混合砂在地鐵盾構(gòu)襯砌管片混凝土中的應(yīng)用研究

李 勇

（福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350108）

0 引言

從設(shè)計要求看，管片混凝土應(yīng)具有低坍落度、良好的工作性能、高強(qiáng)度和高耐久性能等特性。福州地鐵預(yù)制混凝土襯砌管片的生產(chǎn)原來均采用天然河砂，但由于河砂資源的日益緊缺，滿足管片設(shè)計要求的河砂資源越來越少，已無法長期滿足地鐵盾構(gòu)襯砌管片混凝土的生產(chǎn)需求，亟需尋找能夠替代河砂的材料。作為河砂的替代資源，機(jī)制砂在水利水電工程、市政道路、房屋建筑、核電站等工程中得到了廣泛應(yīng)用。然而機(jī)制砂具有多棱角、顆粒表面粗糙、級配不良等特性，采用機(jī)制砂制備的混凝土，其工作性能劣于采用河砂制備的混凝土。目前國內(nèi)相關(guān)的研究成果表明［1-4］，能夠通過采取優(yōu)選機(jī)制砂材料、混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制等措施，制備性能優(yōu)異的機(jī)制砂管片混凝土。本試驗將機(jī)制砂與天然河砂混摻形成混合砂，探究混合砂用于福州地鐵盾構(gòu)襯砌管片混凝土配制的可行性。

1 工程概況

福州某地鐵項目線路全長約62.4km，其中盾構(gòu)隧道33.0km、高架段14.8km、山嶺隧道12.5km、路基及U型槽段2.1km，共設(shè)置15 座車站（含2 座預(yù)留車站），其中地下站12 座（預(yù)留2 座）、高架站3 座。采用厚度為400mm、寬度為1.8m、內(nèi)徑7500mm、外徑8300mm 規(guī)格的地鐵盾構(gòu)襯砌管片。襯砌環(huán)全環(huán)由1 塊封頂塊、2 塊鄰接塊以及4塊標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)成。

2 預(yù)制混凝土襯砌管片設(shè)計要求

2.1 管片混凝土設(shè)計要求

管片混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C50 的高強(qiáng)混凝土，抗?jié)B等級≥P10，膠凝材料用量取450~500kg/m3，水膠比不大于0.35，混凝土的氯離子含量不超過0.06%，堿含量不大于3.0kg/m3，56d 電通量≤1000C，氯離子擴(kuò)散系數(shù)RCM≤3.0×10-12m2/s，若管片混凝土達(dá)不到氯離子擴(kuò)散系數(shù)指標(biāo)要求或處于侵蝕性環(huán)境中時，則應(yīng)采取在管片背面涂覆外防水涂層等措施。

2.2 外觀質(zhì)量與尺寸偏差要求

管片成品外觀質(zhì)量不允許有嚴(yán)重缺陷，嚴(yán)重缺陷包括蜂窩、孔洞、露筋、夾渣、疏松、以及貫穿性裂縫等。對于棱角磕碰、飛邊、麻面、粘皮、起砂、存在少量氣泡等一般性缺陷，允許進(jìn)行修補(bǔ)。管片成品外觀質(zhì)量的檢驗和合格性判定應(yīng)按《預(yù)制混凝土襯砌管片》（GB/T 22082-2017）的規(guī)定執(zhí)行。

管片每生產(chǎn)30環(huán)應(yīng)抽檢1環(huán)進(jìn)行尺寸偏差檢驗，單塊管片的寬度允許偏差為±1mm、厚度允許偏差為-1mm~+3mm、鋼筋保護(hù)層厚度允許偏差為-3mm~+5mm。

2.3 管片水平拼裝與成品檢漏試驗

管片水平拼裝試驗用于檢驗構(gòu)件的環(huán)與環(huán)、片與片之間的配合精度是否達(dá)到設(shè)計要求。管片水平拼裝試驗抽樣檢測頻率應(yīng)符合現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計文件的要求。

管片成品檢漏試驗應(yīng)按《預(yù)制混凝土襯砌管片》（GB/T 22082-2017）附錄A 的規(guī)定進(jìn)行。管片成品檢漏技術(shù)要求：在1.0MPa 的試驗水壓力作用下，恒壓3h，不得出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，且滲水深度小于8cm。管片成品檢漏試驗抽樣檢測頻率應(yīng)符合現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計文件的要求。

2.4 管片抗彎、抗拔性能試驗

管片成品抗彎性能檢驗應(yīng)按《預(yù)制混凝土襯砌管片》（GB/T 22082-2017）附錄B 的規(guī)定進(jìn)行，其檢驗結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計要求；管片成品抗拔性能檢驗應(yīng)按《預(yù)制混凝土襯砌管片》（GB/T 22082-2017）附錄C 的規(guī)定進(jìn)行，其檢驗結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計要求。

3 原材料選擇及性能測試

3.1 水泥

管片混凝土宜采用強(qiáng)度等級不低于42.5級的質(zhì)量穩(wěn)定、低水化熱和堿含量偏低的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，本試驗采用52.5級硅酸鹽水泥，其性能檢測結(jié)果見表1所示。

表1 水泥性能測試結(jié)果

3.2 礦物摻合料

優(yōu)質(zhì)粉煤灰和?；郀t礦渣粉等超細(xì)礦物摻合料的摻入可顯著提高管片混凝土的抗?jié)B性能，同時能夠起到控制混凝土早期開裂及收縮裂縫的作用，從而確?；炷两Y(jié)構(gòu)的自防水性能［5］。粉煤灰應(yīng)采用符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）中II 級及以上技術(shù)要求的粉煤灰，本試驗采用福州絲綢之路貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的F 類I級粉煤灰，粉煤灰性能測試結(jié)果見表2 所示。粒化高爐礦渣粉應(yīng)采用符合《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》（GB/T 18046-2017）的不低于S95 級技術(shù)要求的礦渣粉，本試驗采用福建大東海實業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的S95 級礦粉，礦粉性能測試結(jié)果見表3所示。

表2 粉煤灰性能測試結(jié)果（單位：%）

表3 礦粉性能測試結(jié)果

3.3 細(xì)骨料

目前管片生產(chǎn)所用細(xì)骨料為天然河砂，其性能測試結(jié)果見表4。前期通過采用機(jī)制砂全部取代天然河砂進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)與天然河砂相比，機(jī)制砂混凝土拌合物的工作性較差，現(xiàn)場施工難以操作。因此考慮采用機(jī)制砂與天然細(xì)砂合成的混合砂作為細(xì)骨料，其摻配比例根據(jù)砂篩分析及混凝土試配結(jié)果進(jìn)行確定，最終確定混合砂摻配比例為機(jī)制砂∶細(xì)砂=7∶3（質(zhì)量比），其性能測試結(jié)果見表5所示。

表4 天然河砂性能測試結(jié)果

表5 混合砂性能測試結(jié)果

3.4 粗骨料

粗骨料采用5~25mm 的連續(xù)級配碎石，由5~10mm和10~20mm 碎石混合而成，其摻配比例為（5~10mm）∶（10~20mm）=4∶6（質(zhì)量比），性能測試結(jié)果見表6。

表6 粗骨料性能測試結(jié)果（單位：%）

3.5 減水劑

混凝土減水劑的使用應(yīng)盡量減低拌合水用量，宜優(yōu)先選用聚羧酸系減水劑，本試驗采用聚羧酸高性能減水劑（早強(qiáng)型），其性能測試結(jié)果見表7。

表7 聚羧酸高性能減水劑性能測試結(jié)果（單位：%）

3.6 拌合用水

采用符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 63－2006）要求的拌合用水拌制管片混凝土。

4 配合比設(shè)計及效果

4.1 C50管片混凝土配合比設(shè)計

管片混凝土的坍落度宜為（30~70）mm，混凝土應(yīng)攪拌均勻、色澤一致，和易性良好，具有較高的早期強(qiáng)度且滿足耐久性設(shè)計要求，能夠滿足管片脫模和鋼模周轉(zhuǎn)的工藝要求。本試驗采用混合砂等質(zhì)量取代天然河砂的方式制備C50管片混凝土，混凝土配合比見表8。

表8 C50管片混凝土配合比（單位：kg/m3）

4.2 摻河砂與混合砂C50管片混凝土性能對比分析

將摻河砂混凝土和摻混合砂混凝土進(jìn)行性能比較試驗，主要測試了混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能，試驗結(jié)果見表9。

表9 C50管片混凝土拌合物性能和力學(xué)性能測試結(jié)果

由表9 可以看出，在相同配合比條件下，河砂C50管片混凝土的坍落度比混合砂C50 管片混凝土坍落度稍大，拌合物的和易性更好?；旌仙盎炷?d 強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的94%，7d強(qiáng)度比河砂混凝土低，但后期強(qiáng)度增長較快，28d 強(qiáng)度高于河砂混凝土，說明采用混合砂制備的混凝土能夠滿足C50 管片混凝土工作性能和強(qiáng)度要求。

依據(jù)相關(guān)設(shè)計文件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，C50 管片混凝土主要通過56d 抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)和56d 電通量指標(biāo)來評價其耐久性能。摻河砂和混合砂的C50 管片混凝土耐久性能測試結(jié)果如表9 所示。由表9 可以看出，混合砂混凝土的56d氯離子擴(kuò)散系數(shù)和56d電通量測試結(jié)果均小于河砂混凝土，說明利用混合砂制備的混凝土抗氯離子滲透性能優(yōu)于河砂混凝土，且混合砂混凝土的56d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

4.3 管片試生產(chǎn)及成品質(zhì)量檢驗

目前共采用混合砂制作50 余環(huán)管片，并對管片成品質(zhì)量進(jìn)行檢驗（如圖1、圖2 所示）。結(jié)果表明，采用混合砂制作的預(yù)制混凝土襯砌管片，其外觀質(zhì)量（如圖3 所示）、尺寸偏差、水平拼裝、檢漏試驗、抗彎性能、抗拔性能等檢驗項目均滿足設(shè)計要求。

圖1 管片水平拼裝檢驗

圖2 管片抗彎性能檢驗

圖3 管片外觀質(zhì)量

5 結(jié)束語

（1）通過混合砂混凝土與河砂混凝土工作性能、強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能對比試驗結(jié)果可以看出，在相同配合比條件下，混合砂混凝土拌合物的坍落度小于河砂混凝土，工作性能比河砂混凝土略差?；旌仙盎炷猎缙趶?qiáng)度低于河砂混凝土，但后期強(qiáng)度有較快增長，采用混合砂制備的管片混凝土強(qiáng)度滿足C50 管片混凝土強(qiáng)度設(shè)計要求?；旌仙盎炷量孤入x子滲透性能優(yōu)于河砂混凝土，采用混合砂制備的管片混凝土耐久性能測試結(jié)果滿足設(shè)計文件的要求。

（2）通過對預(yù)制混凝土襯砌管片成品進(jìn)行檢驗，其外觀質(zhì)量、尺寸偏差、水平拼裝、檢漏試驗、抗彎性能、抗拔性能等項目均滿足設(shè)計要求。

（3）河砂價格約134 元/m3，機(jī)制砂價格約95 元/m3，采用機(jī)制砂替代河砂，每立方米砂可節(jié)約39 元，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。