摘 要:介紹高流態抗滲混凝土的流化機理,從不同角度論述混凝土拌和物的組成對流變參數及硬化混凝土性能的影響,通過高流態抗滲混凝土在隧道襯砌工程中的應用實例,證明高流態抗滲混凝土完全可以應用于隧道襯砌工程中,并能取得較好的質量效果和經濟效果。
關鍵詞:客運專線; 隧道襯砌; 高流態抗滲混凝土; 材料性能
中圖分類號:U238; U455191 文獻標識碼:A
文章編號: 1004 - 2954 (2007) 04 - 0053 - 03
隨著各種隧道工程的不斷增加,地下工程中襯砌混凝土的使用量也越來越大,其作為施工過程中支護體系的最重要組成部分,直接影響到工程的安全、質量和進度。地下工程施工環境特殊,模板與巖石之間的空隙狹窄,對有較高防護要求的襯砌混凝土,其作業條件又差,混凝土材料離析、充填不足的情況時有發生,從而導致混凝土強度不足、開裂滲水,材料浪費、工時較長等問題出現。尤其是外觀質量,由于振搗不密實,在起拱線以下的邊墻上會出現較多的麻面、水泡、氣泡等缺陷,嚴重影響了混凝土的美觀及耐久性。經檢索相關資料,認為高流態混凝土不失為一條較好的解決隧道襯砌混凝土質量問題的新途徑。
高流態抗滲混凝土是指具有高流動度及高穩定性的混凝土。在預拌坍落度為80～120 mm的流動性混凝土拌和物中加入超塑化劑,經過攪拌,混凝土拌和物的流動性頓時增大,坍落度變為180～220 mm,它能像水一樣依靠混凝土的自重流動,在輕微振搗的條件下即可對空間狹窄、形狀復雜的結構進行施工。由于隧道襯砌混凝土既是承受圍巖壓力結構,也是防水的最后一道防線,因此要求隧道二次襯砌混凝土強度不僅要有足夠的強度,還要具有一定的抗滲性能。眾所周知,混凝土拌和物的流動性主要取決于用水量。一般來講,在原材料相同、混凝土各組成用量變化不大、成型方法能保證混合料充分密實的情況下,混凝土的強度隨著水灰比的增大而減小,其抗滲性也隨著混凝土密實度的減小而降低;而混凝土的流動性是隨著用水量的增大而增大的,這就是常說的強度及耐久性與流動性之間的矛盾,并且這種矛盾是不可調和的。要配制出既有較好的工作性、又有較好的耐久性(主要是電通量及抗滲性)的混凝土,僅僅采取矛盾平衡的方法是不夠的,還需要通過采取摻流化劑、礦物摻合料的雙摻措施,提高新拌混凝土的和易性以及混凝土的強度和抗滲性能。
1 高流態抗滲混凝土的流化機理
高流態抗滲混凝土配比設計中的主要問題是新拌混凝土在低水灰比、高膠凝材料含量的情況下如何使其具有較高的流動性和抗離析性,應用化學外加劑和礦物摻合料是解決這個問題的技術關鍵。按照最新的流變學理論,新拌混凝土屬賓漢姆流體,其流變方程為
式中 τ———剪切應力;
τ0———屈服前剪切應力;
η———塑性黏度;
dr/ dt———剪切速率。
τ0是阻止塑性變形的最大應力,在外力作用下混凝土拌和物內部產生的剪應力τ≥τ0 時, 混凝土產生流動;η是混凝土拌和物內部阻止其流動的一種性能,η越小,在相同外力作用下流動速度越快。由此可見,τ0和η是可反映混凝土拌和物工作性的兩個主要流變參數。當τ0 和η過小時,混凝土抵抗粗骨料與水泥砂漿相對移動的能力弱, 則容易產生離析。制備高流態混凝土的原理是通過外加劑、膠凝材料和粗細骨料的選擇搭配及精心的配合比設計,使τ0 減小到適宜的范圍,同時又具有足夠的塑性粘度(η) ,并使骨料懸浮于水泥漿中,不出現離析和泌水問題,能自由流淌充分填充模板,使其形成密實且均勻的結構,達到力學與耐久性要求。
當摻入高效減水劑后, 減水劑在水泥粒子界面的吸附和形成的雙電層,使水泥粒子間產生靜電斥力作用,拆散其絮凝結構, 釋放其約束的自由水, 水泥粒子間相互滑動的能力增大, 使混凝土開始流動的屈服剪應力τ0 降低,獲得高流動度, 同時能有效地控制混凝土用水量, 保證適宜的η值。因此, 混凝土的高性能與高效減水劑的作用是密不可分的。
在摻入礦物摻合料后, 由于礦物摻合料具有比水泥還要大的比表面積,其需水量增大,但在礦物摻合料和高效減水劑雙摻情況下, 能充分發揮礦物摻合料的微填充效應,改善新拌混凝土的顆粒級配, 從而使τ0減小,而礦物摻合料的滾珠效應,能進一步增大這種趨勢,使混凝土具有較好的和易性。
2 高流態抗滲混凝土的原材料
高流態抗滲混凝土所用的原材料與普通混凝土并沒有本質上的不同,但為了使其既具有較高的流動性和抗離析性,硬化后又具有較高的強度和較好的抗滲性能,就需要摻加具有引氣、保坍、緩凝、抗裂作用的復合高效減水劑。
2.1 水泥
水泥作為膠結材料,由于其化學和礦物成分不同,對于硬化前的可施工性能和硬化后的物理力學性能及耐久性有重要影響,所以,水泥質量的好壞是決定混凝土能否達到高性能的關鍵。一般認為C3A含量越高,混凝土的收縮越大,其抗滲抗裂性能也越差。在高流態抗滲混凝土的配置中,水泥熟料中C3A 含量≤8%(氯鹽環境下≤10% ) , 水泥氯離子含量不宜大于0.10% (鋼筋混凝土) ;氯離子含量不宜大于0.06%。各種水泥的流態效果、流化后的坍落度等的經時變化基本相同,一般選用滿足設計強度要求的普通硅酸鹽水泥即可,按照混凝土設計強度及和易性要求,膠凝材料一般控制在300～500 kg/m3 范圍。
2.2 流化劑
流化劑即高效減水劑,是配置高流態混凝土必不可少的組分之一,其減水的機理在前面已有討論,在此不再贅述。目前我國生產的主要有萘硫酸鹽甲醛縮合物、多環芳涇硫酸鹽甲醛縮合物和三聚氰胺硫酸鹽縮合物等,這些流化劑均對水泥有超強分散作用,減水率高達20%以上。我單位施工的石太客運專線太行山隧道進口段采用的是石家莊鐵園科技TY - 6A高效減水劑和北京成城CC - 2高效復合減水劑,其技術指標見表1。
2.3 水及水膠比
高流態抗滲混凝土用水的水質要求與普通混凝土相同,在混凝土拌和物中,水泥要達到完全水化所需要的用水量僅為水泥的25%左右。
在混凝土凝結硬化后,多余的水分在水泥石和集料的界面區域,高流態抗滲混凝土在隧道襯砌工程中的應用形成大量各種孔徑的孔隙,以及因混合料泌水和混凝土收縮所引起的微管和微縫,這些缺陷是導致混凝土強度和抗滲性能降低的根本原因。減少和消除這些缺陷,就需要通過摻加流化劑,在保證施工性能所要求的坍落度的基礎上,降低水灰比。
2．4 骨料
粗細骨料在混凝土中起著骨架的作用,它可以提高混凝土的抗壓強度和耐久性,對新拌混凝土的流變參數也有很大影響。
(1)細骨料
高流態抗滲混凝土的細骨料應選用潔凈的砂子,最好選用圓形顆粒的天然河砂,砂率對新拌混凝土的流變特性有很大影響(圖1) ,砂率過大或過小都將引起塑性黏度(η)的增大, 但對屈服剪切應力(τ0 )的影響較小。當砂率過大時,骨料的比表面積和空隙率大,相對減弱了起潤滑骨料作用的水泥漿的厚度,從而使流動度減小;當砂率過小時,混凝土拌和物中砂漿數量不足,也造成流動性變差,特別是黏聚性和保水性很差。合理的砂率應是細骨料體積填滿粗骨料的空隙后略有富余,此時可獲得最大的流動性、良好的黏聚性和保水性,高流態混凝土的砂率一般選用38%～45%。
(2)粗骨料
粗骨料的最大粒徑和粒形對新拌混凝土的流變參數都有很大影響。從圖2中可以看出,隨著骨料粒徑的增大,新拌混凝土的塑性黏度和屈服應力都有所降低。為了滿足高流態混凝土流動性好、不離析的要求,最好選擇二級級配,其松散堆積密度大于1 500 kg/m3、緊密空隙率小于40%、壓碎值小于10%、5～25 mm的連續級配的骨料;同時,由于針片狀粗骨料的比表面積大,含量多時會增大粗骨料的孔隙率,從而降低混凝土拌和物的流動性, 所以針片狀骨料含量一般不超過10%。
2.5 礦物摻合料
礦物摻合料主要活性成分為活性SiO2 ,由于其顆粒極細,且具有火山灰活性效應,故能顯著改善混凝土拌和物的顆粒級配,增強硬化混凝土后期強度,提高抗滲性能,是高流態抗滲混凝土的必要組分。常用的礦物摻合料有粉煤灰、硅灰、超細礦渣等。其中硅灰的火山灰活性效應最強,其活性比水泥高1～3倍,在混凝土中兼起活性粘結料和填料兩種作用,有利于提高硬化混凝土的早期強度和抗滲性能。但由于硅灰的細度大,吸水率高,如果不同時摻加超塑化劑,將會降低混凝土拌和物的流變特性。
硅灰的適宜摻量一般為水泥的5% ～10%。粉煤灰含有大量的玻璃狀結晶礦物,絕大部分的粉煤灰顆粒呈表面光滑的實心球形玻璃體,其大小分布從直徑小于1μm到10μm,因而能顯著減少混凝土拌和物的用水量,減少泌水和離析現象。試驗表明,用粉煤灰替代30%的水泥,能使用水量減少7%。粉煤灰還具有很好的后期強度,試驗數據表明,摻加粉煤灰的混凝土28 d抗壓強度為同配比基準混凝土的91.2% , 365 d的強度為1.4% ,其后期增強效應是顯而易見的。超細礦渣是近年研究較多的又一種礦物摻合料,當其比表面積磨細到400～500 m2 /kg時,降低水化熱,減少高效減水劑的用量,減少坍落度損失,增強混凝土強度,提高抗滲性能。
3 高流態抗滲混凝土的性能
3.1 流動性能和工作度
混凝土混合料是由粒徑相差很大的各種固體粒子和液相構成的極為復雜的體系,傳統用坍落度筒測定坍落度的方法很難準確表征混凝土的流動性能。有關學者認為,高流態混凝土的流動性能可以用坍擴度來表示,也就是在測定混凝土拌和物坍落度的基礎上,還要測其擴散度,幾種不同配合比的高流態混凝土列于表2中。從中可以看出,配比1和配比3的坍落度相差很少,但配比1的坍落擴散度要大的多,說明配比1的流動性要優于配比3。施工實踐表明,高流態抗滲混凝土的坍落度一般應控制在18～22 cm。
注: Ⅰ—奈硫酸鹽型高效減水劑; Ⅱ—木質素硫酸鹽復合高效減水劑
3.2 坍落度損失
坍落度損失是高流態混凝土應用中值得注意的一個問題。摻入奈硫酸鹽型或木質素硫酸鹽復合型的高流態混凝土,在拌好后60 min,坍落度將降至與原來基體混凝土相同,其機理為拌和物中的水泥粒子由于超塑化劑的作用,相互排斥,釋放出水泥漿中網狀結構中的束縛水,但由于物理和化學性分散,水泥微粒增多,為降低微粒之間的吸附、靠近,使水泥粒子再次凝聚,使坍落度降低。
在高流態混凝土中,可以通過超塑化劑與緩凝劑并用及流化劑反復添加的方法來減少坍落度損失。試驗表明,通過反復添加減水劑,可維持坍落度2 h以上,并且沒有發現對混凝土強度的不良影響。
3.3 抗壓強度和抗滲性能
高流態抗滲混凝土中摻入粉煤灰、硅灰、超細礦渣等活性礦物摻合料,可顯著改善混凝土的顆粒級配,使其硬化后具有較高的密實度,同時還可以改善水泥石的相組成,形成強度較高的低堿性水化硅酸鈣,改善膠凝物質的質量,并使其數量增加。這樣,會使混凝土的強度和密實度大幅度提高,其抗滲性能也隨之提高。
在高流態混凝土中摻入膨脹劑,補償了混凝土的硬化收縮,改善了孔結構,使其具有更好的力學強度和抗滲性能。不同強度等級的高流態抗滲混凝土與普通混凝土的配合比見表3。
4 高流態混凝土抗滲混凝土在南梁隧道襯砌中的應用
高流態抗滲混凝土具有優異的施工性能和抗滲性能,適用于在高速鐵路隧道襯砌中應用。石太客運專線鐵路二次襯砌混凝土設計總量為15 000 m3 ,設計襯砌斷面為圓拱形,襯砌厚度為30～40 cm,澆筑最大高度為10.5 m ,施工時工作面小、振搗困難。此隧道二次襯砌采用了高流態混凝土,降低了工人的勞動強度,大大縮短了混凝土建筑時間,避免了由于振搗不足而引起的混凝土質量事故,因摻入了價格低廉的粉煤灰,降低了水泥用量,取得了可觀的經濟效益。
參考文獻:
[1 ] 鐵建設[2005 ]160號,客運專線鐵路隧道工程施工質量驗收暫行標準[S].
[2 ] TZ214—2005,客運專線鐵路隧道工程施工技術指南[S].
[3 ] TZ210—2005,鐵路混凝土工程施工技術指南[S].
[4 ] 劉 川. 高性能防水防蝕混凝土在烏鞘嶺隧道的應用[J ]. 鐵道標準設計, 2005 (9).
