盾构管片高性能混凝土配合比设计

盾构管片高性能混凝土配合比设计雷玉锋【摘要】通过大量试验系统地分析了原材料对混凝土性能的影响，然后通过正交试验确定出满足工程需要的混凝土配合比结合天津地铁5号、6号线盾构管片制作工程实例，用较低的胶凝材料(P.O42.5水泥用量390kg,二级粉煤灰用量80kg),配制出了强度等级为C50、抗渗等级为P15、抗冻融循环330次的管片用混凝土.混凝土具有高强度、高抗渗、耐久性好、蒸养适应性好、工作性好的特点，它是生产优质管片的材料保证.采用正交试验方法确定最佳配合比的方法在配置其他混凝土时也可采用.【期刊名称】《国防交通工程与技术》【年(卷)，期】2017(015)003【总页数】4页(P73-76)【关键词】混凝土配合比;正交试验;盾构管片【作者】雷玉锋【作者单位】中铁十八局集团第四工程有限公司沃津300350【正文语种】中文【中图分类】U454近年来，随着城市轨道交通的发展和盾构掘进技术的完善与推广，许多城市的地铁建设项目纷纷上马，我国的地铁建设已经进入了高峰阶段。而且，随着盾构技术的推广，在非岩石地段，各城市大都采用了盾构掘进的成洞方式，盾构管片的需求量大增，混凝土管片的预制生产也随着地铁建设的需求进入了高峰期［1］。目前大多采用盾构管片流水线生产，高效率的生产节奏对混凝土性能提出了更高的要求，在保证混凝土质量的前提下，要具有提高混凝土的和易性、早期强度、抗裂等性能。本文结合天津地铁施工实例，采用正交试验方法研究设计高强度盾构管片混凝土配合比。该配比混凝土研制目的为：缩短管片生产周期、提高产量、降低生产成本，管片尺寸精度达到要求，确保管片无裂缝，有效减少混凝土表面气泡的数量。高强度管片混凝土的设计目标为：混凝土同条件养护试件抗压强度等级C50(设计强度59.9MPa)［2］，抗渗等级不小于P10，8h抗压强度达到20MPa(采取常压蒸汽养护措施)，具有良好的蒸汽养护适应性，低干缩、低湿胀和良好的耐久性。其中耐久性用抗冻融循环表征，抗冻融循环目标值为不小于300次；低粘性、易振捣密实、易收光。2.1细骨料管片用混凝土属高强度等级混凝土，本厂选用福建闽江砂，砂的细度模数2.8，级配区为H区，含泥量1.0%(<3.0%),泥块含量0.2%(<1.0%)，氯离子含量0.003%(<0.06%),其他各项指标满足《普通混凝土用砂、石质量检验方法及标准》(JGJ52-2006)要求。2.2粗骨料粗骨料含泥量<1.0%，泥块含量<0.5%［3］。按照空隙率最小的原则，选用5~10mm连续粒级和10~25mm单粒级按30:70进行复配。2.3水泥选用振兴水泥厂的正通牌P.O42.5低碱水泥，该水泥具有碱含量低、C3A含量低，外加剂适应性好、蒸汽养护适应性好等特点。2.4粉煤灰选用大港热电厂的优质H级粉煤灰，品质满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596-2005)的要求。2.5外加剂选用天津鑫永强外加剂厂的SP401型萘系高效减水剂，为了缩短混凝土蒸养时的预养时间，在其中复合一定量的早强剂。2.6水采用管片厂已有水井的地下水，其品质符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)质量要求。3.1设计方案先设计一个基准配合比，对这个配合比中各种原材料用量分别上下调整，了解各种原材对混凝土性能的单因素影响，最后采用正交表设计试验，了解多种原材料对混凝土性能的综合影响，最终确定一个综合评价最优先的混凝土配合比用于生产。经过计算与试拌调整，得出基准配合比：水泥410kg/m3、水149kg/m3、砂590kg/m3、石1260kg/m3、减水剂11kg/m3、粉煤灰90kg/m3、坍落度65mm、强度69.2MPa、抗渗等级P15。3.2混凝土最佳坍落度的确定由于模具表面为向上突起的弧形，混凝土坍落度不能过大，否则会向下流淌；也不能过小，坍落度过小的混凝土不易振实。为此设计出不同的混凝土坍落度，观察此时混凝土的表现：坍落度在10~20mm之间时，混凝土不易振捣密实，而且混凝土中气泡较多；坍落度大于50mm时，混凝土在浇捣完成后会向下滑移，不能顺利进行施工，所以混凝土坍落度选择在30-50mm之间。3.3单因素对混凝土性能的影响分析为了便于比较、研究单因素对混凝土性能的影响，按基准配合比配制，混凝土坍落度选择在30~50mm之间不变，水的用量以〃保持坍落度不变”为原则随机调整。3.3.1水灰比随着水灰比的降低，混凝土抗压强度和混凝土抗渗等级均升高，混凝土其它性能受水泥用量影响不显著，见表1。3.3.2粉煤灰在保持混凝土坍落度不变的情况下，随着粉煤灰用量的增加，混凝土抗压强度和混凝土抗渗等级不断升高，混凝土工艺性能逐渐变差［4］，见表2。3.3.3砂率水的用量以〃保持坍落度不变”为原则随机调整，骨料总量保持1850kg不变，其它材料用量按表1的基准配合比取值，即每m3混凝土其它材料用量为:水泥410kg，减水剂11kg，粉煤灰90kg，水143kg，坍落度40±10mm。在保持混凝土坍落度不变的情况下，随着砂率增加，混凝土抗压强度无明显变化，混凝土工作性能逐渐变好，见表3。3.3.4夕卜加剂掺量在保持混凝土坍落度不变的情况下，随着外加剂掺量（外加剂占胶凝材料总量的百分比）的增加，混凝土抗压强度和抗渗等级不断升高，混凝土工作性能不断变差，见表4。3.3.5混凝土含气量随着含气量的增加，混凝土强度不断降低，但降幅不是很大，这跟用水量不断减小、水胶比不断减小有关。混凝土抗渗等级有增大趋势，混凝土粘性越来越小，收光越来越容易，混凝土振实难易程度和气泡排除难易程度不受影响，见表5。3.4混凝土粘性分析由以上试验数据可以看出导致混凝土粘性大的主要因素有:胶凝材料用量、砂率、外加剂掺量、混凝土含气量，具体分析如下：胶凝材料用量大于450kg/m3时，随着胶凝材料用量的增加，混凝土粘性增大。当砂率小于35%时，混凝土的粘性较大，随着砂率的增加混凝土的粘性逐渐变小。⑶随着外加剂掺量的增加，混凝土粘性增大。(4)混凝土含气量提高，可以降低混凝土的粘性。3.5通过正交试验进行配合比优化3.5.1选择因素和水平通过上述分析可知，决定混凝土性能的因素有:水灰比、粉煤灰用量、砂率、夕卜加剂掺量、混凝土含气量，据此选择各因素的水平。水灰比(因素A):根据《混凝土配合比设计规程》(JGJ52-2011)，拟配强度为59.9MPa，选择水平A1,0.37;A2,0.36;A3,0.35进行正交试验。粉煤灰用量(因素B):当粉煤灰用量达到90kg时，混凝土性能出现不合格项，选择水平B1,80kg;水平B2,100kg;水平B3,120kg进行正交试验。砂率(因素C):由表2可见当砂率小于35%时，混凝土性能出现不合格项，选择水平C1,33%;水平C2,35%;水平C3,37%进行正交试验。外加剂掺量(因素D):由图2可见当外加剂掺量达到2.4%时，混凝土性能出现不合格项，选择水平D1,2.0%;水平D2,2.2%;水平D3,2.4%进行正交试验。混凝土含气量(因素E):当混凝土含气量小于3.4%时，混凝土性能出现不合格项，选择水平E1,3.1%;水平E2,3.4%;水平E3,3.7%进行正交试验。3.5.2正交试验确定配比采用正交表L9(35)安排试验，试验结果见表6。由表6可以看出，试验号2号的配合比参数最优，即:水泥用量为370kg/m3，粉煤灰用量80kg/m3，砂率35%，外加剂掺量2.2%，混凝土含气量3.4%。通过试拌，得出用于生产的混凝土配合比为:水泥：水：砂：石：减水剂：粉煤灰=370:139:670:1244：10：80(kg/m3)。混凝土各项性能指标均满足设计目标，且经济合理。3.5.3用冻融循环次数来验证混凝土的耐久性按该配合比制作试件进行冻融循环试验，发现混凝土抗冻融循环次数为330次，满足抗冻融循环次数300次的要求。通过系统研究分析得出原材料对混凝土性能的影响，采用正交试验方法确定了最优混凝土配合比，该成果在天津地铁5号、6号线盾构管片制作中得到了应用。混凝土配合比的优化，大大提高了管片生产进度，在质监站的多次检查中施工质量及外观质量均名列前茅。该试验方法适用于其他混凝土配合比的设计研究，有广泛的实用性。【相关文献】杨雄利.地铁混凝土管片养护制度的研究[J].铁道建筑技术，2008(03):38中华人民共和国国家质