成都地鐵氣密性混凝土配制及性能研究

何星瑩

(中交機電工程局有限公司，北京 101318)

成都軌道交通30號線一期工程范圍為：雙流機場T2航站樓站～洪家橋站，全線呈西南～東北走向，線路全長26.284 km，均為地下線，共設車站23座，其中14座換乘站，最大站間距為1 792 m(順風村站～石羊站)， 最小站間距為670 m(金融城北站～府城橋站)，平均站間距為925 m。設1段1場2主所，分別為高碑壩車輛段、洪家橋停車場、高碑壩主所和洪家橋主所。開工日期2020年10月，竣工日期2024年9月，合同總價為129.3億元。項目共跨越4個行政區，沿線地質水文條件復雜多變，地層主要以砂卵石、泥巖為主，摻雜了雜填土、粉土、黏土等，涉及的不良地質主要包括膨脹土及高瓦斯賦存區。沿線穿越工程較多，線路上部和周圍分布有大量的建(構)筑物、地表水體等，工程周邊環境復雜，不可預見因素多，施工風險大。

項目共有兩段高瓦斯區段，總長1 422 m，分別為臨長區間(YCK13+533～YCK14+156段)、洪菱區間(YCK33+803.3～YCK34+602.3段)，主要受蘇碼頭氣田影響，雙流隱伏斷層和李紅塘斷層對成都軌道交通30號線一期工程危害最大。瓦斯大量涌入工作面，很容易造成人員窒息、瓦斯燃燒或瓦斯爆炸，且具有突出危險性的煤層還易發生煤與瓦斯突出事故，給盾構施工安全帶來嚴重威脅。在通過瓦斯地段時，需要用到氣密性混凝土，而目前氣密性混凝土研究較少，缺乏標準指導氣密性混凝土配合比的涉及[1-7]，為此該文從水膠比、粉煤灰和硅灰摻量以及砂率等配合比參數對混凝土氣密性影響的角度出發，研究氣密性混凝土配合比設計，旨在為工程氣密性混凝土配制提供技術支撐。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：PO 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能見表1。

表1 PO 42.5水泥物理性能

2)粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，細度18.1%，需水量比101.3%，7 d活性指數75.9%，28 d活性指數78.5%。

3)硅灰：二氧化硅含量92.5%，燒失量1.2%，需水量比121.5%，比表面積16.8 m2/g，7 d活性指數116%。

4)細骨料：二區中砂，細度模數2.6。

5)粗骨料：5～20 mm級配碎石，孔隙率為38.7%，針片狀含量5.3%。

6)減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率27.5%，含氣量3.1%。

1.2 試驗混凝土配合比

試驗研究不同混凝土配合比參數對混凝土氣密性的影響，配合比參數包括水膠比(0.36、0.40、0.44、0.48)、粉煤灰摻量(15%、20%、25%、30%)、硅灰摻量(4%、8%、12%)以及砂率(39%、41%、43%、45%)，具體試驗配合比編號和相應的混凝土配合比見表2。

表2 試驗混凝土配合比

1.3 試驗方法

混凝土氣密性按照《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》TB10424—2018測試，在恒定氣壓下進行，試件尺寸為上徑175 mm、下徑185 mm、高150 mm的圓臺體，混凝土試件成型后在24 h后拆模，在標準養護室養護至28 d，繼續室內氣干14～28 d，當試件濕度與大氣平衡后，方可進行透氣性測試，采用下進氣法或上進氣法進行透氣性測試，進氣壓力為0.3 MPa和0.6 MPa，穩壓以后讀透氣量，并計算混凝土透氣系數。

2 混凝土性能分析

2.1 水膠比對氣密性的影響

混凝土水膠比對于氣密性影響的試驗結果見圖1。可見，隨著混凝土水膠比的增大，混凝土透氣系數急速上升，水膠比0.36時，混凝土透氣系數為0.251×10-12cm/s，水膠比增至0.40、0.44和0.48時，混凝土透氣系數分別增大至1.825×10-12cm/s、5.792×10-12cm/s、11.665×10-12cm/s。這種現象的主要原因為，一方面對于混凝土而言，用水量除了滿足水泥水化以外，很大的一部分用量作用為滿足混凝土的工作性能，而水泥水化所用的用水量占到的比例相對來說并不大，這部分水會與水泥產生水化反應，成為水化產物化學結合水，而作用為滿足混凝土工作性能的用水量，在混凝土水化硬化過程中并不會參與水化反應，而是作為自由水，隨著時間的進展，逐漸蒸發，在蒸發過程中會在硬化漿體中形成氣孔，這些氣孔可以成為氣密性試驗中氣體通過的通道，因此，水膠比越大，混凝土中的自由水也就越多，在混凝土硬化漿體中所形成的氣孔就越多，混凝土的透氣系數也相應的就越大；另一方面，用水量過大，容易造成混凝土泌水離析等現象，以及在骨料過渡區造成薄弱，這些問題都可以致使混凝土密實性下降，透氣系數增大。

2.2 粉煤灰摻量對氣密性的影響

混凝土中粉煤灰摻量對于氣密性影響的試驗結果見圖2。可見，隨著混凝土中粉煤灰摻量的增加，混凝土透氣系數下降明顯，混凝土氣密性提高顯著。粉煤灰摻量為15%時，混凝土透氣系數為3.560×10-12cm/s，粉煤灰摻量增加到20%、25%、30%時，混凝土透氣溪水分別降低至1.825×10-12cm/s、1.258×10-12cm/s、0.548 3×10-12cm/s。這主要是因為，粉煤灰作為礦物摻合料摻入混凝土中，具有填充效應、滾珠效應和火山灰效應等三大效應。首先是填充效應，由于粉煤灰顆粒粒度比水泥小，可以很好地填充大水泥顆粒之間的孔隙，起到良好的填充效應，從而降低混凝土整體孔隙尺寸，提高混凝土的氣密性；而滾珠效應，是由于粉煤灰顆粒為圓球狀的玻璃體，在混凝土中可以提高混凝土工作性能，使得混凝土成型更加容易密實，進一步提高了混凝土氣密性；最后是火山灰效應，粉煤灰中具有大量的非晶態二氧化硅和氧化鋁，能夠與水泥水化產物氫氧化鈣發生二次水化反應，生產水化硅酸鈣，從而進一步填充了混凝土中的孔隙，使得混凝土氣密性提高。

2.3 硅灰摻量對氣密性的影響

硅灰也稱硅微灰，是鐵合金在冶煉硅鐵和工業硅時，礦熱電爐內產生出大量揮發性很強的SiO2和Si氣體，氣體排放后與空氣迅速氧化冷凝沉淀而成。由于硅灰粒徑小，在混凝土中活性較大，考慮摻入硅灰提高混凝土的氣密性。混凝土中硅灰摻量對于氣密性影響的試驗結果見圖3，可見，隨著混凝土中硅灰摻量的提高，混凝土透氣系數降低明顯，氣密性提高顯著。未摻硅灰的普通混凝土透氣系數為1.825×10-12cm/s，硅灰摻量僅為膠凝材料用量4%時，混凝土透氣系數已降至1.120×10-12cm/s，而當硅灰摻量提高至12%時，混凝土透氣系數僅為0.105×10-12cm/s，可以看出，硅灰的應用對于提高混凝土氣密性效果顯著，在工程中可以考慮在氣密性混凝土中適當摻入硅灰。硅灰之所以能夠很好地提高混凝土氣密性，主要原因是，硅灰顆粒細度極為細小，雖然質量摻量較小，但是顆粒數量非常龐大，能夠很好地填充水泥顆粒之間的孔隙，起到降低孔隙尺寸，提高密實性的效果；另外硅灰與粉煤灰相似，同樣具有火山灰效應，而且硅灰火山灰效應比粉煤灰更加顯著，水化產物更多，對于混凝土的密實性的貢獻也就越大。

2.4 砂率對氣密性的影響

砂率是混凝土中細骨料占到骨料用量的比例。對于混凝土而言，細骨料填充粗骨料孔隙，如果砂率過小則混凝土中孔隙較大，不利于混凝土性能的提升，而砂率過大，則混凝土中粗骨料呈現懸浮狀態，不利于混凝土減小收縮和抗裂，因此混凝土砂率應該選擇在一個合理范圍內。混凝土中砂率對于氣密性影響的試驗結果見圖4，可見，隨著混凝土中砂率的增大，混凝土透氣系數降低，混凝土氣密性提高。砂率為39%時，混凝土透氣系數為4.376×10-12cm/s，砂率分別為41%、43%和45%時，混凝土透氣系數降低為2.678×10-12cm/s、2.036×10-12cm/s、1.825×10-12cm/s。對于工程氣密性混凝土而言，建議在配制過程中，其他性能滿足工程需求的時候，砂率盡量提高。

3 結 論

以成都軌道交通30號線一期工程為依托，為滿足工程施工中氣密性混凝土的需求，通過水膠比、粉煤灰摻量、硅灰摻量以及砂率等幾個方面，研究了氣密性混凝土的配制，并研究了配合比參數對混凝土氣密性的影響，得到如下結論：

a.隨著混凝土水膠比的增大，混凝土透氣系數急速上升，氣密性能變差；隨著混凝土中砂率的增大，混凝土透氣系數降低，混凝土氣密性提高。

b.粉煤灰或者硅灰摻量的增加，可以提高混凝土氣密性，尤其是硅灰的摻加，混凝土氣密性提高更為顯著。

c.在工程配制氣密性混凝土時，建議在滿足混凝土其他性能的情況下，適當加入硅灰和提高砂率。