隧道襯砌混凝土拌合物高流動性優(yōu)化設計研究

任瑞剛 REN Rui-gang

（中鐵上海工程局集團第一工程有限公司，蕪湖 241000）

0 引言

混凝土因成本適中施工方便效率高的特點，普遍用于山嶺隧道、墩梁承臺、高層建筑等工程。作為圬工結構最后一道防線，大多因工藝及泵送需要，要求具有較大流動性，對拌和物性能要求高。高性能減水劑和礦物摻合料是現(xiàn)混凝土兩大物質基礎，是“低水泥用量、低水膠比、低單位體積用水量”的前提，流動、粘聚、保水、包裹、坍損5 個指標之間制約關系是配制鐵路混凝土首要難題。本文闡述了隧道襯砌泵送混凝土性能要求、原材料特性及高泵送設計方法，通過設計實例驗證依據該設計方法得出的泵送混凝土配合比適用性。

1 隧道施工拌合物工作性常見問題

①襯砌施工空間小環(huán)境相對封閉，實體外觀質量差，強度離散度較大。②襯砌施工結構部位和下料方式分布要求不同，共用一個配合比不合理。③受工裝設備影響，混凝土工作穩(wěn)定性差且離散，與提質量、增效益、節(jié)成本目標偏離較大。

2 原材料性能特性及解決措施

2.1 原材料性能分析

①水泥特性。采用亞泰山泉牌P·O42.5 水泥，通過南京工業(yè)大學江蘇省材料化工工程重點實驗室X 射線熒光分析/XRD 物相定量分析，堿含量按Na2O+0.658K2O 計算值為0.77%，其他質量指標如表1、表2 所示。

表1 水泥化學成分分析（X 射線熒光分析法）

表2 水泥礦物相定量分析（XRD）

由表1、表2 數(shù)據可見，脫硫石膏雜質較多，易造成水泥產品性能波動，無水石膏含量較高，雖最終能生成足夠多SO42-，但溶解速度最慢，不足以匹配析出足夠量SO42-抑制C3A 早期水化。水泥不斷水化反應，消耗漿體中大量自由水，同時生產大量Ca（OH）2和C-S-H（水化硅酸鈣）覆蓋在未水化的水泥顆粒表面，將吸附的減水劑分子包埋失效，靜電斥力、空間位阻作用消失或減弱，影響與外加劑相容性和混凝土凝結時間，造成混凝土坍落度損失大。

②粉煤灰特性。采用白山熱電F 類Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰密度2300kg/m3，細度28%，燒失量5.0%，需水量比105%，28 天活性較差。數(shù)據可見細度對強度有一定影響，顆粒愈細強度增長愈高，混凝土漿體體積和粘聚性能更好。需水量和燒失量較大，主要為未燃燒碳顆粒碳顆粒含量較多，需水量高對減水劑有效成分吸附越大，對氣的吸附更明顯，引氣困難且氣損較大造成減水母液和保坍母液應相應增加。

③骨料特性。采用白山市冉盛新型建筑材料廠碎石、機制砂，控制細度模數(shù)3.2 以下且顆粒級配0.15mm 及以下顆粒含量為15%～30%。

④外加劑特性。采用沈陽依力達建筑外加劑廠聚羧酸系高性能減水劑，為提高與水泥的適應性，采用快吸附高分散穩(wěn)定性好的綜合母液富漿，引入三萜皂苷加聚醚引氣復合方案，產生大量均勻分布、閉合穩(wěn)定微小氣泡，適當增加保坍成份，提高拌合物和易性、保水性和黏聚性。

2.2 原材料性能調整

①水泥調整方案。根據水泥C3A 較高SO42-較少特性，適當提高SO3含量，以增加水泥CaSO4·2H2O 含量與C3A匹配反應；控制Na2O、K2O 含量，使水泥含堿量低于0.6%，避免發(fā)生堿骨料反應；控制f-CaO 含量，其間接反映了熟料燒成情況，過高的f-Ca0 影響到水泥漿體流動性。調整后堿含量按Na2O+0.658K2O 計算值為0.60%；C3A 含量6.9%；SO3含量2.63%，二水石膏含量3.8%；半水石膏含量0.1%；無水石膏含量0.0%；f-Ca0 含量0.4%，調整后水泥凈漿流動度經時損失大幅度減小，如表3 所示。

表3 C3A 含量/堿含量與凈漿流動度關系評價

②外加劑調整方案。

由于水泥水化后溶液呈較強堿性，減水劑分子在強堿溶液中易出現(xiàn)分子側鏈脫落或減水劑分子分解，減水作用失效或減弱，造成流動度損失。減水劑根據調整后水泥特性進行分子結構設計，采用快吸附高分散WPJ601 減水母液、穩(wěn)定性好WPJ412 綜合母液復合以減弱C3A 含量高對外加劑分散作用破壞。更換緩凝劑種類ATMP 并適當提高緩凝、保坍劑緩釋組分用量，以延緩C3A 水化過快造成自由水不足引起混凝土流動性過快損失。根據調整前后與凈漿流動度關系，在減水劑中補入3%硫代硫酸納等含硫組分，輔助生成足夠多SO42-以適應C3A 遇水即水化特性，匹配反應形成三硫型水化硫鋁酸鈣，以平衡C3A 水化過快SO42-不足，造成自由水不足引起流動性過快損失，如表4所示。（圖1、圖2）

圖1 C3A 含量/堿含量與凈漿流動度經時損失

表4 WJJ 調整前后與凈漿流動度關系評價

2.3 優(yōu)化配合比設計

2.3.1 原設計

混凝土設計等級C40，水膠比0.37，外加劑摻量1.0%，用水量163kg/m3。水泥密度3060kg/m3，粉煤灰密度2280kg/m3，外加劑密度1063kg/m3，碎石表觀密度2840 kg/m3，河砂表觀密度2680kg/m3。根據機制砂品質和漿體比限值，砂率按水膠比和碎石最大粒徑查表選取質量砂率βs=41%，按體積法設計。經計算得到體積砂率Sv=42%；Vs，g=1-0.35=0.65m3；ms=0.65×42%×2680=732kg；mg=0.65×（1-42%）×2840=1071kg；漿體體積=362/3.06+91/2.28+163/1=118.3+39.9+163=321.2L；理論計算容重2420kg/m3與現(xiàn)場實測容重2480kg/m3相差較大；同時通過實拌發(fā)現(xiàn)該配合比漿體體積雖滿足標準規(guī)定，拌和物砂率過大較粘稠流速慢，不符合實際現(xiàn)場施工需要。

2.3.2 優(yōu)化設計方法1

優(yōu)先調整減水劑品質和體積砂率，降低骨料整體孔隙率。砂率過高對體積穩(wěn)定性不利，漿骨比合適并更多使用骨料及控制漿體和用水量，確保工作性穩(wěn)定是力學性與耐久性的前提。①采用分散能力強敏感度低的富漿母液，在流動、保水、粘聚最佳狀態(tài)和含氣量3.2%±0.2%時，考察砂率是否適當。微小氣泡均勻分布在水泥漿中增加漿體體積并依附在骨料上，含氣較小，狀態(tài)堆積碴散，此時提高含氣量，懸浮趨勢隨之變大。規(guī)范規(guī)定含氣量宜2%～4%，不足以證明對工作性改善作用空間關系，必須在合適狀態(tài)下選取砂率。②砂率無數(shù)據化定量計算證明方法，需結合骨料空隙率、細度模數(shù)、級配以及施工工藝綜合確定，根據試拌結果選取合適砂率以降低骨料整體空隙率，漿體填充空隙后有一定富余，起潤滑和流動作用。同時減少過多漿體體積形成骨架密實結構，提高體積穩(wěn)定性，較大幅度提高混凝土工作性、密實性等基本要求，如表5 所示。

表5 同水膠比含氣量與砂率對拌和物工作性影響關系

2.3.3 優(yōu)化設計方法2

根據混凝土骨架密實空隙率最小原則，在調整減水劑功能和體積砂率，降低骨料整體空隙率基礎上，①提高摻合料取代量獲得漿體量提升增加漿體量來調整漿體體積（粉煤灰密度低于水泥，同用量情況下漿體積提升）。②降低漿體需求量以滿足基本流動性與可泵性。③經調整得到體積砂率Sv=40%；Vs，g=1-0.355=0.645m3；ms=0.645×40%×2680=691kg；mg=0.645×（1-40%）×2840=1099kg；漿體體積=317/3.06+136/2.28+163/1=103.6+59.6+163=326.2L；實測含氣量3.5%，容重2475kg/m3，如表6 所示。

表6 單方混凝土材料用量（kg/m3）

2.4 統(tǒng)一混凝土流變性與狀態(tài)評判標準

新拌混凝土具有較高流動性、可泵性、抗離析性、保塑性及低放熱性，硬化后高強度、高耐久性、高體積穩(wěn)定性。即：漿體顏色內外一致，無大氣泡泌出，表面無碳析出物，漿體柔和有光澤，混凝土粘性適中有彈性，流動剪切力大于氣泡的表面張力，氣泡破裂后殘留孔洞因粘性和流動性自然復原，骨料均勻分布，坍落度損失小，粘結力高，力學性和耐久性也較好，如表7 所示。

表7 調整前后工作性、力學性和耐久性評價

2.5 優(yōu)化混凝土工地實踐

經新緣隧道二襯施工驗證，實測含氣量3.5%；容重2480kg/m3；坍落度230mm；擴展度580mm；混凝土拌和物出機至澆筑完成用時約1.5h，拌和物不泌不滯損失可控；現(xiàn)場制件頂面漿體厚度0.5cm，10 天標養(yǎng)強度46.9MPa；56 天標養(yǎng)強度63.9MPa；對應取芯強度66.2MPa。

3 結語

混凝土采用大砂率高含氣摻加保水增稠等錯誤技術措施，出現(xiàn)泌水、損失大、包裹流動差等施工困難，給工作性能帶來嚴重影響，膠材與減水劑適應性是現(xiàn)階段技術性能調整關鍵。將砂率由41%調整至39%，粉煤灰含量由20%放寬至25%（夏季30%），外加劑根據水泥特性更改快吸附、高分散的WPJ-601 減水母液、穩(wěn)定性好的WPJ-412綜合母液復合，減弱C3A 含量高對水泥顆粒分散作用破壞，通過試驗選取最優(yōu)因素組合以節(jié)約成本滿足二襯混凝土質量要求。后續(xù)宜隨施工進度每1 個月進行隨機取芯試驗，驗證優(yōu)化后實體勻質性，以便多方查找問題，為后續(xù)持續(xù)優(yōu)化提供依據。