特長水工隧洞襯砌混凝土配合比的優化研究

羅 毅

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014)

0 引 言

隨著經濟的發展和高新技術的不斷應用，我國隧洞及地下工程得到了前所未有的迅速發展。截止2013年的統計數據，已建成的各類水工隧洞超過10 000 km，正在建設的引水隧洞超過1 000 km，已規劃的引水隧洞超過2 000 km。這些隧洞中，連續長度超過10 km以上的特長隧洞不勝枚舉，如已建成的大伙房隧洞單洞長度達85 km，在建的引漢濟渭工程中秦嶺隧洞單洞長度達82 km等。

輸水隧洞作為引、調水工程的主要建筑，其中混凝土襯砌環節是制約工期和保證質量最關鍵的一道工序。而長距離輸水隧洞混凝土襯砌施工具有更多的問題和挑戰，如支洞控制段過長所帶來的混凝土運輸、混凝土拌和物入倉特性、襯砌臺車的布置以及混凝土襯砌施工方案等系列問題。這就要求在混凝土的襯砌過程中，首先要嚴格控制襯砌混凝土的質量，優化混凝土配合比，以配制出適合現場技術要求和施工環境的混凝土；最后對施工組織方案進行科學設計和安排，二者配合下完成隧洞的襯砌施工。

混凝土配合比是按照一定方法，通過一系列試驗成果分析，確定滿足混凝土設計性能指標和施工工藝要求的單位體積混凝土中各種材料的用量[1,2]。配合比的優化就是在施工過程根據原材料質量的波動、施工工藝和環境的變化以及混凝土技術指標數據統計分析結果，在理論設計配合比成果的基礎上進行調整，以確定具體操作的施工配合比。

隨著對混凝土材料性能的深入研究，混凝土配合比設計優化已突破傳統的物理、力學以及耐久性能因素指標，還充分考慮了混凝土的變形、熱學以及經濟指標等因素。因此，混凝土配合比的設計優化[2,3]是試驗和研究相結合的過程，需要根據不同試驗組合下的成果分析，才能確定最終的混凝土配合比。本文立足于理論結合實踐，以某特長輸水隧洞工程為研究背景，對特長水工隧洞襯砌混凝土配合比的試配、調整、優化進行全過程研究。

1 工程概況

某重點供水工程，主體建筑物為無壓水工隧洞，隧洞全長131 km；洞室最大埋深590 m，最小埋深約12 m，主體埋深位于100～350 m。

隧洞全長共分為五個施工標段，采用鉆爆法為主和TBM為輔的聯合施工方法。其中鉆爆法施工隧洞呈馬蹄形斷面，成洞洞徑為7.3 m，長度為87 km，占隧洞總長的67%；TBM施工隧洞斷面為圓形，開挖洞徑為8.5 m，占隧洞總長的33%，如圖1所示。

圖1 輸水隧洞襯砌斷面圖(單位：mm)Fig.1 Section diagram of convey tunnel

隧洞襯砌混凝土屬于“薄壁”混凝土，如圖1所示，鉆爆法施工的馬蹄形隧洞斷面襯砌厚度為30 cm，TBM施工的圓形隧洞斷面襯砌厚度為35 cm。隧洞襯砌混凝土主要性能設計指標如表1所示。

表1 隧洞襯砌混凝土主要性能設計指標Tab.1 Main design indexes of lining concrete

參閱相關水利工程規范，對設計使用年限為100年的耐久性混凝土原材料如何選取、配合比如何設計等問題沒有給出明確的規定，這就更加有必要借鑒工程實踐的相關經驗和做法，對耐久性混凝土進行系統性研究，以確保工程采用的襯砌混凝土達到設計使用年限，減少后期的維修次數和費用。

2 混凝土配合比的設計

2.1 配合比的設計方法

混凝土配合比設計方法一般按照下列步驟進行計算[1,2]：①計算混凝土的配制強度；②根據配制強度和設計允許的最大水膠比限值初選水膠比；③根據施工要求的和易性選定用水量，并計算出膠凝材料的用量；④選取砂率，計算粗細骨料的用量；⑤通過實驗和調整，根據配制強度、混凝土耐久性要求和允許的最大水膠比限值選定水膠比，確定每立方米混凝土材料用量和配合比。

其中對于步驟③～⑤：

(1)膠凝材料根據初選水膠比、水泥、摻合料計算，如式(1)～式(3)所示：

mc+mp=mw/[w/(c+p)]

(1)

mc=(1-Pm)/(mc+mp)

(2)

mp=Pm(mc+mp)

(3)

式中：mc、mp、mw、Pm分別為每立方米混凝土水泥用量、摻合料用量、水用量、摻合料比例。

(2)粗細骨料的用量由已確定的用水量、膠凝材料用量和砂率根據“質量法”來計算，如式(4)～式(6)所示：

ms,g=mc,e-(mw+mc+mp)

(4)

ms=ms,gSm

(5)

mg=ms,g-ms

(6)

式中：ms,g、mc,e、ms、mg、Sm分別為每立方米混凝土骨料總質量、拌合物質量的假定值(根據相關規范取值)、細骨料質量、粗骨料質量以及砂率。

(3)水膠比的試配調整。水膠比除了應滿足混凝土設計強度等級要求外，還應滿足設計規定的抗滲、抗凍、經濟節省等要求。因此混凝土水膠比的試配調整，其目的在于找到一個既能滿足混凝土各項設計標準要求，同時又能節省水泥用量的經濟配合比方案。工程實踐中，有時為了簡化程序，僅僅單一注重混凝土強度指標，將混凝土的試配強度標準定得過高，以滿足其標準養護28 d的強度。這種做法所帶來的問題是：一方面不經過試驗難以保證混凝土的各項設計指標均符合要求，另一方面會導致水泥等膠凝材料用量過大所帶來的溫度裂縫和浪費等負面影響。因此，在初選水膠比后還需要進行水膠比的調整研究。

根據上述步驟，計算出相關參數后即可獲得混凝土配合比結果。

2.2 配合比設計參數確定

設計參數是配合比中最為關鍵的部分，其直接關系到混凝土各種材料的比例大小，直接影響著混凝土性能的優劣[2]。混凝土的設計參數有配制強度、水膠比、單方用水量、砂率、粗骨料比例、外加劑摻量以及摻合料摻量等。

(1)配制強度。參照相關規范，混凝土配制強度按式(7)計算：

fcu.o=fcu.k+tσ

(7)

式中：fcu.o為混凝土配制強度；fcu.k為混凝土設計齡期立方體抗壓強度標準值，為35 MPa；t為概率度系數，一般按抗壓強度保證率P=95%取值，為1.645；σ為混凝土強度標準差，根據混凝土設計齡期立方體抗壓強度標準值來取值，C35對應4.5。計算得混凝土的配制強度fcu.o=42.4 MPa。

(2)水膠比。水膠比w/(c+p)為每立方米混凝土中用水量與所用膠凝材料(如粉煤灰、礦粉、硅粉等)用量的比值。混凝土初選水膠比參照28 d設計齡期混凝土抗壓強度標準值來取值，當30 MPa

根據在實驗室試拌得出結果，0.34的水膠比強度普遍高于設計要求下的配制強度，為了得到最優水膠比，又進行了0.34、0.37、0.40三種水膠比的對比試驗。實驗室按照配合比設計方法進行混凝土配合比計算和試拌，測定混凝土強度，試驗結果如圖2所示。

圖2 混凝土28 d抗壓強度與水膠比關系曲線Fig.2 Relation curve of 28 d concrete compressive strength and water-binder ratio

由圖2可知，當水膠比為0.37時，混凝土抗壓強度為46.1 MPa，達到了混凝土配制強度的要求，且混凝土拌和物和易性良好。因此，本工程將水膠比試配調整為0.37的推薦值。

(3)用水量。混凝土用水量應根據骨料最大粒徑、摻合料和外加劑的品種及摻量，采用初選混凝土用水量進行試拌，混凝土滿足設計及施工和易性要求的最小用水量。

(4)砂率。砂率為砂與砂和石子之和的比例。砂率的選擇在固定其他參數情況下，通過砂率增減以混凝土拌和物的黏聚性、和易性等物理性能達到最優，混凝土坍落度最大情況下的砂率為最優砂率。有條件時可以測定不同砂率下的混凝土強度，綜合度指標判定最優砂率。

(5)骨料級配。本工程粗骨料采用碎石的二級級配，粒徑級配分別為5～20 mm和20～40 mm。粗骨料級配按照不同比例下的緊密堆積密度最大為最佳粗骨料級配。當無試驗資料時，可以先按40∶60的比例進行試配試驗。本工程中，實驗室分別按40∶60、50∶50、60∶40的三種摻配比例進行緊密堆積密度和篩分試驗，結果如表2所示。

由表2可知，50∶50摻配比例下的緊密堆積密度最大，同時方孔篩累計篩余率也分布最合理，因此，骨料級配采用50∶50的二級級配。

(6)粉煤灰摻量。摻加粉煤灰取代部分水泥可以減少水泥水化產生的熱量，有效控制混凝土因水化熱引起的溫度裂縫[4]。根據國標及水工標準要求，當水膠比≤0.40時，最大摻量35%，且粉煤灰為F類。本工程中，分別按粉煤灰摻量10%、20%及30%進行混凝土抗凍性能試驗，結果如圖3所示。

表2 襯砌混凝土骨料級配試驗結果Tab.2 Aggregate grading test of lining concrete

圖3 粉煤灰摻量優選試驗Fig.3 Optimizing test of coal ash

試驗表明，混凝土抗凍指標隨著粉煤灰摻量增加呈下降規律，當粉煤灰摻量超過20%之后相對動彈及質量損失下降較快，綜合考慮優選粉煤灰摻量為20%。

(7)抗裂防水劑摻量。抗裂防水劑的目的主要是補償收縮，提高混凝土密實性，減少襯砌混凝土存在裂縫的可能。抗裂防水劑一般摻量為5%～8%，最大不超過10%。

(8)外加劑摻量。外加劑是可以切實改變混凝土性能的材料，尤其是對提高混凝土抗凍耐久性起著至關重要的作用。根據規范，有抗凍要求的混凝土必須采用引氣劑，其摻量應根據混凝土的含氣量要求通過試驗確定。

2.3 初始配合比

根據上述配合比的計算步驟，在各配合比設計參數的基礎上得出了混凝土初始設計配合比，其結果如表3所示。

由表3可知，初始配合比為1∶0.19∶0.08∶0.47∶0.01∶0∶2.47∶1.6∶1.6，其中砂率為44%，水膠比為0.37，粗骨料級配為50∶50的二級級配，沒有摻入引氣劑。

3 混凝土配合比的優化研究

3.1 優化前的襯砌外觀質量

根據上述混凝土初始配合比結果進行現場混凝土襯砌施工，但是在混凝土外觀質量檢查過程中，發現內襯砌面有較多的早期環向裂縫、水壓裂縫和氣泡。這說明試驗所確定的混凝土配合比，不一定能完全適合施工現場的實際條件和環境。受現場施工設備、運輸方法、運輸距離以及施工氣候等條件的影響，混凝土特性受到影響。因此，需結合工程實踐對混凝土配合比進行優化。對上述外觀質量缺陷進行成因分析：

表3 混凝土初始配合比Tab.3 Initial mix proportion of concrete

(1)早期環向裂縫成因分析。對于早期環向裂縫[5]，根據其成因分析主要包括收縮裂縫、干縮裂縫和溫拉裂縫3種裂縫，逐一分析：①由于襯砌混凝土設計強度等級高，漿體體積比率大和混凝土穩定性降低等因素，致使混凝土早期收縮較大，容易形成收縮裂縫。②隧洞貫通后，溫度下降，受熱空氣向上游流動的原因，產生干縮裂縫。③襯砌混凝土與初期支護混凝土之間設置有防水板，界面有較大的摩擦阻力。因水化熱原因襯砌混凝土內部溫度高于表面溫度，內部混凝土因與界面有摩擦阻力，限制其變化，這樣產生了溫拉裂縫。

(2)水壓裂縫成因分析。對于水壓裂縫，一般出現在混凝土分層處。分析其原因：①在分層處因泵送時間差和振搗不便，導致前后混凝土存在硬化時間差，沒有完全硬化的混凝土早期較為脆弱。②圍巖的滲流面滲入混凝土分層后形成了自由水，隨著積水越多產生一定的水壓，這樣沿混凝土分層處形成水壓裂縫。

(3)氣泡問題成因分析。襯砌混凝土產生氣泡的原因主要有以下幾方面：①冬季施工時溫度低，混凝土在攪拌、運輸過程中帶入空氣而產生的氣泡不易排出。②外加劑使混凝土產生氣泡。③混凝土入倉振搗后，混凝土溫度升高，氣泡遇熱膨脹在混凝土內部不易破裂。④混凝土水化過程中有多余的自由水，受自由水和受熱氣泡的作用，容易在粗骨料和砂漿之間形成局部通道，從而形成了局部氣泡。

3.2 優化措施方法

針對上述存在的外觀質量問題，主要采取以下三種措施對混凝土進行調整：

(1)調整外加劑用量。一方面調整減水劑的用量；另一方面對減水劑進行消泡和破泡處理，具體措施為在減水劑中摻入0.1%消泡劑，控制不摻引氣劑前混凝土含氣量在3%以內；然后摻入0.05%的引氣劑，使混凝土含氣量達到4.7%左右。

(2)調整膠凝材料用量。在保持混凝土強度和水膠比不變的條件下，降低混凝土用水量，減少混凝土內部的自由水和混凝土漿體體積，降低水化熱。同時，考慮到混凝土抗壓強度指標具有較大富余量，減小混凝土膠凝材料用量，降低襯砌混凝土經濟成本。

(3)優化施工工藝。現場施工中，將混凝土分層厚度控制在50 cm以內。同時加強振搗，讓混凝土內氣泡從混凝土分層面處排出，減少氣泡通道。

3.3 配合比優化結果

基于上述優化措施，在滿足襯砌混凝土強度、耐久性等各項性能和指標的基礎上，各標段結合現場實際情況，對混凝土材料進行相關調整和優化，得出系列優化后的配合比數據，具體如表4所示：

表4 優化后的混凝土配合比Tab.4 Optimized mix proportion of concrete

(1)由表4可知，在混凝土材料構成中，水泥、水和砂每立方米的用量均有所減小，其中水泥用量從327 kg/m3最低降低至300 kg/m3左右，每立方米混凝土節約水泥達25 kg，極大地降低了工程造價。

(2)對上述優化配合比后的混凝土進行外觀質量進行檢測，發現混凝土裂縫和氣泡均明顯減少，混凝土外觀質量得到了明顯改善。數據如圖4所示。

由圖4可知，對于裂縫，混凝土配合比優化前檢測出每100 m裂縫的條數為11.1條，混凝土配合比優化后平均每100 m裂縫的條數為2.6條，減少比例為76.6%。對于氣泡，混凝土配合比優化前檢測出每倉混凝土氣泡的面積為19 m2，混凝土配合比優化后每倉混凝土氣泡的面積為9 m2，氣泡面積減少比例為52.6%。

圖4 襯砌混凝土配合比優化前后外觀質量檢測Fig.4 Appearance quality test results of lining concrete before and after optimization

4 結 語

本研究立足于理論結合實踐，對特長水工隧洞襯砌混凝土的配合比進行優化研究。通過對混凝土配合比進行計算、試拌、調整以及優化研究，在滿足襯砌混凝土設計要求的強度、耐久性以及外觀質量等各項性能和指標條件下，經濟合理地選擇出了各種材料的用量，為隧洞混凝土襯砌施工的順利進行提供了有效保證。同時，這也說明在混凝土材料的制備中，不能只著重考慮強度指標而忽略其他性能指標，對配合比進行優化研究極有必要。

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