紅谷隧道沉管后澆帶混凝土制備

李社偉，梁云飛，陳豫霆，李軍平

（1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司南昌市紅谷隧道工程施工項(xiàng)目經(jīng)理部中心試驗(yàn)室，江西 南昌 330209；2.北京市成城交大建材有限公司，北京 101105）

紅谷隧道沉管后澆帶混凝土制備

李社偉1，梁云飛1，陳豫霆1，李軍平2

（1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司南昌市紅谷隧道工程施工項(xiàng)目經(jīng)理部中心試驗(yàn)室，江西 南昌 330209；2.北京市成城交大建材有限公司，北京 101105）

針對沉管結(jié)構(gòu)服役條件的特殊性，對沉管后澆帶混凝土的工作性能、力學(xué)性能、抗?jié)B性能、耐久性能還有抗裂性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，配制適用于紅谷隧道沉管后澆帶施工的高性能混凝土，實(shí)現(xiàn)沉管高性能混凝土的性能均衡發(fā)展。

補(bǔ)償收縮混凝土；后澆帶；溫度-應(yīng)力；沉管法

0 前言

紅谷隧道位于南昌市，在南昌大橋與八一大橋之間，采用沉管法施工，全長 1305m，分為 12 節(jié)管段。管節(jié)長度在 90～115m，橫斷面尺寸為 30.0m×8.3m，底板、頂板和側(cè)墻厚度在 1.0～1.20m。結(jié)構(gòu)超長超厚，溫度應(yīng)力、干燥收縮較大，極易引起開裂[1]。為降低開裂風(fēng)險，保證隧道不滲不漏，管節(jié)設(shè)置后澆帶[2-3]。后澆帶混凝土強(qiáng)度等級為 C45，抗?jié)B性 P10，限制膨脹率在水中 14d≥0.025%，設(shè)計容重(2360～2390)kg/m3，混凝土 56d 電通量 ≤1000C。通過優(yōu)選原材料，綜合評價混凝土的流動性、硬化混凝土的力學(xué)性能、限制膨脹率和耐久性能，制備出性能符合要求的沉管后澆帶施工的補(bǔ)償收縮混凝土。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：江西贛江海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的 P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，物理性能見表 1。

表1 水泥性能

粉煤灰：江西益材粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的 Ⅰ 級粉煤灰，物理性能見表 2。

表2 粉煤灰性能

膨脹劑：北京成城交大建材有限公司生產(chǎn)的 CC-12 高性能膨脹劑，性能見表 3。

表3 膨脹劑性能指標(biāo)

砂：贛江河砂，中砂，含泥量 0.8%。

石：高安碎石，小石 5～10mm，大石10～25mm

減水劑：北京成城交大建材有限公司生產(chǎn)的 CC-AI 緩凝型聚羧酸系高性能減水劑，固含量 25%，減水率 39%。

1.2 試驗(yàn)方法

按配合比稱取原材料攪拌，測試新拌混凝土工作性，成型試驗(yàn)，脫模后養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、耐久性、限制膨脹率和溫度應(yīng)力測試，混凝土編號及配合比見表 4。

表4 混凝土配合比 kg/m3

新拌混凝土性能測試，參照 GB 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，主要測試新拌混凝土的坍落度、坍落度損失、容重、凝結(jié)時間等參數(shù)。

抗壓強(qiáng)度測試，參照 GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，分別測定混凝土的 3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度。

耐久性能測試，依據(jù) GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，測定混凝土 28d 抗水滲透系數(shù)和 56d 電通量。

限制膨脹率測試，依據(jù) GB 23439-2009《混凝土膨脹劑》進(jìn)行，測試混凝土限制膨脹率。

溫度應(yīng)力試驗(yàn)，采用混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)評價混凝土的開裂敏感性，試件總長度 1950mm，有效長度 1500mm，截面150mm×150mm，見圖 1。兩側(cè)配有溫控模板，根據(jù)試驗(yàn)需要，模板內(nèi)循環(huán)介質(zhì)可以對試件環(huán)境溫度進(jìn)行跟蹤或控制，從而保證混凝土環(huán)境溫度與中心溫度相同。當(dāng)試件的收縮或膨脹位移超過設(shè)定閥值（如 0.8μm），計算機(jī)系統(tǒng)就開始控制電機(jī)工作拉伸或壓縮，使其恢復(fù)到原有長度（根據(jù)約束度不同，恢復(fù)長度可調(diào)），此時荷載及位移傳感器實(shí)時記錄試件內(nèi)應(yīng)力和位移，系統(tǒng)反復(fù)進(jìn)行如此循環(huán)，直至混凝土試件斷裂。

圖1 混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)

2 結(jié)果與分析

2.1 新拌混凝土工作性能

后澆帶新拌混凝土工作性能測試結(jié)果見表 5。

表5 新拌混凝土工作性能

考慮后澆帶混凝土的可施工性及力學(xué)性能、耐久性能要求，混凝土坍落度設(shè)計為 (180±20)mm。由表 5 可知，三種配合比新拌混凝土出攪拌機(jī)時坍落度為 190～200mm，拌合物和易性好，容重在 (2360～2380)kg/m3，均滿足設(shè)計要求。

三組配比中 3# 混凝土水膠比最低，對混凝土長期性能有好處。此外，3# 混凝土的初凝時間為 8.5h，終凝時間為11.0h，滿足現(xiàn)場施工時間要求，綜合新拌混凝土各項(xiàng)性能，3# 混凝土配合比最適合。3# 混凝土拌合物出機(jī)狀態(tài)見圖 2。

圖2 3# 混凝土拌合物出機(jī)狀態(tài)

2.2 混凝土的力學(xué)性能

后澆帶混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表 6。

表6 混凝土抗壓強(qiáng)度 MPa

由表 6 試驗(yàn)結(jié)果可知，1#、2# 混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律基本一致，3d、7d 和 14d 分別為 28d 抗壓強(qiáng)度的 64%、82% 和89%。3# 混凝土強(qiáng)度發(fā)展略低，發(fā)展規(guī)律分別為 61%、78%和 84%。1#、2# 混凝土 28d 強(qiáng)度也基本一致，3#混凝土的強(qiáng)度最高，達(dá)到 56.4MPa。

沉管后澆帶強(qiáng)度等級為 C45，標(biāo)準(zhǔn)差 σ 取 5.0，則混凝土的配制強(qiáng)度不應(yīng)小于 53.2MPa。因此，只有 3# 混凝土滿足強(qiáng)度性能要求。各配合比強(qiáng)度不是太高，與本工程所用水泥也相關(guān)，因?yàn)橼M江海螺水泥的 28d 抗壓強(qiáng)度僅為 44.0MPa，說明其強(qiáng)度富余系數(shù)較低。

2.3 混凝土的膨脹性能

后澆帶混凝土膨脹性能是決定后澆帶施工縫是否會漏水的關(guān)鍵因素[4]，沉管后澆帶混凝土水中養(yǎng)護(hù) 14d 膨脹率應(yīng)不小于 0.025%，并滿足 GB 50119-2003《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。各組混凝土限制膨脹率試驗(yàn)結(jié)果見表 7。

表7 沉管后澆帶混凝土限制膨脹率測試結(jié)果 %

由表 7 結(jié)果可知，各配合比混凝土 14d 水中膨脹率為0.038%～0.042%，14d 后取出放入濕度為 (60±5)% 的干縮室養(yǎng)護(hù)至 42d（空氣中 28d）后，混凝土的限制膨脹率為0.015%～0.022%，說明混凝土產(chǎn)生了有效膨脹，并且有一定的膨脹能儲存在混凝土之中，并且限制膨脹率均滿足設(shè)計要求。

2.4 混凝土的耐久性能

后澆帶混凝土耐久性能以電通量測試方法表征，其測試結(jié)果見表 8。

表8 后澆帶混凝土 56d 電通量測試結(jié)果 C

表 8 測試結(jié)果表明，各配合比混凝土的 56d 電通量分別為 895C、814C 和 732C，達(dá)到了預(yù)定的低于 1000C 的目標(biāo)，說明混凝土均具有較好的耐久性。

2.5 混凝土抗?jié)B性能

混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 后，進(jìn)行混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)。壓力從 0.1MPa 加至 1.5MPa，每隔 8 個小時自動加壓0.1MPa，中間觀察試件是否有漏水。

當(dāng)壓力加至 1.5MPa 時，各試件均未被水穿透，各配比混凝土抗?jié)B性均達(dá)到 P14，滿足設(shè)計要求。試驗(yàn)結(jié)束后，將圓柱體試件劈開，測量滲水高度，各試件滲水高度為 2～3cm，表明混凝土試件抗?jié)B性能非常好。

2.6 溫度應(yīng)力試驗(yàn)

由于無法準(zhǔn)確獲知現(xiàn)場環(huán)境及工況要求，故選擇最嚴(yán)酷的試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?00% 約束下的近似絕熱溫升模式，即模板內(nèi)循環(huán)介質(zhì)溫度與混凝土中心溫度差控制在 ±0.3℃，達(dá)到近似絕熱狀態(tài)，混凝土溫度達(dá)到最高溫度后保持 48h，然后以2℃/h 的速率降溫，直至試件斷裂。選用 3# 配合比混凝土、沉管主體混凝土同時進(jìn)行溫度應(yīng)力試驗(yàn)，混凝土配合比見表9。

表9 溫度應(yīng)力試驗(yàn)混凝土配合比 kg/m3

混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)得到的溫度歷程和應(yīng)力發(fā)展情況見圖 3。

圖3 混凝土溫度和應(yīng)力發(fā)展趨勢對比

圖 3(a) 可以看出，對比樣 C40 主體混凝土性能的變化：T1 時刻為試驗(yàn)開始，混凝土制備并澆注入模，并開始水化放熱，溫度開始上升，在此過程中混凝土由粘塑性到粘彈性發(fā)展，彈模開始增加，由于粘塑性混凝土的線膨脹系數(shù)較大，水化放熱引起體積膨脹，并在約束條件下開始產(chǎn)生壓應(yīng)力，但是由于塑性階段的徐變較大，在溫峰到來之前的 T2 時刻已經(jīng)開始產(chǎn)生應(yīng)力松弛；在恒溫的 T3 到 T4 時刻，壓應(yīng)力仍然在持續(xù)減小，此時的形變應(yīng)為徐變和彈性形變的綜合效果； T4 時刻開始降溫，此時彈性形變減小，壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力；在 T5 時刻試件降溫達(dá)零攝氏度，此時拉應(yīng)力約為2.5MPa 但試件仍未斷裂，證明該混凝土能夠較好適應(yīng)溫度的變化，將試件強(qiáng)制拉斷得到開裂應(yīng)力 3.57MPa。

由圖 3(b) 可以看出，沉管后澆帶 C45 混凝土的溫度和應(yīng)力發(fā)展情況與對比樣 C40 主體混凝土有較大區(qū)別：C45 混凝土的溫度上升較劇烈，且溫升值較高，這與該配合比礦物摻合料較少、水灰比較低、強(qiáng)度等級較高的實(shí)際情況相符；對比溫峰階段的應(yīng)力發(fā)展情況，可發(fā)現(xiàn) C45 混凝土的壓應(yīng)力不但沒有隨著水化反應(yīng)減小，反而在降溫之前有一定的增加；降溫階段應(yīng)力迅速變化，從壓應(yīng)力逐漸減小進(jìn)而轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，并于降溫至 9.8℃ 時斷裂。

溫度應(yīng)力試驗(yàn)參數(shù)匯總見表 10。通過抗裂安全系數(shù) Kf與應(yīng)力儲備值評價兩個混凝土配合比的抗裂性能，其中，各配合比抗裂安全系數(shù)值 Kf分別為 4.89 和 2.43，遠(yuǎn)大于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的 1.15；應(yīng)力儲備分別為 79.5% 和 58.8%，均大于13%。因此，混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)證明，3# 配合比的 C45 后澆帶混凝土抵抗溫度應(yīng)力的性能較好，在實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)中因溫度應(yīng)力導(dǎo)致開裂的可能性較低。

表10 溫度應(yīng)力試驗(yàn)各參數(shù)

2.7 有害物含量驗(yàn)算

3# 配合比沉管后澆帶混凝土拌合物中堿含量、Cl-含量、SO3含量驗(yàn)算見表 11。

表11 混凝土拌合物有害物含量驗(yàn)算 kg/m3

由表 11 可以看出，混凝土拌合物中的堿含量為2.95kg/m3，Cl-含量為 0.06%（占膠凝材料質(zhì)量比），SO3含量為 2.42%（占膠凝材料質(zhì)量比），均小于設(shè)計規(guī)定的限值。

綜合考慮新拌混凝土工作性、硬化混凝土的性能，3# 配合比混凝土的各項(xiàng)性能均滿足沉管后澆帶補(bǔ)償收縮混凝土的性能要求和施工要求。

3 結(jié)論

通過對沉管后澆帶混凝土的工作性能、力學(xué)性能、抗?jié)B性能、耐久性能和抗裂性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，配制適用于紅谷隧道沉管后澆帶施工的高性能混凝土，對提高沉管隧道的工程質(zhì)量和服役壽命具有重要的意義。

[1] 劉行，許曉華，熊建波．沉管隧道管段混凝土裂縫控制技術(shù)[J]．施工技術(shù)，2013,42(3)：75-77.

[2] 張易謙，楊國祥，李侃．大型沉管隧道混凝土裂縫控制技術(shù)[J]．中國市政工程，2003,2：18-21+24.

[3] 朱家祥，陳彬，劉千偉，等．上海外環(huán)沉管隧道關(guān)鍵施工技術(shù)概述[J]．巖土工程界，2003, 8：2-5.

[4] 游寶坤，趙順增，劉立，等．補(bǔ)償收縮混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]．膨脹劑與膨脹混凝土，2009,1：65-70.

［通訊地址］江西省南昌市南昌縣東新鄉(xiāng)大洲村中鐵隧道集團(tuán)南昌市紅谷隧道工程中心試驗(yàn)室（523518）

Preparation of post-pouring concrete for immersed tube tunnel

Li Shewei1, Liang Yunfei1, Chen Yuting1, Li Junping2
(1. China Railway Tunnel Group Co., Ltd. Nanchang two Red Valley Tunnel Construction Project Management Department Central Laboratory, Nanchang 330209; 2. Beijing into the City Building Materials Co., National Chiao Tung University, Beijing 101105)

In view of the specialty of immersed tube structure service condition, systematical research on workability, mechanical property, and anti-cracking ability of post-pouring joint concrete were carried out. High performance concrete was finally prepared which is suitable for immersed tube tunnel construction.

shrinkage-compensating concrete; post-pouring joint; temperature-stress; expansive agent; immersed tube

李社偉（1972-），男，工程師。