预制盾构管片高性能混凝土的研究和应用

摘要：结合北京地铁预制盾构管片施工，对配制管片高性能混凝土的原材料和配合比进行了优选。试验证明，必须重视对水泥的选择，重点是早期强度、碱含量以及与外加剂的适应性。同时，必须重视对外加剂的选择，使用改性三聚氰胺高效减水剂和聚羧酸系高效减水剂效果较好。另外，针对市场上石子级配较差的状况，采用“组合级配”方法有效保证了混凝土中集料的级配，提高了新拌混凝土的工作性，保证了管片混凝土的匀质性和耐久性。

关键词：盾构管片；高性能混凝土；质量控制；三聚氰胺高效减水剂；聚羧酸高效减水剂

中图分类号：TU525 文献标识码：B 文章编号：1000-4637（2006）04-31-03

0 前言

    目前地铁施工中大量采用预制盾构管片作为衬砌，管片混凝土必须使用高性能混凝土才能满足各种设计和施工要求。这些基本要求是：①抗压强度设计等级为C50，要求早强，即在蒸汽养护条件下满足12h 一次模具周转。②水胶比不大于0.35，混凝土坍落度小于70mm，易于浇注和振捣。③构件几何尺寸偏差要求高，几何尺寸偏差要求小于1mm 。④构件外观质量要求高，基本上要求达到清水混凝土的标准，即要求棱角完整无磕碰、外观光亮、颜色均匀一致、表面致密气泡少。⑤由于采用振捣工艺，混凝土必须有良好的触变性，分层、离析和泌水小。⑥体积稳定性好，裂缝少。⑦耐久性要求高，在耐久性指标上明确提出了100 年耐久性的设计要求。对混凝土抗渗性要求也很高，有的还有耐腐蚀要求。⑧低碱集料反应性等。本文结合几年来生产管片的实际经验，就管片高性能混凝土原材料优选以及配合比设计进行了总结。

1 原材料优选

1.1 水泥

      混凝土裂缝是影响结构耐久性的重要因素。当混凝土发生破坏时，常常归因于养护、集料、掺和料或者质量控制，却很少考虑水泥的影响。这可能是因为同一类型的水泥一旦通过了标准试验就认为它们是一样的。然而事实上，不同厂家生产的同一类型的水泥,在抵抗混凝土开裂的能力方面有很大的差异。因此，高性能混凝土必须重视对水泥的选择。配制不易开裂的管片混凝土应重点考察以下几个方面：（1）水泥早期强度好，并适合蒸汽养护，要求在低温蒸养条件下（60℃以下）盾构管片10h 脱模强度≥20MPa 。根据经验,应选择强度等级不低于42.5MPa 的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。（2）为避免发生碱集料反应，水泥的碱含量应严格控制在0.6% 以下。（3）从经济性和耐久性两方面考虑，应选择与高效减水剂适应性好的水泥。

      本文选择北京常用的三种普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5（甲、乙、丙）进行对比试验。其中混凝土脱模强度采用和实际生产一致的混凝土配合比（相同胶凝材料、相同水胶比、相同砂率）进行，试验结果见表1。与外加剂的适应性试验采用聚羧酸系高效减水剂，试验结果见表2。

    通过表1和表2试验结果可以看出：（1）三种水泥均属低碱含量水泥，以丙的碱含量最低。（2）混凝土脱模强度：丙最高，乙中等，甲最低。（3）与外加剂适应性：在水泥净浆流动度基本相同的情况下考察外加剂掺量：甲>乙>丙，说明丙与高效减水剂的适应性最好。

      综合以上试验结果，丙最适合配制管片高性能混凝土。

1.2 掺合料

      掺合料是高性能混凝土不可缺少的组分之一,常用的掺合料有磨细矿渣、粉煤灰、硅灰等。众多试验研究结果表明，磨细矿渣可以改善混凝土的和易性、提高混凝土的耐久性，尤其是耐腐蚀性可得到较大幅度的提高。但是，近年来的研究结果也显示，掺加磨细矿渣配制混凝土的体积稳定性越来越引起工程界的重视，磨细矿渣细度越大，混凝土工程早期开裂的越多。如某管片厂采用大掺量磨细矿渣掺和料生产管片，在存放6个月以后，和不掺加磨细矿渣掺和料的管片相比，外弧面裂缝更宽和更深。大量研究高性能混凝土文献资料表明，单独使用优质粉煤灰或者把磨细矿渣和粉煤灰复合使用可减少混凝土收缩，提高体积稳定性[1] 。本文根据经验使用Ⅰ级粉煤灰作掺合料取得较好效果。

1.3 集料

      针对北京及周边地区砂子细度模数普遍在2.5 以下的特点，本文将改善混凝土集料级配的重点放在粗集料上。目前北京市售石子存在的最大问题是级配不合格，其中有生产不稳定的因素，也有生产和存储过程中大小石子分离的问题。本文提出了“组合级配”方法，适当提高粗集料中细料含量，较好解决了细集料细度模数较低和粗集料级配较差的问题。表3为从某山碎石厂购买的5～20mm 石子的实际筛分结果。

      从表3可以看出，该5～20mm 石子中10mm 以下粒径偏少，已经明显低于规范的范围。本文采用“组合级配”方法，既简单易行，也不提高成本，取得了较好效果。所谓“组合级配”就是碎石厂根据混凝土企业提供的集料粒径生产2种以上间断级配的石子，由混凝土企业自己混合成满足级配要求的连续级配石子。如盾构管片需要最大集料粒径为20mm 石灰岩碎石，我们通过和碎石厂协商，由其提供5～10mm 、10～20mm 两种级配的石子，在搅拌配料时按照25% 的5～10mm 碎石和75% 的10～20mm 碎石的比例混合，满足生产要求，检测结果见表4。

      半年来的应用结果表明，采用组合级配方法有如下优点：（1）克服了北京市场5～20mm 石子级配差的缺点，保证了级配稳定。（2）大大减少了针片状含量，提高了石子质量。（3）可以根据砂子级配及时调整两种石子的比率，解决了盾构管片浇筑后浮浆过厚的难题。

1.4 外加剂的优选

      混凝土减水剂要满足低水胶比下流动性及其保持能力，减水率一定要大（一般在20%以上），且坍落度的经时损失要较小，这就要选用高性能高效减水剂。目前北京常用的高效减水剂主要有三类：第一类是萘系高效减水剂，第二类是新型改性三聚氰胺系高效减水剂，第三类是聚羧酸系高效减水剂。使用这三类高效减水剂配制的管片混凝土，在新拌混凝土工作性、强度稳定性、管片外观质量以及耐久性方面有较大区别。典型外加剂产品性能见表5。

     和水泥适应性好坏是选择外加剂的一个重要标准。本文采用水泥净浆流动度的方法检测外加剂与水泥的适应性。水泥采用与外加剂适应性较好的丙种水泥。水泥用量300g，固定用水量87g 。试验结果见表6。

      根据以上水泥净浆试验结果，比较三种减实际筛孔通过率11111 220 88 100 水剂减水率，聚羧酸盐系>改性三聚氰胺系>萘系。一般地，萘系高效减水剂用量为0.7%～1.0% （折固），国内改性三聚氰胺系减水剂掺量为0.45%～ 0.55%（折固），国外聚羧酸系高效减水剂掺量为0.10%～0.15%（折固）[2] 。

      聚羧酸系高效减水剂的减水性能明显好于其它两种类型产品，但价格也明显高于其它两类产品。综合考虑减水剂品质、与水泥适应性试验结果以及单方外加剂价格，初步确定使用国内改性三聚氰胺高效减水剂和国外某聚羧酸高效减水剂进行混凝土试配和管片制作，通过混凝土工作性、强度、管片外观等效果进行进一步优选。

2 配合比试验和管片性能

2.1 配合比设计基本要求

      盾构管片高性能混凝土配合比设计的难点在于：较小坍落度的混凝土在浇注时有良好的触变性；振动成型过程中石子基本不下沉，分层离析小；混凝土浇筑后能够尽快失去流动度形成初始结构，易于抹面；早期强度高，满足24h 周转两次的要求等。根据经验，配合比主要设计参数应满足如下几条：（1）水胶比控制在0.31～0.33 之间。（2）胶凝材料总量不少于400kg/m3。（3）磨细矿渣和粉煤灰总掺量不超过胶凝材料总量的50%，其中磨细矿渣不超过30% 。（4）砂率一般控制在36%～40% 。

2.2 试验室混凝土性能

     根据第2.1 条混凝土配合比设计原则，经试验最终确定的混凝土配合比及性能试验结果见表7 和表8。

2.3 管片性能试验

     在室内试验的基础上，用两种外加剂配合比进行了盾构管片生产试验，重点考察生产工艺上的区别和管片成品外观效果，结果如下：

（1）用改性三聚氰胺高效减水剂，混凝土粘聚性和保水性好，没有混凝土离析和泌水现象，尤其是构件外观色泽均匀一致，有光亮感，气泡小且少，满足清水混凝土标准要求。

（2）用聚羧酸盐高效减水剂，混凝土粘聚性和保水性也很好，没有离析和泌水现象，构件外观也能做到色泽均匀一致，但是光亮感稍差，气泡较多。

2.4 单方混凝土经济分析

      由于两个配比中除减水剂外其它组分用量相同，因此经济分析只考虑单方外加剂成本。使用聚羧酸高效减水剂的1号配比，单方外加剂费用为32.4 元。使用改性三聚氰胺高效减水剂的2号配比，单方外加剂费用为27 元。综合考虑新拌混凝土和硬化混凝土性能以及成本等因素，使用改性三聚氰胺高效减水剂的2号配合比进行生产可以取得较好的技术经济效果。

3 工程应用

       目前北京地铁隧道施工大量采用了盾构法施工技术，仅地铁4# 线、5# 线和10# 线就需要直径6m 的钢筋混凝土盾构管片总计约50km 。管片混凝土设计强度等级为C50，抗渗设计等级为P10 。北京某公司为北京地铁加工盾构管片，到目前为止，使用改性三聚氰胺高效减水剂生产管片约3000 环，共计混凝土2万m3，强度均达设计强度的115% 以上，混凝土抗渗及管片成品检漏试验完全满足规范要求，管片尺寸完全满足设计要求，外观光亮、颜色均匀一致、表面致密气泡少，外观质量好，受到业主、施工单位、监理单位的一致好评。

4 结论

（1）配制管片高性能混凝土必须重视对水泥的选择。应重点考察：①早期强度和低温蒸养条件下（60℃ 以下）10h 脱模强度。②水泥碱含量。③与外加剂的适应性。选择和高效减水剂适应性好的水泥可以取得良好的经济性和耐久性。

（2）通过对萘系、三聚氰胺系和聚羧酸系高效减水剂进行大量对比试验，证明使用改性三聚氰胺高效减水剂配制的混凝土粘聚性和保水性更好，离析和泌水现象少，早期强度增长快，脱模强度高，构件外观色泽均匀一致，有光亮感，气泡少，完全满足高性能混凝土要求。

（3）使用聚羧酸系高效减水剂，除表面气泡较多外，其它性能和使用改性三聚氰胺高效减水剂基本相同，但生产成本较高。

（4）萘系高效减水剂可以配制出力学性能满足要求的混凝土，但混凝土匀质性差，离析泌水，很难达到高性能混凝土的要求。

（5）为了减少混凝土收缩开裂，提高体积稳定性，掺和料宜采用I级粉煤灰，掺量不宜超过胶凝材料总量的20% 。

（6）针对北京市场石子级配较差的状况，采用“组合级配”方法可以有效改善混凝土集料级配，提高新拌混凝土工作性，提高管片混凝土匀质性和耐久性。

参考文献：

[1] 郭延辉，覃维祖，郭京育. 混凝土外加剂及其应用技术. 机械工业出版社，2004.

[2] 郭延辉，等. 聚羧酸系高性能减水剂及其应用技术. 机械工业出版社，2005.

收稿日期：2006-05-28

作者简介：杨寒冰（1977-），男，工程师。

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