摘 要 結合南水北調中線穿黃Ⅱ—A、Ⅱ—B標工程預制盾構管片的施工，對配制管片高性能混凝土的原材料和配合比進行了優選。該配合比通過正交試驗，對內摻摻合料的高性能混凝土配合比的多項指標進行了考查，確定出經濟合理的配合比。依據該配合比配制的混凝土試驗結果表明：混凝土強度達到了C50、拌和物易于澆搗、抗滲等級滿足W12、抗凍等級滿足F200，堿含量僅2.18Kg/m3；通過蒸養工藝的優化，有效提高了混凝土的早期強度，使8h（含升、降溫過程）蒸養強度達到20MPa以上，達到每天可以生產兩批產品的效率。
關鍵詞 盾構管片 高性能混凝土 配合比 蒸養工藝
南水北調工程中線穿越黃河為兩條平行大直徑地下圓型輸水管道，采用預制盾構管片作為襯砌，盾構管片混凝土設計要求為C50W12F200。
盾構管片混凝土基本要求如下：（1）抗壓強度設計等級為C50，要求早強，即在蒸汽養護條件下滿足12h一次模具周轉，且蒸養時間不得超過8h（包括升溫和降溫過程，拆模溫度不大于30℃），吊運強度要達到20MPa左右，不得低于15MPa。（2）水膠比不大于0.35，混凝土坍落度小于70mm，易于澆筑和振搗。（3）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。（4）體積穩定性好，裂縫少。（5）耐久性要求高，混凝土抗滲性等級為W12，抗凍F200。（6）低堿集料反應性，混凝土總堿含量不大于2.5kg/m3。本文就該配合比選擇的整個過程進行總結。
在國內已完成的同類工程中，預制盾構高強蒸養混凝土以至少一天為一個生產周期，蒸養時間相對較長，蒸養時間≥10h。膠材總量≥400Kg/m3，堿含量≥3.0 kg/m3。本試驗混凝土配合比突出的重點是膠凝材料總用量369kg/m3，該混凝土蒸養時間僅8h，蒸養強度大于20MPa，總堿含量只有2.18 kg/m3。
1 原材料的初選
1.1 水泥
混凝土裂縫是影響結構耐久性的重要因素。配制高性能蒸養混凝土必須對水泥進行選擇，應考察以下幾方面：（1）水泥早期強度好,并適合蒸氣養護,要求在低溫蒸養條件下(60℃以下)盾構管片8h，脫模強度≥20MPa。因此要求水泥強度不低于42.5MPa的普通硅酸鹽水泥。（2）為了避免發生堿集料反應，水泥的堿含量控制在0.6%以下。
本試驗選擇了兩個廠家（A、B）P.O42.5水泥進行了對比試驗，采用同水膠比，同粉煤灰摻量，相同的起始混凝土拌和物溫度和蒸養工藝進行試驗，其檢測結果見表1。
通過表1的試驗結果表明：A和B 的堿含量均滿足要求，且A＜B；脫模強度可表明B 不滿足要求，因此選擇A進行配合比試驗。
表1 混凝土脫模強度試驗結果表
|
項目 廠家 |
堿含量（%） |
抗壓強度 |
脫模強度(MPa) | |
|
3d |
28d | |||
|
A |
0.53 |
26.4 |
54.2 |
21.5 |
|
B |
0.56 |
24.9 |
53.0 |
17.3 |
|
標準要求 |
≤0.6 |
≥16.0 |
≥42.5 |
≥20.0 |
1.2 粉煤灰
一般認為摻用粉煤灰不利于提高蒸養混凝土的強度，但摻優質I級粉煤灰后蒸養混凝土具有更優良的力學性能、更好的耐久性、更好的經濟性（具有較好的減水效果）。同時，摻用優質粉煤灰將提高混凝土的體積安定性，有利于防裂，還能抑制堿集料反應，改善混凝土拌和物的施工性能。本試驗采用優質的I級粉煤灰進入配合比試驗。
1.3 集料
細骨料為人工砂，細度模數在2.6以上，石粉含量控制在6～18%，顆粒級配符合中砂的標準要求。
粗骨料為石料廠生產的5～20mm(D20)和20～40mm(D40)人工破碎石，其各項指標滿足規范要求。
1.4 外加劑
使用優質高效減水劑。聚羧酸高效減水劑是第三代高效減水劑，不僅減水率較高（大于20%），含堿量低，而且適于蒸養。選擇三個廠家（C、D、E）的聚羧酸高效減水劑與水泥的適應性進行檢測，全部符合標準要求，且減水率均在20%以上，考慮三種外加劑作為正交試驗的一個因素進行配合比。
引氣劑將降低混凝土的強度，但管片混凝土有W12F200的抗滲和抗凍要求，因此須摻引氣劑使拌和物的含氣量不宜低于4.0%。
2 蒸養工藝
選擇合適的蒸養工藝。控制蒸養溫度，在不影響混凝土質量的情況下盡可能縮短升降溫時間，延長恒溫時間，從而可以提高混凝土早期強度。本文選擇不同的蒸養時間來進行對比試驗，確定出配合比設計中蒸養的過程。采用同水膠比（0.32），同粉煤灰摻量（20％），相同的起始混凝土拌和物溫度，不同的蒸養時間進行試驗，檢測結果見表2。
起始混凝土拌和物溫度18.5～20℃，拆模溫度30±1℃。
考慮調整配合比參數（煤灰摻量減少）對混凝土強度的影響，確定使用4號方案的養護方式。
表2 蒸養時間對拆模強度的影響
|
序號 |
蒸養時間(h) |
拆模強度(MPa) |
目標強度(MPa) | |||
|
升溫 |
恒溫 |
降溫 |
總用時 | |||
|
1 |
3 |
2 |
2 |
7 |
7.0 |
15～20 |
|
2 |
2.5 |
3 |
2 |
7.5 |
11.1 | |
|
3 |
2 |
3.5 |
2 |
7.5 |
12.1 | |
|
4 |
2 |
4 |
2 |
8 |
15.3 | |
|
5 |
2 |
4.5 |
2 |
8.5 |
16.3 | |
3 配合比試驗
3.1 試拌方案
設計要求C50W12F200，聯摻高效減水劑和引氣劑，控制混凝土拌和物的坍落度50～70mm，含氣量4～6%。采用L 9(34)正交表安排試驗，考核水膠比、粉煤灰摻量和不同的外加劑對標準養護和蒸氣養護混凝土性能的影響，具體內容如下：
（1）混凝土拌和物的性能；
（2）標準養護條件下，不同齡期混凝土的力學性能和設計齡期混凝土的耐久性能；
（3）蒸養后混凝土強度。
因素水平安排如表3。
表3 混凝土配合比試驗因素水平表
|
因素 水平 |
水膠比 |
煤灰摻量（%） |
外加劑種類 |
空列 |
|
1 |
0.30 |
10 |
C |
/ |
|
2 |
0.32 |
15 |
D |
/ |
|
3 |
0.34 |
20 |
E |
/ |
3.2 混凝土的性能
根據以上確定的混凝土配合比設計原則，進行了混凝土試拌，試拌后混凝土的力學性能及耐久性要求見表4，對混凝土抗壓強度進行極差分析，見表5。
分析結論及參數選擇：粉煤灰降低蒸養強度，選擇10%；考慮冬季施工變因，水膠比選擇0.32；外加劑品種對蒸養強度影響不顯著。
3.3 推薦配合比
經過以上試驗確定出以下配合比見表6。
3.4 蒸養工藝流程
通過以上試驗研究確定了經濟合理、易于操作的拌和和蒸養工藝流程見圖1。
表4 正交表試驗成果
|
因素 序號 |
水膠比 A |
粉煤灰 B |
外加劑 品種C |
空列 D |
坍落度(mm) |
含氣量(%) |
抗壓強度MPa 28d |
蒸養抗壓強度 (MPa) |
抗滲 (W12) |
抗凍(F200) |
|
1 |
0.30 |
10 |
C |
0.30 |
60 |
4.2 |
76.6 |
23.6 |
— |
— |
|
2 |
0.30 |
15 |
D |
0.30 |
65 |
4.2 |
74.4 |
21.2 |
— |
— |
|
3 |
0.30 |
20 |
E |
0.30 |
58 |
4.5 |
70.6 |
19.8 |
— |
— |
|
4 |
0.32 |
10 |
D |
0.32 |
68 |
4.1 |
65.0 |
21.3 |
— |
— |
|
5 |
0.32 |
15 |
E |
0.32 |
62 |
4.5 |
64.3 |
20.2 |
≥W14 |
≥F200 |
|
6 |
0.32 |
20 |
C |
0.32 |
70 |
4.3 |
66.8 |
16.7 |
≥W14 |
≥F200 |
|
7 |
0.34 |
10 |
E |
0.34 |
65 |
4.1 |
62.1 |
20.1 |
≥W14 |
≥F200 |
|
8 |
0.34 |
15 |
C |
0.34 |
70 |
4.1 |
64.3 |
17.8 |
≥W14 |
≥F200 |
|
9 |
0.34 |
20 |
D |
0.34 |
70 |
4.2 |
56.5 |
15.2 |
≥W14 |
≥F200 |
表5 L9(34)正交試驗成果分析
|
水平 |
總和(MPa) |
平均(MPa) | ||||||
|
水膠比 |
煤灰 摻量 |
外加劑 品種 |
空列 |
水膠比 |
煤灰 摻量 |
外加劑 品種 |
空列 | |
|
K1 |
64.6 |
65.0 |
58.1 |
59.0 |
21.5 |
21.7 |
19.4 |
19.7 |
|
K2 |
58.2 |
59.2 |
57.7 |
58.0 |
19.4 |
19.7 |
19.2 |
19.3 |
|
K3 |
53.1 |
51.7 |
60.1 |
58.9 |
17.7 |
17.2 |
20.0 |
19.6 |
|
R(極差) |
11.5 |
13.3 |
2.4 |
1.0 |
3.8 |
4.4 |
0.8 |
0.3 |
表6 混凝土施工配合比表
|
序號 |
水膠比 |
煤灰摻量(%) |
減水劑及 摻量 |
引氣劑FS-12A |
砂率(%) |
1m3混凝土材料用量（Kg/m3） | |||||
|
水 |
水泥 |
煤灰 |
砂 |
小石 |
中石 | ||||||
|
1 |
0.32 |
10 |
C (0.6%) |
0.8/萬 |
36 |
118 |
332 |
37 |
697 |
622 |
624 |
|
2 |
0.32 |
10 |
D (0.7%) |
0.8/萬 |
36 |
120 |
338 |
38 |
693 |
618 |
620 |
|
3 |
0.32 |
10 |
E (0.6%) |
0.8/萬 |
36 |
121 |
340 |
38 |
691 |
616 |
619 |
圖1 蒸養工藝流程
4 工程應用
目前中鐵十六局穿黃Ⅱ- A標管片預制混凝土已全部施工完畢。從施工單位反饋情況看，混凝土施工過程中混凝土施工性能良好，可以按照每天兩批進行生產，吊運強度均可以達到設計要求。管片整個工序全部完成后無結構缺陷（指露筋、孔洞、蜂窩、裂縫），無外形缺陷（指管片端頭不直、傾斜、缺楞掉角等）、無外表缺陷（指表皮麻面、掉皮、起砂、漏漿等），無外表油污、且顏色亮白、均勻一致。質量評定為優良，受到了業主和監理的好評。
5 結束語
經過一系列試驗選擇，確定滿足設計和施工要求的盾構蒸養C50高性能混凝土施工配合比和蒸養工藝，該配合比基本參數如下：減水劑摻量0.6%，水膠比0.32，用水量118kg/m3，膠凝材料總用量369kg/m3，其中水泥用量332kg/m3，粉煤灰37kg/m3。該配比混凝土8h蒸養強度大于20MPa，28d抗壓強度大于65MPa，抗凍抗滲性能滿足F200、W12的要求，總堿含量只有2.18kg/m3。被南水北調中線穿黃隧道工程采用效果良好。
