)構(gòu)，易于抹面；早期強度高，滿足24h 周轉(zhuǎn)兩次的要求等。根據(jù)經(jīng)驗，配合比主要設(shè)計參數(shù)應(yīng)滿足如下幾條：（1）水膠比控制在0.31～0.33 之間。（2）膠凝材料總量不少于400kg/m3。（3）磨細(xì)礦渣和粉煤灰總摻量不超過膠凝材料總量的50%，其中磨細(xì)礦渣不超過30% 。（4）砂率一般控制在36%～40% 。

2.2 試驗室混凝土性能

     根據(jù)第2.1 條混凝土配合比設(shè)計原則，經(jīng)試驗最終確定的混凝土配合比及性能試驗結(jié)果見表7 和表8。

2.3 管片性能試驗

     在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，用兩種外加劑配合比進(jìn)行了盾構(gòu)管片生產(chǎn)試驗，重點考察生產(chǎn)工藝上的區(qū)別和管片成品外觀效果，結(jié)果如下：

（1）用改性三聚氰胺高效減水劑，混凝土粘聚性和保水性好，沒有混凝土離析和泌水現(xiàn)象，尤其是構(gòu)件外觀色澤均勻一致，有光亮感，氣泡小且少，滿足清水混凝土標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）用聚羧酸鹽高效減水劑，混凝土粘聚性和保水性也很好，沒有離析和泌水現(xiàn)象，構(gòu)件外觀也能做到色澤均勻一致，但是光亮感稍差，氣泡較多。

2.4 單方混凝土經(jīng)濟(jì)分析

      由于兩個配比中除減水劑外其它組分用量相同，因此經(jīng)濟(jì)分析只考慮單方外加劑成本。使用聚羧酸高效減水劑的1號配比，單方外加劑費用為32.4 元。使用改性三聚氰胺高效減水劑的2號配比，單方外加劑費用為27 元。綜合考慮新拌混凝土和硬化混凝土性能以及成本等因素，使用改性三聚氰胺高效減水劑的2號配合比進(jìn)行生產(chǎn)可以取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

3 工程應(yīng)用

       目前北京地鐵隧道施工大量采用了盾構(gòu)法施工技術(shù)，僅地鐵4# 線、5# 線和10# 線就需要直徑6m 的鋼筋混凝土盾構(gòu)管片總計約50km 。管片混凝土設(shè)計強度等級為C50，抗?jié)B設(shè)計等級為P10 。北京某公司為北京地鐵加工盾構(gòu)管片，到目前為止，使用改性三聚氰胺高效減水劑生產(chǎn)管片約3000 環(huán)，共計混凝土2萬m3，強度均達(dá)設(shè)計強度的115% 以上，混凝土抗?jié)B及管片成品檢漏試驗完全滿足規(guī)范要求，管片尺寸完全滿足設(shè)計要求，外觀光亮、顏色均勻一致、表面致密氣泡少，外觀質(zhì)量好，受到業(yè)主、施工單位、監(jiān)理單位的一致好評。

4 結(jié)論

（1）配制管片高性能混凝土必須重視對水泥的選擇。應(yīng)重點考察：①早期強度和低溫蒸養(yǎng)條件下（60℃ 以下）10h 脫模強度。②水泥堿含量。③與外加劑的適應(yīng)性。選擇和高效減水劑適應(yīng)性好的水泥可以取得良好的經(jīng)濟(jì)性和耐久性。

（2）通過對萘系、三聚氰胺系和聚羧酸系高效減水劑進(jìn)行大量對比試驗，證明使用改性三聚氰胺高效減水劑配制的混凝土粘聚性和保水性更好，離析和泌水現(xiàn)象少，早期強度增長快，脫模強度高，構(gòu)件外觀色澤均勻一致，有光亮感，氣泡少，完全滿足高性能混凝土要求。

（3）使用聚羧酸系高效減水劑，除表面氣泡較多外，其它性能和使用改性三聚氰胺高效減水劑基本相同，但生產(chǎn)成本較高。

（4）萘系高效減水劑可以配制出力學(xué)性能滿足要求的混凝土，但混凝土勻質(zhì)性差，離析泌水，很難達(dá)到高性能混凝土的要求。

（5）為了減少混凝土收縮開裂，提高體積穩(wěn)定性，摻和料宜采用I級粉煤灰，摻量不宜超過膠凝材料總量的20% 。

（6）針對北京市場石子級配較差的狀況，采用“組合級配”方法可以有效改善混凝土集料級配，提高新拌混凝土工作性，提高管片混凝土勻質(zhì)性和耐久性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭延輝，覃維祖，郭京育. 混凝土外加劑及其應(yīng)用技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 郭延輝，等. 聚羧酸系高性能減水劑及其應(yīng)用技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

收稿日期：2006-05-28

作者簡介：楊寒冰（1977-），男，工程師。

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