深中通道大體積混凝土配合比設計

蘇忠純，陳智軍，洪志軍，曹忠露，2

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

深中通道是連接廣東省深圳市和中山市的跨海大橋，全長24 km，是繼港珠澳大橋之后又一世界級超大“隧、島、橋”集群工程。西人工島島上段隧道起止里程K12+065—K12+540，長475 m，總體分為暗埋段及敞開段，其中暗埋段東側與沉管隧道相接，實現島隧轉換，敞開段隧道與非通航孔橋連接，實現橋梁與人工島銜接。西人工島暗埋段隧道長175 m，采用單箱雙室一管廊結構，結構寬度46.0～58.96 m，底板厚度1.5 m，頂板厚度1.6 m，鋼筋配筋率約0.24 t/m3，具有結構斷面尺寸大、鋼筋配筋率高的特點，屬典型的大體積混凝土結構。根據混凝土結構特點，混凝土配合比設計在滿足混凝土的工作性、強度和耐久性的前提下，盡可能降低混凝土中膠凝材料用量，增加礦物摻合料的比例，以降低混凝土的水化放熱量，延緩水化放熱速率，降低混凝土裂縫產生的風險，保證混凝土結構達到設計使用年限100 a的要求[1-7]。

1 混凝土配合比設計

1.1 混凝土技術要求

暗埋段隧道混凝土強度等級為56 d C50（28 d C45），設計使用年限為100 a，結構安全等級為一級，抗滲等級P10，28 d氯離子擴散系數≤6.0×10-12m2/s，環境作用等級Ⅲ-D、Ⅲ-E，由于本工程混凝土澆筑方式為泵送，根據規范和施工要求，混凝土坍落度設計為200 mm±20 mm。

1.2 原材料

水泥：英德海螺P.Ⅱ42.5硅酸鹽水泥和P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰（FA）：鎮江華源F類I級粉煤灰。

礦粉（SL）：唐山曹妃甸S95級礦粉。

細骨料：西江中砂，細度模數2.6。

粗骨料：德慶九市5～20 mm碎石（由5～10 mm占20%、10～20 mm占80%混合而成）和5～25 mm碎石（由5～10 mm占30%、10～25 mm占70%混合而成）。

減水劑：江蘇蘇博特緩凝型減水劑。

水：飲用水。

1.3 混凝土配合比設計

根據設計，暗埋段大體積混凝土配合比要求膠凝材料總量380～450 kg/m3，水膠比不宜大于0.36。C1～C5配合比的膠凝材料用量為400 kg/m3、418 g/m3、438 kg/m3，砂率42%，水膠比0.32～0.36，減水劑用量根據坍落度進行調整，通過調整膠凝材料用量和水膠比測試混凝土拌合物性能，以確定合適的膠凝材料用量和水膠比。在C2配合比的基礎上，為獲得最優的混凝土配合比，首先在滿足設計要求的前提下，增大粗骨料粒級，研究骨料粒徑對混凝土性能的影響，將混凝土礦物摻合料的比例從55%提高到60%和65%，研究礦物摻合料對混凝土性能的影響，再與普通硅酸鹽水泥進行對比，研究不同水泥種類的差異。混凝土配合比參數見表1。

表1 混凝土配合比參數Table 1 Mix proportion parameter of concrete

1.4 試驗方法

混凝土拌合物的工作性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》檢測，抗壓強度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》檢測，抗水滲透性和氯離子擴散系數試驗按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》檢測。

2 結果與討論

2.1 混凝土的工作性能

C1～C5配合比坍落度均在200～220 mm范圍內，含氣量2.1%～2.7%，表觀密度2 410～2 430 kg/m3，但混凝土的和易性狀態差別較大，見表2。C1混凝土坍落度達到220 mm，混凝土顯得漿體過多且有一定的黏滯性，混凝土也不易鏟動，也就是說在集料緊密堆積的條件下，438 kg/m3膠凝材料在保證混凝土流動性的前提下，還有一定富余，可以降低。對于C2～C4的3組混凝土，固定混凝土膠凝材料418 kg/m3、粉煤灰摻量30%、礦粉摻量25%不變，水膠比0.34的C2混凝土狀態良好，水膠比為0.36的C4混凝土有泌水現象，水膠比0.32的C3混凝土表現為黏性增大、抓底現象，混凝土難以鏟動。對于編號為C5的混凝土，膠凝材料用量為400 kg/m3，混凝土坍落度仍能達到200 mm，但混凝土表面出現漏石，整體上顯得漿體過少。通過對混凝土拌合物性能的測試，確定混凝土配合比膠凝材料用量為418 kg/m3，水膠比為0.34，膠凝材料過多會增加混凝土成本，過少拌合物和易性不好，影響澆筑質量，合理的膠凝材料用量是經濟性和施工性的和諧統一。

表2 混凝土拌合物性能Table 2 Properties of concrete mixture

2.2 粗骨料粒徑的影響

C3和C6混凝土拌合物流動性能一致時，采用5～25 mm碎石的C6配合比減水劑摻量從1.15%降低到1.0%，減少0.15%，比表面積反映骨料粒徑的粗細程度，顆粒粒徑越小，比表面積就越大，達到相同流動度時需要裹覆其表面的漿體用量越多，在膠凝材料用量和流動度相同的情況下，粗骨料粒級從5～20 mm增大到5～25 mm，碎石的比表面積相對減小，裹覆在其表面的漿體量相對增多，為保證相同的流動度，在用水量相同的情況下，減水劑的用量降低。從兩種粒級碎石配制的混凝土抗壓強度對比結果來看，采用5～25 mm碎石C6混凝土各齡期抗壓強度均有所增加，見表3。骨料的抗壓強度高于水泥砂漿，較大的骨料粒徑能阻礙混凝土裂縫的發展，相對較多漿體量對水泥和骨料間的界面過渡區有所改善，使混凝土的抗壓強度有一定程度的提高[8-9]。

表3 不同碎石粒級混凝土抗壓強度Table 3 Compressive strength of concrete with different gravel size

2.3 礦物摻合料的影響

礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響見圖1。隨著礦物摻合料的摻量增大，混凝土的各齡期強度呈降低趨勢，礦物摻合料中SiO2和Al2O3等活性物質需與水泥水化產物Ca（OH）2反應生成水化硅酸鈣凝膠，反應速率低于水泥水化速率，表現為各齡期強度均有所降低[10]。在礦物摻合料總摻量相同時，混凝土的各齡期強度隨粉煤灰摻量的提高而降低，礦粉中含有一定量硅酸鈣，活性物質也比粉煤灰多，細度比粉煤灰更細，活性指數高，表現為早期水化反應較快，早期強度較高。礦物摻合料總摻量從55%提高到65%，每方混凝土的減水劑用量降低0.05%。從強度結果來看，礦物摻合料總摻量60%，粉煤灰、礦粉摻量分別為35%～40%和20%～25%的配合比比較合適。

圖1 礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響Fig.1 Influence of mineral admixture on compressive strength of concrete

2.4 水泥的影響

圖2 給出了使用P.O42.5水泥的混凝土抗壓強度增長趨勢，表明隨著礦物摻合料總摻量的增加，水泥用量相應減少，混凝土各齡期強度呈逐漸降低趨勢。圖3為不同摻合料摻量下P.O42.5和P.Ⅱ42.5水泥混凝土抗壓強度結果對比，C17摻加45%礦物摻合料的P.O42.5水泥混凝土的各齡期強度與C6摻加55%礦物摻合料的P.Ⅱ42.5水泥混凝土的強度接近，C18和C9、C19和C12的混凝土強度也接近，這是由于普通硅酸鹽水泥中添加5%～20%的礦物摻合料，Ⅱ型硅酸鹽水泥中礦物摻合料為0～5%，混凝土中摻合料的摻量基本一致，導致混凝土各齡期強度基本接近。從強度結果來看，如果采用P.O42.5水泥，礦物摻合料摻量為50%比較適宜。

圖2 使用P.O42.5水泥時礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響Fig.2 Influence of mineral admixtures on compressive strength of concrete using P.O42.5 cement

圖3 P.O42.5和P.Ⅱ42.5水泥混凝土抗壓強度對比Fig.3 Comparison of compressive strength between P.O42.5 and P.Ⅱ42.5 cement concrete

2.5 水化熱

選取有代表性的膠凝材料體系進行水化熱試驗，結果見圖4和圖5。對于P.O42.5水泥膠材體系（C17～C19），在膠凝材料總量一定的情況下，7 d水化熱隨礦物摻合料總摻量的增加而降低（圖4），礦物摻合料火山灰效應滯后于水泥水化，水化放熱較慢，摻加礦物摻合料可有效降低膠材體系的7 d水化熱。對于P.Ⅱ42.5水泥膠材體系（C9～C11），在膠凝材料總量和礦物摻合料總摻量為60%的情況下，7 d水化熱隨礦粉摻量的增加而增大（圖5），與抗壓強度隨礦粉摻量的提高而增加呈相同趨勢，同為礦粉的活性更高，反應更快所致。綜合考慮強度和水化熱的結果，膠材體系40%P.Ⅱ+40%FA+20%SL的配合比C10更優，有利于現場裂縫的控制。

圖4 礦物摻合料總摻量對P.O42.5水泥水化熱的影響Fig.4 Influence of mineral admixtures on hydration heat of P.O42.5 cement

圖5 礦粉摻量對P.Ⅱ42.5水泥水化熱的影響Fig.5 Influence of slag powder content on hydration heat of P.Ⅱ42.5 cement

2.6 耐久性

混凝土28 d抗水滲透試驗結果表明每個試驗試件均不滲水，滿足設計強度等級P10的要求，水膠比及礦物摻合料摻量對混凝土抗滲性能影響并不明顯；28 d抗離子滲透性RCM均滿足≤6.0×10-12m2/s，但60%礦物摻合料的混凝土RCM最大為5.8×10-12m2/s，已接近設計要求，從混凝土耐久性方面考慮，礦物摻合料摻量不宜超過60%。

3 結語

通過室內試驗反復驗證，深中通道暗埋段大體積混凝土配合比設計以耐久性為核心，混凝土各項性能均衡發展為導向，遵循耐久性與抗裂性并重為原則，采用適中水膠比、大摻量礦物摻合料、性能優良的聚羧酸外加劑進行配合比設計，在滿足混凝土的工作性、強度和耐久性的前提下盡量降低膠凝材料用量，配制出低滲透性、低水化熱的大體積混凝土配合比，并得出以下結論：

1）在滿足泵送要求和保護層厚度的情況下，宜優先選擇大粒徑碎石，有利于增加混凝土的強度，降低減水劑用量，節約成本。

2）在膠材總量和礦物摻量一定的情況下，盡可能降低礦粉用量，有利于降低混凝土的早期強度和減少水化放熱。

3）配制強度等級相同的混凝土，普通硅酸鹽水泥比Ⅱ型硅酸鹽水泥少用10%的礦物摻合料。

4）綜合考慮強度、耐久性和水化熱的結果，膠材體系40%P.Ⅱ+40%FA+20%SL的配合比C10更優，利于現場大體積混凝土裂縫的控制。