摘要：結合北京地鐵預制盾構管片施工，對配制管片高性能混凝土的原材料和配合比進行了優(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性和耐久性。

關鍵詞：盾構管片；高性能混凝土；質量控制；三聚氰胺高效減水劑；聚羧酸高效減水劑

中圖分類號：TU525 文獻標識碼：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制盾構管片作為襯砌，管片混凝土必須使用高性能混凝土才能滿足各種設計和施工要求。這些基本要求是：①抗壓強度設計等級為C50，要求早強，即在蒸汽養(yǎng)護條件下滿足12h 一次模具周轉。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構件幾何尺寸偏差要求高，幾何尺寸偏差要求小于1mm 。④構件外觀質量要求高，基本上要求達到清水混凝土的標準，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，在耐久性指標上明確提出了100 年耐久性的設計要求。對混凝土抗?jié)B性要求也很高，有的還有耐腐蝕要求。⑧低堿集料反應性等。本文結合幾年來生產(chǎn)管片的實際經(jīng)驗，就管片高性能混凝土原材料優(yōu)選以及配合比設計進行了總結。

1 原材料優(yōu)選

1.1 水泥

      混凝土裂縫是影響結構耐久性的重要因素。當混凝土發(fā)生破壞時，常常歸因于養(yǎng)護、集料、摻和料或者質量控制，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準試驗就認為它們是一樣的。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，要求在低溫蒸養(yǎng)條件下（60℃以下）盾構管片10h 脫模強度≥20MPa 。根據(jù)經(jīng)驗,應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，水泥的堿含量應嚴格控制在0.6% 以下。（3）從經(jīng)濟性和耐久性兩方面考慮，應選擇與高效減水劑適應性好的水泥。

      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）進行，試驗結果見表1。與外加劑的適應性試驗采用聚羧酸系高效減水劑，試驗結果見表2。

    通過表1和表2試驗結果可以看出：（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性最好。

      綜合以上試驗結果，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礦渣、粉煤灰、硅灰等。眾多試驗研究結果表明，磨細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，近年來的研究結果也顯示，摻加磨細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，磨細礦渣細度越大，混凝土工程早期開裂的越多。如某管片廠采用大摻量磨細礦渣摻和料生產(chǎn)管片，在存放6個月以后，和不摻加磨細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資料表明，單獨使用優(yōu)質粉煤灰或者把磨細礦渣和粉煤灰復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，適當提高粗集料中細料含量，較好解決了細集料細度模數(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，檢測結果見表4。

      半年來的應用結果表明，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。

     和水泥適應性好壞是選擇外加劑的一個重要標準。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性。水泥采用與外加劑適應性較好的丙種水泥。水泥用量300g，固定用水量87g 。試驗結果見表6。

      根據(jù)以上水泥凈漿試驗結果，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、與水泥適應性試驗結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、管片外觀等效果進行進一步優(yōu)選。

2 配合比試驗和管片性能

2.1 配合比設計基本要求

      盾構管片高性能混凝土配合比設計的難點在于：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構，易于抹面；早期強度高，滿足24h 周轉兩次的要求等。根據(jù)經(jīng)驗，配合比主要設計參數(shù)應滿足如下幾條：（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）磨細礦渣和粉煤灰總摻量不超過膠凝材料總量的50%，其中磨細礦渣不超過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 條混凝土配合比設計原則，經(jīng)試驗最終確定的混凝土配合比及性能試驗結果見表7 和表8。

2.3 管片性能試驗

     在室內(nèi)試驗的基礎上，用兩種外加劑配合比進行了盾構管片生產(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，滿足清水混凝土標準要求。

（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號配合比進行生產(chǎn)可以取得較好的技術經(jīng)濟效果。

3 工程應用

       目前北京地鐵隧道施工大量采用了盾構法施工技術，僅地鐵4# 線、5# 線和10# 線就需要直徑6m 的鋼筋混凝土盾構管片總計約50km 。管片混凝土設計強度等級為C50，抗?jié)B設計等級為P10 。北京某公司為北京地鐵加工盾構管片，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，強度均達設計強度的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計要求，外觀光亮、顏色均勻一致、表面致密氣泡少，外觀質量好，受到業(yè)主、施工單位、監(jiān)理單位的一致好評。

4 結論

（1）配制管片高性能混凝土必須重視對水泥的選擇。應重點考察：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與外加劑的適應性。選擇和高效減水劑適應性好的水泥可以取得良好的經(jīng)濟性和耐久性。

（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性能滿足要求的混凝土，但混凝土勻質性差，離析泌水，很難達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性和耐久性。

參考文獻：

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

[2] 郭延輝，等. 聚羧酸系高性能減水劑及其應用技術. 機械工業(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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