用于共同管溝襯砌的擠壓混凝土配合比及關(guān)鍵工藝研究

李文俊

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

擠壓混凝土襯砌簡稱 ECL，是英文 Extruded Concrete Lining的縮寫，即加壓灌注混凝土襯砌［1］。該工法需要輸送混凝土的機(jī)械和專門的開挖設(shè)備，如圖1所示。

該工法已在歐洲和日本得到了廣泛應(yīng)用，并積累了成熟的施工經(jīng)驗(yàn)。前蘇聯(lián)在1965年開始用于建涅格寧河總水管，隨后又用于莫斯科、第比利斯、明斯克、高爾基和古比雪夫的地鐵隧道;大約在1980年前，歐洲只是產(chǎn)生了擠壓混凝土的理念，但未得到推廣，后來才實(shí)現(xiàn)了用擠壓混凝土襯砌替換管片襯砌系統(tǒng);1981年，東京都下水道本田干線盾構(gòu)工程首次采用ECL施工工法;1987年，日本采用此技術(shù)完成了櫪木縣小山市公用道路下內(nèi)徑為1 200 mm的隧洞工程。而后擠壓混凝土襯砌施工進(jìn)入了快速發(fā)展階段。

圖1 擠壓混凝土襯砌盾構(gòu)主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of shield with extruded concrete lining

宋克志等［1］對ECL技術(shù)在我國應(yīng)用的可行性進(jìn)行了研究，認(rèn)為該技術(shù)在國內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景;顧國明等［2］系統(tǒng)地介紹了ECL工法的原理特點(diǎn)及基本施工方法，認(rèn)為該工法具有一般盾構(gòu)管片無法比擬的優(yōu)點(diǎn);朱敏等［3］結(jié)合擠壓混凝土工法的開發(fā)過程與現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了擠壓混凝土襯砌的特點(diǎn)及常用盾構(gòu)管片的優(yōu)缺點(diǎn)，并列出擠壓混凝土工法當(dāng)前存在的問題和技術(shù)難題，認(rèn)為ECL工法為當(dāng)前隧道界最先進(jìn)的工法之一，在我國的應(yīng)用前景十分廣闊。但現(xiàn)階段我國對該技術(shù)研究還相對較少，擠壓混凝土盾構(gòu)技術(shù)和襯砌技術(shù)尚屬空白。因此，需盡快引進(jìn)和掌握運(yùn)用擠壓混凝土工法施工和襯砌技術(shù)，以填補(bǔ)盾構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域的空白。

與傳統(tǒng)的盾構(gòu)隧道管片工法相比:該工法具有對地表影響小，襯砌整體性好，無防水維修費(fèi)，施工場地周邊和沿線的建筑物受損小等特點(diǎn)。但要實(shí)現(xiàn)擠壓混凝土襯砌施工，難點(diǎn)在于解決混凝土長時間高保坍(2～3 h，坍落度200 mm以上)與較高早期強(qiáng)度(1 d， 10 MPa以上)之間的矛盾關(guān)系，同時要求混凝土在此過程中不離析、不泌水。

本文主要從滿足擠壓混凝土各項(xiàng)性能的混凝土配合比設(shè)計(jì)及擠壓壓力控制方面進(jìn)行研究，以期為國內(nèi)擠壓混凝土襯砌應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 擠壓混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 擠壓混凝土性能指標(biāo)

1)高流動性:能有效填充盾構(gòu)掘進(jìn)形成的空隙; 2)高緩凝性:盾構(gòu)掘進(jìn)過程中不硬化;3)早強(qiáng)性:模板能有效循環(huán)利用，具有施工經(jīng)濟(jì)性;4)泵送性:通過泵送將混凝土輸送到掘進(jìn)形成的空腔;5)抗離析性:施工過程中不離析。

參考表1國外擠壓混凝土性能指標(biāo)，同時為滿足混凝土有效填充盾構(gòu)掘進(jìn)形成的空腔，以及擠壓混凝土襯砌施工時模具的高效循環(huán)利用等要求，本文提出試驗(yàn)時擠壓混凝土的性能指標(biāo)，如表2所示。

表1 國外擠壓混凝土性能指標(biāo)實(shí)例［4］Table 1 Performance indexes of extruded concrete in foreign countries

表2 本文提出的擠壓混凝土性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of extruded concrete proposed in the paper

1.2 原材料

考慮到研究成果的適用性，選擇了不同廠家、不同強(qiáng)度等級的普通硅酸鹽水泥，并對其進(jìn)行初終凝時間、體積安定性及各齡期強(qiáng)度等相關(guān)試驗(yàn)，同時對不同品牌的水泥細(xì)度、顆粒級配、堿含量及主要成分C3A含量等進(jìn)行分析，測定各水泥初始坍落度、保坍時間及其各齡期強(qiáng)度，最終選擇水泥比表面積在330～350 m2/kg，堿含量小于0.6%，C3A含量小于8%的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料含泥量要求小于0.6%，通過測定不同摻量粉煤灰保坍時間及各齡期強(qiáng)度，最終確定粉煤灰摻量為20%。

通過測定不同外加劑的減水效率、保坍性能及各齡期強(qiáng)度指標(biāo)，最終選擇常用的FAC聚羧酸高效減水劑，要求其減水效率在30%左右，摻量為1.0%～1.8%。

1.3 擠壓混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)混凝土性能指標(biāo)，參考JGJ 55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，計(jì)算出擠壓混凝土基準(zhǔn)配合比(質(zhì)量比)，即W∶C∶S∶G=240∶387∶592∶1 138。

采用正交試驗(yàn)方法對影響混凝土性能的各因素進(jìn)行優(yōu)化，通過正交試驗(yàn)極差分析，得出影響混凝土坍落度保持時間的主要因素及各因素的最優(yōu)組合方式［6－9］。

坍落度保持時間極差分析。由坍落度極差計(jì)算結(jié)果(見表3)可知，影響坍落度保持時間的因素順序?yàn)? A(水膠比)＞C(砂率)＞B(粉煤灰摻量)＞D(外加劑摻量)。

其中:A，C，B是主要影響因素，D為次要影響因素。影響坍落度保持時間的最優(yōu)組合為:A1B3C3。

由圖2可知，當(dāng)水膠比為0.42、粉煤灰摻量為20%(膠凝材料質(zhì)量)、砂率為38%、聚羧酸類高效減水劑摻量為1.5%(膠凝材料質(zhì)量)時，坍落度保持為最優(yōu)組合。

表3 L16(45)坍落度保持時間極差計(jì)算表Table 3 Range analyzing results of slump keep time of L16(45)

為了驗(yàn)證原試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性，沿位級趨勢探尋的方案是否預(yù)測的有效、準(zhǔn)確，進(jìn)而補(bǔ)充驗(yàn)證試驗(yàn)，如表4所示。

對于表3中坍落度保持最高的3組(1#，5#和10#)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，編號分別為17#，18#和19#。從趨勢圖上推斷的最優(yōu)條件為一個試驗(yàn)組，編號為20#。

補(bǔ)充試驗(yàn)結(jié)果表明:正交試驗(yàn)中的1#，5#和10#的試驗(yàn)結(jié)果具有可重復(fù)性。

試驗(yàn)組20#與17#相比，砂率較大，相應(yīng)的水泥用量較小，從新鮮混凝土拌合物形態(tài)看，水泥砂漿能夠更好地包裹粗骨料，和易性好;相比19#，20#粉煤灰摻量較大，同樣可減少水泥用量。18#由于混凝土泌水較為嚴(yán)重，且外加劑摻量相對較高，盡管其坍落度保持時間較長，但綜合考慮混凝土1d和28 d最終強(qiáng)度及施工經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)先選用20#配合比。

2 擠壓混凝土擠壓壓力控制研究

對于擠壓混凝土襯砌系統(tǒng)，通過擠壓壓力控制就能夠使混凝土獲得較高的早期強(qiáng)度，擠壓壓力控制是擠壓混凝土襯砌施工過程中的關(guān)鍵工藝，包括擠壓壓力大小控制和保壓時間控制2部分。通過對混凝土擠壓脫水，排除混凝土中多余水分，使其獲得較高的密實(shí)性，有利于提高混凝土襯砌早期強(qiáng)度?；炷翑D壓脫水如圖3所示。

圖2 因素位級趨勢圖Fig.2 Trends of factors

表4 補(bǔ)充的試驗(yàn)內(nèi)容Table 4 Supplementary testing results

圖3 混凝土擠壓脫水示意圖Fig.3 Dehydration of concrete under extrusion

通過對擠壓壓力控制的研究，得出滿足擠壓混凝土襯砌施工的最佳擠壓壓力和保壓時間，使擠壓混凝土在滿足施工所要求的大坍落度、高保坍時間的前提下，也能滿足混凝土襯砌所需的早期及最終強(qiáng)度要求。

為盡可能模擬擠壓混凝土盾構(gòu)對混凝土的擠壓脫水過程，設(shè)計(jì)制造了使用于擠壓混凝土脫水的專用試驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)采用厚15 mm，尺寸為150 mm×150 mm× 150 mm的鋼模，并在鋼模相鄰兩側(cè)面隨機(jī)位置各打4個直徑為0.5 cm的脫水孔，萬能試驗(yàn)機(jī)通過嵌入模具上部的擠壓傳力裝置施加壓力，對混凝土進(jìn)行擠壓脫水，如圖4和圖5所示。

按照最終得出的混凝土最優(yōu)配合比配置混凝土，進(jìn)行擠壓壓力在0.2～0.4 MPa，保壓時間分別為10，20，30 min的壓力控制試驗(yàn)。

2.1 0.2 MPa擠壓壓力控制試驗(yàn)

在擠壓壓力控制試驗(yàn)中，壓力為0.2 MPa，分別進(jìn)行時間為10，20，30 min的保壓試驗(yàn)，不同保壓時間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。同時測定混凝土1 d和28 d時的強(qiáng)度，如圖6和圖7所示。

圖4 混凝土擠壓脫水Fig.4 Photo of dehydration of concrete under extrusion

圖5 從脫水孔中排出的水Fig.5 Water extruded from dehydration holes

圖6 0.2 MPa，不同保壓時間下混凝土1 d強(qiáng)度Fig.6 1-day strength of concrete under 0.2 MPa extrusion pressure and different pressure keeping time

表5 擠壓壓力0.2 MPa，不同保壓時間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Data of tests made under 0.2 MPa extrusion pressure and different pressure keeping time

圖7 0.2 MPa，不同保壓時間下混凝土28 d強(qiáng)度Fig.7 28-day strength of concrete under 0.2 MPa extrusion pressure and different pressure keeping time

由于擠壓后混凝土試件尺寸變?yōu)榉菢?biāo)準(zhǔn)尺寸，為精確地計(jì)算擠壓后試件抗壓強(qiáng)度，故需對擠壓后試件尺寸進(jìn)行測量。圖8為對擠壓后試件尺寸的測量，圖9為破壞的混凝土形態(tài)。

圖8 擠壓后試件尺寸測量Fig.8 Specimen dimension measuring after extrusion

圖9 破壞的混凝土形態(tài)Fig.9 Damaged concrete

2.2 其他擠壓壓力控制試驗(yàn)

采用同樣的配合比，分別進(jìn)行壓力為0.3 MPa和0.4 MPa，保壓為10，20，30 min的擠壓控制試驗(yàn)。將試驗(yàn)結(jié)果繪制成折線圖，如圖10和圖11所示。

通過擠壓混凝土壓力控制研究可知，隨著擠壓壓力及保壓時間的提高，混凝土可獲得較高的早期(1 d)強(qiáng)度。但是，后期強(qiáng)度(28 d)隨著擠壓壓力的增高、保壓時間的延長，部分強(qiáng)度出現(xiàn)減低。

圖10 不同壓力及保壓下，混凝土1 d強(qiáng)度Fig.10 1-day strength of concrete under different extrusion pressure and different pressure keeping time

圖11 不同壓力及保壓下，混凝土28 d強(qiáng)度Fig.11 28-day strength of concrete under different extrusion pressure and different pressure keeping time

綜上試驗(yàn)表明:擠壓壓力控制在0.3 MPa，保壓時間為30 min，混凝土在滿足襯砌早期(1 d)強(qiáng)度的同時，也可獲得較高的后期(28 d)強(qiáng)度。

因此，通過試驗(yàn)研究得出，為使擠壓混凝土襯砌獲得較高的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，擠壓壓力宜控制在0.3 MPa，保壓時間宜控制為30 min。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)通過研究得出能夠滿足擠壓混凝土施工各項(xiàng)性能指標(biāo)的混凝土配合比為W∶C∶F∶M砂∶M石∶M外= 180∶343∶86∶673∶1 098∶6.4。采用該配合比的混凝土200 mm以上坍落度可保持150 min以上。

2)通過擠壓壓力控制試驗(yàn)研究，得出擠壓壓力大小宜控制在0.3 MPa，保壓時間控制在30 min。在此條件下，混凝土在經(jīng)過擠壓脫水試驗(yàn)后，1 d強(qiáng)度可達(dá)10 MPa以上，28 d強(qiáng)度可達(dá)45 MPa以上，能夠滿足擠壓混凝土襯砌施工要求。

3.2 討論

1)適用于擠壓混凝土水泥的選擇較為關(guān)鍵，本文在原材料選擇時，水泥的品種較少，選擇的廣度不夠。現(xiàn)場試驗(yàn)及推廣時，對水泥的要求嚴(yán)格，若水泥選擇不當(dāng)，容易造成擠壓混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)不到預(yù)定要求，推廣應(yīng)用會受到一定的影響。

2)適用于擠壓混凝土外加劑的選擇也比較重要，尤其是其與水泥的適應(yīng)性。本文在試驗(yàn)過程中缺少對擠壓混凝土所適應(yīng)的外加劑進(jìn)行研究，且外加劑廠家單一，沒有相關(guān)的替代品，實(shí)際推廣應(yīng)用時容易受外加劑質(zhì)量(穩(wěn)定性)的影響，也容易受制于外加劑廠家。同時對擠壓混凝土的耐久性問題研究不夠深入，可能導(dǎo)致現(xiàn)場及推廣應(yīng)用受限。

3)為了推廣擠壓混凝土襯砌施工技術(shù)，已跟中鐵裝備制造公司聯(lián)合研制擠壓混凝土盾構(gòu)，在該樣機(jī)制造出后，將利用該平臺進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對室內(nèi)試驗(yàn)成果進(jìn)一步優(yōu)化。

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