地鐵盾構管片用高性能混凝土性能研究

權軍力

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350)

隨著地鐵盾構管片用混凝土耐久性的提高，普通混凝土的性能已經無法滿足要求，高性能混凝土逐漸被應用于管片結構中。內外相關學者相繼對高性能混凝土(HPC)開展研究，針對實際工程要求的差異，高性能混凝土的性能探究路徑不盡相同，主要集中于礦物摻合料和高性能聚羧酸減水劑方面。20世紀90年代以來，相關學者就高性能混凝土配合比設計過程中摻入礦物摻合料的觀點基本達成一致[1-3]，結論主要集中于粉煤灰顆粒的預處理可以改善顆粒組成與特性、提高混凝土氯離子抗侵入能力以及適當比例的礦物摻合料替代水泥時混凝土兼具抗滲性能和抗腐蝕能力；方坤禮[4]指出將不同摻量的超細礦粉摻入到管片混凝土中，結果表明摻加超細礦粉的管片混凝土耐久性優良，其效果優于S95 級礦粉；孫鑫鵬等[5]提出將超細粉煤灰摻入高性能混凝土，混凝土兼具抗凍性、抗滲性、抗硫酸鹽侵蝕性能等多方面優點，同時降低高性能混凝土單位面積磨損量，改善混凝土早期強度和干縮性能；簡宜端[6]提出粉煤灰、礦粉雙摻觀點，雙摻的高性能混凝土一定程度上能夠改善混凝土的工作性能、強度以及耐久性，且具有更好的經濟及社會效益。

本研究立足于天津地鐵項目，施工過程中管片滲水是項目面臨的主要難題，綜合現有高性能混凝土配合比的設計經驗，采用控制變量的方法，在膠凝材料、集料、外加劑、水不變的條件下，通過調整膠凝組分中礦物摻合料的類型、比例，設計出不同膠凝組分配合比，旨在提高地鐵盾構管片用高性能混凝土力學性能，同時結合耐久性中電通量、氯離子擴散系數以及抗滲等級分析，得出最佳配合比并應用于工程實際中。

1 試驗設計

1.1 原材料

水泥：天津金隅振興水泥有限責任公司生產的P.O 42.5 低堿水泥，水泥中鋁酸三鈣含量低于5%；礦物摻合料：天津軍電電力有限公司生產的FⅠ類粉煤灰，天津大港油田億通礦粉有限公司生產的400～500 m2/kg礦粉，SiO2≥85% 微硅粉由山東三美硅材料有限公司提供；細集料：遼寧綏中有限公司提供的細度模數2.7、含泥量2.0%的中砂；粗集料：河北三河有限公司提供的5～20 mm碎石，含泥量0.5%，針、片狀含量小于10%；高性能減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 拌合物性能測試方法

(1) 新拌混凝土工作性能測試坍落度、含氣量試驗依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/50080-2016)。

(2) 混凝土抗壓強度測試依據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/50081-2019)。

(3) 混凝土的電通量、氯離子擴散系數、抗滲等級測試依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/50082-2019)。

1.2.2 高性能混凝土配比設計

天津地鐵盾構管片設計年限100 a，結合公司盾構管片生產經驗，盾構管片用高性能混凝土配合比設計應滿足以下要求：①混凝土水膠比≤0.36，混凝土強度等級C50，強度等級富余系數≥1.08；②依據耐久性設計要求，抗滲等級為P10，混凝土總堿含量≤3.0 kg/m3， 56 d氯離子擴散系數≤3×10-12m/s，56 d電通量<1 000 C；③綜合成本考慮，最大膠凝材料用量480 kg/m3。摻合料采用礦粉、粉煤灰、微硅粉，其中摻合料總量占膠凝材料的20%～50%，依據以往經驗，天津地鐵項目礦物摻合料總量取40%，設計出3種配比，見表1。

表1 混凝土配合比設計 kg/m3

2 結果與分析

2.1 工作性能分析

依據地鐵盾構管片用高性能混凝土質量要求，混凝土自出機到現場澆筑嚴格控制在2 h以內，因此新拌混凝土坍落度值、含氣量值2 h的發展變化對混凝土施工效率及后期服役過程中的耐久性至關重要。混凝土配合比新拌坍落度值和2 h坍落度值變化趨勢如表2所示。從表2中可以看出：①C1、C2、C3配合比新拌混凝土、2 h坍落度值均遵循C2>C3>C1；②新拌至2 h坍落度損失的發展規律為：C1>C3>C2。其中，C1配合比2 h損失最高，C2、C3的2 h損失較低且較為接近。C1配合比為水泥膠凝組分，C2、C3配合比分別為水泥-粉煤灰-礦粉、水泥-粉煤灰-礦粉-微硅粉膠凝組分，礦物摻合料的摻入減小了2 h內坍落度損失率，有利于早期混凝土的可施工性。對比C2、C3可得，新拌混凝土的坍落度值變化為C3>C2，主要原因： C2、C3配合比中粉煤灰摻量依次為20%、17.5%，粉煤灰微觀形貌(見圖1)呈球形可以改善早期混凝土的流動性，因此C2坍落度值較高；微硅粉微結構形貌(見圖2)呈規則納米級球形顆粒分布，比表面積較大，早期水化速率較快，致使早期流動性顯著下降。2 h時C1坍落度損失最大，主要原因是早期水泥水化反應迅速，快速水化的水泥在顆粒表面形成阻隔水泥進一步水化的產物，而摻加摻合料的膠凝組分中水泥組分較少，水化速度較緩，損失率均低于C1。

高性能混凝土相較于普通混凝土的工作性能、可施工性能優良，設計配合比時引入尺寸小、分散性好、密閉的氣泡可進一步提升混凝土的高流動性、抗離析性，同時氣體的引入兼具粘度的提高，即增加膠凝材料對集料的包裹性，最終形成密實、均質的混凝土管片構件。遵循高性能混凝土含氣量的質量要求，含氣量控制范圍為2.0%～4.0%，含氣量發展趨勢如表2所示，分析可得：①新拌混凝土、2 h時含氣量發展規律與坍落度發展規律等同，即C2>C3>C1；②2 h含氣量損失的發展規律為：C1>C3>C2。C1含氣量的損失分數高于C2、C3，主要原因：水泥具有較強的吸附作用，水泥早期水化吸附了混凝土拌制過程中產生的氣體，且隨著水泥摻量的增加，吸附的氣體量增多，最終致使混凝土含氣量降低，C1膠凝組分中水泥的占比量最高，因此C1含氣量的損失質量分數最大；粉煤灰因其微結構的形態和生產工藝摻入混凝土時會增大混凝土的含氣量，且隨著摻量的增大，含氣量隨之增大，其中C2、C3配合比中粉煤灰摻量依次為20%、17.5%，因此C2混凝土含氣量高于C3，C3微硅粉的摻入導致水化速率加快，降低了早期混凝土的流動性，施工攪拌引入氣體的能力下降。

表2 不同配合比坍落度值、含氣量值和強度發展變化

圖1 粉煤灰掃描電鏡圖 圖2 微硅粉掃描電鏡圖

2.2 強度分析

混凝土服役過程中強度是制約耐久性的關鍵指標，基于C1、C2、C3配合比下混凝土抗壓強度發展趨勢展開分析，通過表2分析可得：①標準養護齡期為3 d時，C1配合比抗壓強度值均高于C2、C3，C2、C3膠凝組分中水泥的占比質量相同，其抗壓強度值也較為接近，證實養護齡期3 d 時摻合料水化的作用較弱，且生成的水化產物未能提高早期強度；②養護齡期7～56 d抗壓強度發展趨勢為C3>C2>C1。

7～56 d養護階段C1強度始終低于C2、C3，其主要原因是：C1配合比中參與水化反應并為后期提供強度的膠凝組分與C2、C3不同，C1膠凝組分以水泥為主，水泥遇水發生劇烈的水化反應，早期生成的水化產物和結晶點較多，但是由于反應較快，水化產物彼此交錯搭接形成的網絡狀結構較為疏松，微觀形貌上易出現水化“空洞”現象。C2、C3強度較高的原因歸結于摻合料(粉煤灰、礦粉)在混凝土中的二次水化反應：C2、C3膠凝組分中水泥占比量相同，為摻合料的進一步反應提供了堿性環境和Ca(OH)2[7]，膠凝組分中粉煤灰參與水化反應，因其自身呈空心球形顆粒分布，球形顆粒表面水化產物的附著力較弱，即使膠凝組分處于較強的堿性環境，水化作用能力也較弱，在水泥水化進程中具有較強的調節性能，達到提高混凝土整體強度的均勻密實性；相較于粉煤灰，礦粉的微觀粒徑呈片狀顆粒分布，處于較強的堿性時片狀顆粒發生肢解、重組[8]形成粒徑尺寸較小的水化產物填充于水泥早期水化反應生成的“空洞”，提高微觀結構下水化產物整體的密實性，加之其片狀顆粒較易附著水化結晶點，因此7～56 d C2、C3強度高于 C1。3種配比56 d時的微觀形貌見圖3～圖5。對比C2、C3，C3強度較高的原因：C3配比中摻加5%微硅粉，微硅粉是在冶煉硅鐵合金和工業硅時產生的以SiO2和Si為主超細硅質粉體材料，其微結構形貌多以納米級球形顆粒形態分布，活性較高、比表面積較大，水化速率較快，有利于提高混凝土的強度，同時其納米級粒徑的有效填充增加了混凝土結構整體的密實性，因此強度較高。

2.3 耐久性分析

圖3 C1配合比56 d微觀形貌 圖4 C2配合比56 d微觀形貌 圖5 C3配合比56 d微觀形貌

地鐵盾構管片處于地下環境，其高性能混凝土設計技術要求的耐久性分析主要以電通量、氯離子擴散系數、抗滲等級為主[4]。C1、C2、C3配合比56 d 電通量值如表3所示，養護齡期56 d時電通量值均低于1 000 C，其發展規律為C1>C2>C3，宏觀強度規律為C3>C2>C1，其斷面水化產物微觀密實度C1C3，氯離子擴散能力C2>C3，即C3微結構水化產物致密程度高于C2。依據工程設計的抗滲等級P10，C1配合比已不滿足設計要求；C2抗滲等級雖然滿足設計要求，但環境發生突變滲水嚴重時，其抗滲性低于C3配合比，因此綜合耐久性分析，C3配合比混凝土性能最優。

表3 3種高性能混凝土56 d耐久性數據

2.4 工程應用

綜合上述分析，可知C2、C3配合比均滿足地鐵盾構管片用高性能混凝土的技術要求，其中C3配合比的各項檢測均優于C2，其宏觀分析上強度最高，耐久性分析抗滲透能力最低，因此C3配合比是選取的最優配合比。現場施工時對粗細集料含泥量把控嚴格，C3配合比的初始坍落度為210 mm、含氣量為2.8%，靜置60 min坍落度為195 mm、含氣量為2.5%，其56 d電通量值532 C、抗滲等級大于P12，均優于試驗室條件下選取C3配合比的技術指標。

3 結束語

C1配合比工作性劣于C2、C3，新拌高性能混凝土及2 h坍落度、含氣量的損失率均高于其他配合比；3種配合比力學性能發展趨勢為C3>C2>C1，其中C3 56 d標準養護強度可到達66.3 MPa；3種配合比56 d標準養護條件下電通量、氯離子擴散系數均呈C1>C2>C3趨勢發展，且C1已不滿足設計要求。C3配合比早期工作性能、力學性能、電通量、氯離子擴散系數指標均優于其他配合比，目前已應用于天津地鐵項目盾構管片結構中。