高強負溫自密實混凝土的配制技術研究

李歡歡

（上海隧道工程股份有限公司混凝土分公司，上海 200124）

0 前言

在上海地區，眾多大型隧道聯絡通道施工工藝通常采用冰凍法施工，即采取特定工藝人為對施工區域內的土體實施冰凍，在凍土中挖掘聯絡通道，并澆筑混凝土結構，待混凝土強度達到設計要求時，再撤除冷凍設施，最終完成聯絡通道結構的施工。在眾多的冰凍法施工的隧道中，由于隧道的聯絡通道的頂板與土體緊密接觸，因此混凝土施工時無法振搗，而自密實混凝土以其良好的流淌性和填充性能夠完成這一異型結構的施工。

由于處在凍土包圍的環境中，澆筑入模的自密實混凝土一直處于負溫的條件下，水化程度和水化速度都會逐漸降低，甚至會停止或被破壞，因此，必須考慮在負溫條件下混凝土的抗凍措施，同時仍能確保滿足其自密實的工作性能的要求。

根據以往施工經驗，冰凍土體的溫度較低（約-15℃），與空氣接觸的開挖面（即與混凝土相接觸的凍土面）上溫度約為-5℃，通常設計要求60天內混凝土在負溫狀況下強度需要達到C40。本文研究時設計負溫混凝土的配制溫度為-5℃，考慮混凝土的安全溫度在-10℃。

1 試驗用材料

（1）水泥：上海海螺明珠水泥有限責任公司，P.O42.5；

（2）復合礦物摻合料：FS（自配）；

（3）高效減水劑：FLE-2 （自配）；

（4）高效復合防凍劑：CL（自配）；

（5）砂：安徽蕪湖，中砂，細度模數2.7；

（6）碎石：舟山，自密實專用石子。

2 高強負溫自密實混凝土設計強度概值討論

針對工程實際要求，在本研究中除采用正確的抗凍措施確保混凝土不受凍害外，首要的是合理確定混凝土配制強度概值，使混凝土在負溫條件下、工程規定齡期內能滿足結構強度規定值。

在冬期混凝土施工中一般用成熟度法來確定(推測)混凝土早期強度。為判斷所設計的混凝土配合比在長期恒負溫條件下能取得的強度值，本研究建立在成熟度推斷方法上進行探討。

在冬季條件下混凝土的施工，養護溫度與時間是影響混凝土強度最重要的兩個參數。早在1951年英國學者紹耳(A.Saul)就提出，混凝土強度是以水的冰點起算的溫度與時間的乘積的單葉函數，他把溫度和時間的積稱為成熟度(度時積)，即認為同一種配合比的混凝土，只要達到相同的成熟度(M)，就會有大致相同的強度。隨后有學者提出了紹耳度時積公式、阿累尼烏斯成熟度公式等。在進一步實踐中發現，混凝土強度相同時，成熟度值未必相同，紹耳混凝土成熟度適應的溫度段和強度段窄。為了拓寬公式的適用范圍我國學者方光秀等于2002年提出了新混凝土成熟度[1]公式，見公式（1）。

式中 M——新混凝土成熟度，℃·d；

Ti——在ti時間內混凝土養護的平均溫度(℃)，適用于-10～105℃；

ki——溫度影響系數；它的含義是以20℃為基準的不同溫度的影響效應(倍數)。

新成熟度公式把成熟度小于或等于840℃·d的混凝土強度統稱為早期，并提出了用成熟度預測混凝土早期強度的公式，見公式（2）。

式中 fcu－預測混凝土早期相對強度值（相對于標準條件下養護28d的混凝土強度，以百分點計）

設計負溫混凝土的配制溫度為-5℃，養護周期為60d。溫度影響系數ki查表[1]為0.27，按新成熟度公式（公式（3））計算：

由于該成熟度遠小于840℃·d，可按混凝土新成熟度強度公式(3)推算：fcu=46.1。

由計算結果可知，在凍土環境條件下，負溫混凝土的強度相對于標準條件下養護28d的混凝土強度為46.1%，由于通常自密實混凝土配方采用低水膠比(≤0.42)，并摻加復合礦物摻合料，fcu推測值將會增大，故fcu取值考慮50%較為適宜。由此可算得所需混凝土配制強度概值約為80MPa左右。

3 高強負溫自密實混凝土配制技術研究

3.1 基本配合比的設計研究

由上述強度推算，混凝土配制強度概值為80MPa，屬高強混凝土。混凝土需同時滿足高強、自密實和適應負溫施工性能，初步考慮配制基本特點是在低用水量、低水膠比、摻加復合礦物摻合料及摻入一定量的混凝土外加劑（含減水劑、防凍劑與早強劑等）條件下，使新拌混凝土的流變性能符合高填充性要求，并要確保硬化混凝土在負溫條件下不受凍害，且在負溫介質下混凝土的強度增長能滿足工程要求。

考慮配制強度概值為80MPa，根據我公司以往的工程實踐經驗，確定混凝土水膠比為0.29。據我公司對自密實混凝土試驗研究及工程實踐認知：配制預拌自密實混凝土的技術關鍵是解決新拌混凝土的高流動性與高抗離析性的平衡與制約，并要確保在混凝土澆注入模前始終保持這種適宜的平衡與制約，然后在澆注入模后新拌混凝土中砂漿要迅速聚沉凝結，才能確保預拌自密實混凝土的工作質量[2]。

對于自密實混凝土的高流動性與高抗離析性的平衡與制約這對矛盾可以用圖1表示。

由圖1可見新拌混凝土具有良好填充性的區間是在高流動性與高抗離析性平衡點的附近。在這良好填充區間內尚可分兩個區域，A區域為高流動性略大于高抗離析性區域；B區域為高抗離析性略高于高流動性區域。對自密實混凝土的配制宜采用高抗離析性略大于高流動性B區域的混凝土，此時用U形儀測得的△U（U型儀高度差指標）較小。在低水膠比自密實混凝土配方設計中，膠凝材料組成、砂漿體積與混凝土外加劑用量是影響新拌混凝土高填充性的重要參數。為使新拌混凝土的塑性粘度與抗剪屈服值取得接近最佳平衡點，配制較合理的配方，采用正交表L9(33)設計試驗，試驗因素水平見表1，試驗結果見表2。

表 1 試驗因素水平表

由正交試驗結果可以觀察到，在所選擇的設計參數范圍內，由U形儀測得的△U值除6號和2號點外，其余的測定值均小于2mm，說明均有良好的填充性；從△U的極差R分析中發現A、B與C三因素未有顯著差異。但從擴展度∮測定結果中分析，發現A因素（Vp），即凈漿體積是影響擴展度的首要參數，為使新拌混凝土的工作性接近符合圖1中的B區域，即采用高抗離析性略大于高抗流動性的混凝土，綜合分析△U與擴展度測定結果，自密實混凝土確定采用A3B1C3配方，U型儀高差△U為0 mm，擴展度∮為585mm，工作性能良好。故以此配方作為本項目的基本配合比。

3.2 抗凍技術措施的探討和抗凍臨界溫度的確定

對于混凝土的抗凍機理從60年代的冰點理論開始發展至今形成了多種理論。其中，臨界強度理論較為實用，從抗凍臨界強度或從抗凍臨界狀態考慮，在負溫混凝土中防凍劑是不可缺少的組分[3]。

抗凍臨界溫度可近似理解為不硬化溫度,對于不硬化溫度許多學者認為對應于防凍劑摻量不應為一個定值[4]。本研究設計最低安全溫度為-10℃，采用高效復合防凍劑的混凝土工程配方能否經受住-10℃的抗凍損傷，有必要測定其抗凍臨界溫度。由于沒有精確測定抗凍臨界溫度的試驗條件,本研究采用的試驗方法是：混凝土試件成型后經過多次降溫，繪制混凝土強度發展曲線，出現強度下降轉折點的溫度近似理解為本負溫混凝土的抗凍臨界溫度。環境溫度變化狀況如表3，相應混凝土抗壓強度變化數據見表4和圖3。

表3 抗凍臨界溫度試驗方法

表4 抗凍臨界溫度試驗抗壓強度數據

由圖3 測定結果可以發現:

（1）不摻加防凍劑僅摻高效減水劑的混凝土B4，其負溫下的強度值遠低于摻加高效復合防凍劑的混凝土B3，3d強度僅為3.3MPa，低于冬期施工規程規定的臨界強度是4～5MPa的技術要求。

（2）摻有高效復合防凍劑的混凝土B3，3d負溫強度為8.8 MPa,滿足冬期施工規程規定的臨界強度指標。在超過臨界強度后轉入-10℃環境中養護7d,混凝土強度仍能持續增長；但在轉入-15℃環境中養護7d后混凝土強度呈現下降,表明本研究確定的工程混凝土配方,其抗凍臨界溫度概值為-10℃，能滿足工程安全環境溫度要求。

（3）在第18d開始將溫度恢復到-5℃以后，B3和B4的強度均有所增長，表明兩者均具有一定的抗負溫潛力。

3.3 高強負溫自密實混凝土配合比參數的確定

根據上述測定結果我們設計了滿足大型隧道凍土法施工聯絡通道用高強負溫自密實混凝土的配合比，參數如表5。

表5 高強負溫自密實混凝土配合比參數

由于預計環境溫度在-5℃,根據表5所確定的混凝土配方在恒負溫(-5℃)養護條件下，模擬強度測定結果見表6。

表6 聯絡通道混凝土負溫(-5℃)混凝土強度測定值 MPa

由表6測定結果可見，本研究采用高效復合防凍劑的技術方案是正確的。它能在負溫條件下混凝土強度持續增長，其60d強度值仍能滿足工程施工要求。

4 結語

（1）采用低水膠比、適宜復合礦物摻合料組成與高效減水劑是設計高強負溫自密實混凝土的基本手段；摻入復配的高效復合防凍劑有利于降低混凝土抗凍臨界溫度。

（2）在低水膠比自密實混凝土配方設計中，膠凝材料組成、砂漿體積與混凝土外加劑用量是影響新拌混凝土高填充性的重要參數。其中砂漿體積是首要參數，采用高抗離析性略大于高抗流動性B區域的技術方案是正確的。

（3）用成熟度法來確定(推測)混凝土早期強度，通過判斷所設計的混凝土配合比在長期恒負溫條件下能取得的強度值，來確定高強負溫自密實混凝土配制強度概值是可行的。

[1]方光秀，李發千等．混凝土成熟度新論及新成熟度準則應用[J]．低溫建筑技術，2002，（2）：2-4

[2]林政，林鶯等．預拌自密實混凝土工作質量控制技術研究[A]．“高強與高性能混凝土及其應用”專題研討會論文集[C]，2002：154-160

[3]朱衛中．負溫混凝土科學技術研究再反思[J]．低溫建筑技術，2002(3)：1-4

[4]朱衛中，尚曉林．冬施中混凝土抗凍臨界強度若干概念的理解與實踐[J]．施工技術，1995(10)：30-33