高性能混凝土在地鐵工程中的綜合性能研究

彭詩揚

江西省建筑材料工業科學研究設計院，江西 南昌 330001

1 引言

近十年來，我國各地區大城市正如火如荼地進行大規模的地鐵工程建設。地鐵工程大都先采用盾構法挖通隧道，然后將混凝土管片組裝成通道。地鐵工程作為重要的城市基礎設施建設工程，對其耐久性和長期性能要求較高，除了必須滿足工程需要的混凝土結構強度和剛度要求，能承受隧道土層壓力、滲水壓力以及一些特殊荷載之外，還必須滿足設計要求的安全質量指標，如防水抗滲等級、抗氯離子滲透性、開裂面積和收縮變形性能等［1］。但普通混凝土用于地鐵工程常常伴隨著開裂、破損、滲漏等質量問題，難以達到50 年甚至100 年以上的服役壽命要求，地鐵工程后期維護、補強和堵漏等將耗費大量的人力物力成本。

高性能混凝土與普通混凝土相比，是具有優異耐久性能、工作性能、力學性能和體積穩定性能的新型綠色建筑材料，具有較高的強度和韌性，其抗滲和抗腐蝕等耐久性能大大提升［2-3］。目前，高性能混凝土在國內外重大重點工程都得到廣泛應用，獲得了豐富的實踐經驗。本文針對南昌某地鐵工程的質量要求，配制出符合設計要求的高性能混凝土，并對高性能混凝土的耐久性進行測試。

2 試驗原材料和試驗方法

2.1 原材料

（1）水泥：采用萬年青生產的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，主要性能指標見表1。

表1 水泥主要性能指標

（2）礦物摻合料：采用南昌某電廠II 級粉煤灰，粉煤灰的細度、需水量比和活性指數等主要性能指標均滿足國家標準GB/T 1596 規定的要求。采用江西南方水泥廠生產的S95 礦粉，礦粉的細度、流動度比和活性指數等主要性能指標均滿足國家標準GB/T 18046 規定的要求。

（3）粗骨料：采用江西高安碎石，5～31.5mm 連續級配，表觀密度為2705kg/m3，堆積密度為1660kg/m3，空隙率為42.8%，壓碎值為7.2%，

（4）細骨料：細骨料采用江西本地的贛江河砂，細度模數2.7，松散堆積密度為1655kg/m3，空隙率為41.4%。

（5）外加劑：采用江西迪特科技有限公司生產的聚羧酸系高性能減水劑，固含量8%，減水率26%，推薦摻量為膠凝材料總量的0.8%～1.2%。采用武漢三源生產的膨脹劑和聚乙烯醇纖維，膨脹劑摻量為混凝土膠凝材料的6%～12%；纖維聚乙烯醇纖維抗拉強度≥270MPa，彈性模量≥3000MPa。此外還有巴斯夫生產的混凝土減縮劑。

2.2 試驗配合比

工程設計要求采用C35 混凝土配合比，坍落度要求180±30mm，28d 抗壓強度滿足設計混凝土的強度等級要求，抗滲等級不低于P8，本試驗配合比見表2。

表2 不同混凝土的配合比設計 kg/m3

2.3 試驗方法

（1）混凝土工作性試驗

按照（GBT 50080-2016）《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》中規定的方法進行。包括坍落度和擴展度以及1h 坍落度等性能指標。

（2）混凝土力學性能試驗

按照（GB ∕T 50081-2019）《混凝土物理力學性能試驗方法標準》中規定的方法進行。試驗采用尺寸為150mm×150mm×150mm的試件，測試其7d、14d、28d和60d抗壓強度。

（3）混凝土碳化試驗

按照（GB/T 50082-2009）《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規定的方法進行測試。試驗試驗采用尺寸為100mm×100mm×400mm 的試件。

（4）混凝土抗滲性能試驗

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中的逐漸加壓法進行混凝土抗滲性能測試。

（5）混凝土抗氯離子滲透性能試驗

按照（GB/T 50082-2009）《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的電通量法和氯離子擴散系數法進行測試。試驗尺寸為50mm 厚，100mm 直徑的試件。

3 試驗結果及分析

3.1 高性能混凝土的工作性能和力學性能

試驗分別采用單摻纖維、膨脹劑和減縮劑以及三摻三種添加劑的高性能混凝土，并與基準混凝土對比研究其工作性能和力學性能，試驗結果見表3。

從表3 的試驗結果可知，單摻纖維、膨脹劑或者減縮劑的混凝土與基準混凝土相比，初始坍落度較好，和易性均表現良好，而摻加纖維、膨脹劑或者減縮劑的混凝土1h 坍落度與基準混凝土相比有所降低，但降幅不大，仍可以滿足施工要求。整體而言，摻纖維、膨脹劑或者減縮劑并不會對混凝土工作性造成不利影響。

就混凝土的力學性能而言，與基準混凝土相比，單摻纖維、膨脹劑或者減縮劑的混凝土7d、14d、28d 和60d 抗壓強度都有明顯提高，特別是混凝土后期強度得到快速穩定增長。而三摻纖維、膨脹劑和減縮劑的混凝土7d 和14d 抗壓強度雖然略低于基準混凝土，但其28d 和60d 抗壓強度均高于基準混凝土。整體而言，摻纖維、膨脹劑或者減縮劑，對混凝土有明顯的增強作用，并且單摻比復摻效果更好，成本也更低。

表3 各配比混凝土工作性能和力學性能試驗結果

3.2 高性能混凝土的碳化和抗水滲透性能

試驗分別采用單摻纖維、膨脹劑和減縮劑以及三摻三種添加劑的高性能混凝土，并與基準混凝土對比研究其碳化性能和抗水滲透性能，試驗結果見表4。

表4 各配比混凝土碳化性能和抗水滲透性能試驗結果

從表4 的試驗結果可以看出，摻纖維、膨脹劑和減縮劑的混凝土與基準混凝土相比，各齡期碳化深度均有所下降，說明摻纖維、膨脹劑和減縮劑可以降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的密實度，阻隔空氣中的水分和二氧化碳進入混凝土內部，從而提高混凝土的抗碳化性能。此外，摻纖維、膨脹劑和減縮劑的混凝土抗滲等級達到P10 以上，完全滿足設計要求。

3.3 高性能混凝土的抗氯離子滲透性能

混凝土抗氯離子滲透性能是混凝土抵抗氯離子通過毛細孔和空隙滲透到混凝土內部引起混凝土鋼筋銹蝕，從而保證混凝土使用壽命的一種耐久性能。氯離子對混凝土的侵蝕過程是：首先地下水或其它氯離子源擴散至混凝土表面，然后通過毛細管作用進入混凝土內部，再滲透至混凝土鋼筋位置，通過電化學作用引起混凝土鋼筋腐蝕。混凝土因氯離子引起的鋼筋腐蝕是混凝土結構很常見的一種耐久性失效質量問題。因此需要采取一定的技術措施來提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

試驗分別采用單摻纖維、膨脹劑和減縮劑以及三摻三種添加劑的高性能混凝土，并與基準混凝土對比研究其抗氯離子滲透性能，試驗結果見表5。

表5 各配比混凝土抗氯離子滲透性能試驗結果

從表5 的試驗結果來看，單摻纖維、膨脹劑或者減縮劑以及三摻三種添加劑的混凝土與基準混凝土相比，28d 氯離子擴散系數均有一定程度的下降，且降幅明顯，特別是三摻混凝土的28d 氯離子擴散系數下降了43%；同時單摻纖維、膨脹劑或者減縮劑以及三摻三種添加劑的混凝土56d 電通量也有顯著下降。

綜合以上試驗結果，摻纖維、膨脹劑或者減縮劑以及復摻三種添加劑可以對混凝土起到一定的增強作用，同時大幅提高混凝土的抗碳化、抗水滲透和抗氯離子滲透等耐久性能。

4 結語

（1）摻纖維、膨脹劑或者減縮劑可以在不影響混凝土工作性，并滿足混凝土設計強度要求的前提下，大幅提高混凝土的抗碳化、抗水滲透和抗氯離子滲透等耐久性能，使得地鐵工程混凝土的服役壽命顯著提高。

（2）目前城市地鐵工程的大規模建設，對緩解大城市交通擁堵發揮著越來越重要的作用，這就要求工程技術人員設計出性能優異的防水抗滲高性能混凝土，高性能混凝土用于地鐵工程還需要大量的實際應用和進一步的試驗研究，以彌補國內地鐵工程防水抗滲技術的不足，同時對混凝土耐久性進行實時監控，以確保工程質量。