淺談預制盾構管片高性能混凝土的研究和應用

徐建新

中國水利水電第七工程局有限公司

1 引言

在經濟、科技飛速發展的新時期下，我國的軌道交通也獲得了日新月異的發展，盾構掘進技術愈發成熟和完善，城市軌道建設規模越來越大。部分城市和地區受到材料、技術、環境等客觀因素的制約，無法很好地把控盾構管片高性能混凝土的質量，造成盾構管片的質量隱患。成都地鐵18號線所采用的預制盾構管片的直徑是8.3m，尺寸誤差控制在±1mm 范圍內，混凝土強度達到了C50級，抗滲透P12級，即使是在潮濕的環境中，也不會產生堿——集料反應，且外觀完整、色彩均勻。

2 預制盾構管片高性能混凝土的基本要求

（1）水膠比≤0.35；混凝土拌和物的坍落度＜70mm，便于澆筑、振搗。

（2）混凝土的抗壓強度等級達到C50，能夠在蒸汽養護的情況下滿足每8h一次的模具周轉要求。

（3）預制構件的外觀應滿足清水混凝土標準，棱角完整、色澤一致且均勻、表面無裂縫、外觀光亮、致密、氣泡較少。

（4）具有良好的體積穩定性。

（5）構件的幾何尺寸偏差＜1mm。

（6）無堿——集料反應。

（7）預制生產中采用的是附著式振動器振搗工藝，因此要求混凝土的觸變性良好，分層、離析以及泌水較小。

（8）具有良好的耐久性，相關指標要求的耐久性是100 年。此外還要具有較強的抗滲性、耐腐蝕性。

3 本文的研究內容與技術路線

與其他混凝土構件相比，預制盾構管片在強度、抗滲等級、尺寸精度、外觀質量等方面都有更高的要求。結合生產中發現的問題進行分析，在滿足混凝土相關性能要求的情況下，本文的研究應側重于如何節約總膠凝材料以及水泥的用量，如何提高混凝土體積穩定性，預防外觀裂縫。技術路線如下。

（1）采用礦物摻合料，一方面能夠降低水泥水化初期產生的熱量，避免混凝土后期因收縮而產生裂縫，另一方面，還可以減少單方混凝土中的總堿含量，避免產生堿——集料反應。此外，礦物摻合料具有微集料填充效應，能夠增強混凝土的密實度、抗滲性、耐久性。

（2）采用高質量、堿含量低的水泥、外加劑；選擇堿活性較低的砂石骨料，可以進一步預防堿——集料反應。

（3）當混凝土達到了性能要求標準時，應盡量減少總膠凝材料的使用量，避免混凝土收縮徐變，節約預制生產成本。

（4）優選混凝土配合比。

（5）把混凝土拌和物的坍落度控制在40mm～60mm 區間內，當弧形管片澆筑成型后，更利于保持混凝土內部的均勻，提高外弧面混凝土平整度。

4 原材料的選擇

4.1 水泥

混凝土結構的耐久性降低，根本原因在于裂縫。遇到混凝土遭到破壞的情況，常規思維會認為是骨料、養護不當、摻合料、質量控制不佳等原因引起的，往往忽略了水泥的影響。即使是同一品種的水泥，由不同廠家生產，水泥所具備的抵抗混凝土開裂能力也具有顯著差異。所以，高性能混凝土不能忽略水泥的選擇。首先，水泥應具有良好的早期強度，適合蒸汽養護，在低于60℃的蒸養情況下，盾構管片8h 的脫模強度至少要達到20MPa。以筆者的經驗而言，應該選擇強度等級≥42.5MPa 的普通硅酸鹽水泥或者硅酸鹽水泥。其次，水泥的堿含量應＜0.6%，可以避免產生堿——集料反應。最后，水泥要和高效減水劑有良好的適應性，以增強混凝土的耐久性。

可以通過以下試驗方案選用水泥品種和廠家，以三種強度等級為42.5MPa 的普通硅酸鹽水泥（以A、B、C 表示）為例，對比試驗結果見表1。

表1 混凝土脫模強度試驗結果

水泥和外加劑適應性的試驗結果見表2。

表2 三種水泥和外加劑適應性

分析表1、表2 可知：（1）A、B、C 三種水泥的堿含量都比較低，但最低的是C 水泥。（2）C 水泥的混凝土脫模強度最高，其次是B，最低是A。（3）在水泥的凈漿流動度沒有明顯區別的情況下，C水泥和外加劑的適應性最好。

綜上，最適合用來配置預制盾構管片高性能混凝土的是C水泥。

4.2 摻合料

生產高性能混凝土，摻合料是不可或缺的一部分。磨細的礦渣、硅灰、粉煤灰等都是應用非常廣泛的摻合料。研究表明：磨細的礦渣能夠顯著增強混凝土的耐久性，改善抗腐蝕性以及和易性。也有最新試驗結果表明：礦渣越細，混凝土工程越容易早期開裂。比如，某廠家使用了摻加大量磨細礦渣的生產管片，管片存放半年后，外弧面的裂縫明顯比未摻加磨細礦渣的管片更多、更深、更寬。另有資料表明：單一應用高質量的粉煤灰，或者結合應用磨細礦渣與粉煤灰，能夠增強混凝土體積穩定性，減少混凝土的收縮。筆者建議采用I 級粉煤灰作為高性能混凝土的摻合料。

4.3 集料

目前市場上的砂子細度模數通常＞2.5，因此本文主要側重于粗集料的研究。為了解決石子集配不合格的問題，筆者提出“組合級配”的思路，適度的增加粗集料中細料的含量，解決了粗集料集配較差的問題。以5mm～20mm 石子為例，篩分結果見表3。

表3 5mm～20mm石子的篩分結果（%）

5mm～20mm 的石子中，粒徑＜10mm 的石子較少，顯著低于規范要求的范圍?！敖M合級配”操作簡單、不會增加成本，應用效果理想。如果預制盾構管片需要粒徑20mm的石灰巖碎石，可以讓廠家提供5mm～10mm、10mm～20mm 兩種級配標準的石子，按照 1∕4 的 5mm～10mm 碎石、3∕4 的10mm～20mm 碎石的比例進行攪拌配料，最終結果見表4。

表4 碎石的組合級配結果（%）

由此可見：“組合級配”有三大優勢：①解決了5mm～20mm石子級配質量較差的問題。②顯著減少了針片狀石子的含量，充分保證了石子質量。③能夠根據砂子細度模數來調整兩種石子的比率，避免了預制盾構管片澆筑之后浮漿太厚的問題。

5 預制盾構管片高性能混凝土的配合比設計

本文重點研究四個因素（水膠比、礦物摻合料比例、膠凝材料總量、砂率）對混凝土外觀、強度、耐久性的影響。通過正交試驗，將五種摻合料（高嶺石粉、磨細礦渣、沸石粉、粉煤灰、復合礦粉）按照三水平四因素的L（934）正交表進行試驗。

（1）水膠比：0.26、0.30、0.36。

（2）總膠凝材料的使用量：420kg∕m3、460kg∕m3、500kg∕m3。

（3）粉煤灰摻量10%、磨細礦渣20%、復合礦粉30%、高嶺石粉10%、沸石粉15%～20%。

（4）砂率范圍：35%、40%45%。

（5）高效減水劑：2.4%～3.5%；新拌混凝土坍落度40mm～60mm。

選擇水膠比0.30以及20%的磨細礦渣明確各種摻合料在達到最佳摻量時混凝土拌和物的外觀、耐久性、和易性、經濟性等的各種指標，通過正交試驗結果最終確認在水膠比0.30 和20%的磨細礦渣為最佳組合。

通過試驗結果總膠凝材料使用460kg 便能夠滿足高性能混凝土的相關要求。之后對四種摻加比例的磨細礦渣（20%、30%、35%、40%）以及三種總膠凝材料用量（420kg∕m3、450kg∕m3、480 kg∕m3）分別進行了試配，最終確認：純礦粉的最佳摻量是30%、總膠凝材料的最低使用量是440 kg∕m3，最終的配合比如表5所示。

表5 預制盾構管片混凝土配合比與強度結果（水膠比0.30、砂率37%）

按照表5的配合比進行試生產，評價混凝土性能，最終結果為以下幾點。

（1）強度：根據《混凝土強度檢驗評定標準》（GB∕T 50107—2010）標準制作三組100mm×100mm×100mm的試件，與盾構管片同條件養護，同條試塊1d、14d、28d齡期的抗壓強度均達到了設計強度的70%以上，符合高性能混凝土的要求。

（2）抗滲性能：根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標》（GB∕T 50082—2009）標準制作四組試件，兩組同條件養護、兩組標養，按照P12 等級的要求進行抗滲試驗，水壓加到1.4MPa，恒壓8h，所有試件無滲透，抗滲性能符合要求。

（3）收縮性能：根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標》（GB∕T 50082—2009）標準，使用100mm×100mm×515mm的棱柱體試件進行試驗。用放大鏡檢測，并未發現＞0.1mm的裂縫，滿足裂縫＜0.2mm的設計要求。

6 結束語

綜上所述，盾構掘進在城市軌道建設中的應用非常廣泛，為盾構管片預制行業的發展創造了有利環境，相應的，對盾構管片的性能、質量要求也不斷提高。本文借鑒成都地鐵18號線的建設經驗，以期為盾構混凝土管片的應用提供參考。