隧道二襯石灰石粉自密實(shí)混凝土應(yīng)用研究

摘 要：文章針對隧道二襯混凝土易出現(xiàn)的施工質(zhì)量問題，利用自密實(shí)混凝土具有的流動性好、粘聚性大和硬化后優(yōu)異的力學(xué)性能及耐久性能的特性，將磨細(xì)的石灰石粉用于隧道二襯自密實(shí)混凝土的配制，確定最佳混凝土配合比，并在實(shí)際工程進(jìn)行應(yīng)用。結(jié)果表明：當(dāng)膠材用量為420 kg/m3，水膠比為0.4，砂率為0.44時，復(fù)摻石灰石粉和硅灰的隧道二襯自密實(shí)混凝土性能較優(yōu)，其在滿足混凝土工作性能與力學(xué)性能的同時，可提高隧道二襯的外觀質(zhì)量，相關(guān)技術(shù)可為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道二襯；自密實(shí)混凝土；石灰石粉；應(yīng)用

中圖分類號：U455.91

0 引言

隧道二襯混凝土的質(zhì)量直接影響到隧道的長期穩(wěn)定與安全運(yùn)行［1］。隧道中常見的病害有隧道滲漏水、二襯混凝土開裂破損等，這些病害與二襯混凝土的配制及施工有著密切的關(guān)系［2-4］。隧道二襯混凝土施工一般采用鋼模整體襯砌臺車一次模筑成型。由于施工區(qū)域狹窄和振搗困難，因此要求混凝土具有較大的流動性［5］，但大流動度混凝土一旦配制不當(dāng)很容易出現(xiàn)泌水離析的問題，從而導(dǎo)致隧道二襯混凝土出現(xiàn)蜂窩麻面、錯臺及漏漿等質(zhì)量問題［6-7］。

自密實(shí)混凝土具有良好的流動性，在配筋復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物中，能夠依靠自身重力自行流動，充分填充到模板的各個角落，且其流動性經(jīng)時損失量較小［8-9］。同時，自密實(shí)混凝土具有足夠的粘聚性，流動過程中可防止自身發(fā)生離析泌水。且自密實(shí)混凝土拌和物均勻密實(shí)，硬化后具有優(yōu)良的工程力學(xué)性質(zhì)和耐久性能［10-12］。因此，將自密實(shí)混凝土應(yīng)用于隧道二襯施工具有廣大前景。

本文結(jié)合某高速公路的隧道二襯混凝土施工環(huán)境，開展石灰石粉自密實(shí)混凝土配制及應(yīng)用等研究工作。研究膠材用量、砂率、水膠比等變量對自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的影響，同時開展不同膠凝材料體系和不同石灰石粉摻量的優(yōu)化試驗(yàn)，最終確定水泥+硅灰+石灰石粉體系的自密實(shí)混凝土配合比，并將其在隧道二襯混凝土施工中進(jìn)行應(yīng)用，可為相關(guān)工程實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥采用華潤（田陽）生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為28.5 MPa和49.8 MPa；粗骨料采用龍旺石場生產(chǎn)的5～25 mm連續(xù)級配碎石，壓碎指標(biāo)值10.2%，含泥量為0.8%，表觀密度為2 680 kg/m3；細(xì)骨料采用龍旺石場生產(chǎn)的石灰?guī)r機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.0，表觀密度為2 650 kg/m3；礦渣粉采用首鋼盾石S95級，石灰石粉采用項目自磨，目數(shù)為500～600；硅灰為成都東藍(lán)星生產(chǎn)，比表面積為20～28 m2/g；外加劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司的聚羧酸減水劑。

1.2 試驗(yàn)方法及配合比設(shè)計

分別按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019）測試混凝土的擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度，隧道二襯自密實(shí)混凝土初步配合比和優(yōu)化配合比分別見表1和表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 初步配合比參數(shù)的影響

2.1.1 膠材用量的影響

采用三種不同的膠材用量（400 kg/m3、420 kg/m3和440 kg/m3），研究膠材用量對自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可知：隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的擴(kuò)展度和28 d抗壓強(qiáng)度均逐漸增加，且增長規(guī)律相近，但在試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土膠凝材料用量較少時（400 kg/m3），混凝土漿液包裹性不足，和易性偏差，而當(dāng)膠材用量為420 kg/m3時，混凝土的工作性能和和易性適中，可以滿足泵送要求，且其經(jīng)濟(jì)性好，因此，后續(xù)試驗(yàn)的膠材用量均為420 kg/m3。

2.1.2 水膠比的影響

采用三種不同的水膠比（0.38、0.4和0.42），研究水膠比對自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著水膠比的增加，自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度逐漸增加，但混凝土28 d抗壓強(qiáng)度卻出現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)混凝土水膠比為0.4時，混凝土擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到混凝土施工要求，因此，取混凝土水膠比為0.4。

2.1.3 砂率的影響

采用三種不同砂率（0.44、0.46、0.48），研究砂率對自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著砂率的增加，混凝土擴(kuò)展度逐漸增加，但混凝土28 d抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)砂率為0.44時，混凝土擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度滿足混凝土施工要求，超過0.44后雖流動性能有一定提升，但強(qiáng)度降低較快，因此取砂率為0.44。

通過上述試驗(yàn)，初步確定了自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計參數(shù)，膠材用量為420 kg/m3，水膠比為0.4，砂率為0.44。

2.2 膠凝材料體系對混凝土性能的影響

在初步配合比的基礎(chǔ)上，研究不同膠凝材料體系對自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的影響，本次試驗(yàn)設(shè)計了四種膠凝材料體系，分別是水泥、水泥+礦粉、水泥+石粉、水泥+石粉+硅灰。

2.2.1 礦粉摻量對混凝土性能的影響

在水泥+礦粉膠材體系下，研究不同礦粉摻量（15%、20%和25%）對自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，如下頁圖4所示。由圖4可知，隨著礦粉摻量的增加，混凝土擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，不同的是，在礦粉摻量≤20%時，混凝土擴(kuò)展度降低幅度較小，而混凝土抗壓強(qiáng)度降低幅度較均衡。因此，綜合擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，自密實(shí)混凝土配制時盡量不采用礦粉。

2.2.2 石粉摻量對混凝土性能的影響

在水泥+石粉膠材體系下，通過研究不同石粉摻量（15%、20%和25%）對自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，如圖5所示。

由圖5可知，隨著石粉摻量的增加，混凝土擴(kuò)展度顯著增加，而混凝土28 d抗壓強(qiáng)度卻逐漸降低，說明單摻石粉可以使混凝土工作性能提升，但會降低混凝土強(qiáng)度，因此，在使用石粉配制混凝土?xí)r，必須要復(fù)摻一些可以提高抗壓強(qiáng)度的材料。

2.2.3 石粉和硅灰復(fù)摻對混凝土性能的影響

在水泥+石粉+硅灰膠材體系下，通過固定硅灰摻量，研究不同石粉摻量（15%、20%和25%）對自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，如圖6所示。

由圖6可知，在固定硅灰摻量為5%的條件下，隨著石粉摻量的增加，混凝土擴(kuò)展度顯著增加，而混凝土28 d抗壓強(qiáng)度先增加后降低，說明適當(dāng)?shù)氖酆颗c硅灰協(xié)同可以提升混凝土強(qiáng)度，但當(dāng)石粉含量較大時，混凝土強(qiáng)度會下降；當(dāng)石粉與硅灰總摻量比例為20%+5%時，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與純水泥體系相當(dāng)，而當(dāng)石粉摻量＞20%后，混凝土抗壓強(qiáng)度顯著下降。因此，綜合經(jīng)濟(jì)與混凝土擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度的要求，應(yīng)控制石粉的摻量在20%左右，硅灰摻量在5%左右。

2.2.4 不同膠凝材料體系下混凝土性能分析

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過固定礦粉摻量（20%）和復(fù)摻石粉及硅灰（20%+5%），對比不同膠凝材料體系下混凝土擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度，并與純水泥體系進(jìn)行對比，對比結(jié)果見圖7。由圖7可知，不同膠凝材料體系對混凝土擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度的影響較明顯，與純水泥相比，水泥+石粉+硅灰膠材體系下混凝土的流動性顯著改善，28 d抗壓強(qiáng)度與純水泥體系基本相當(dāng)，適用于自密實(shí)混凝土的配制，而水泥+礦粉體系下混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度有所下降，流動性也略有下降。對照上述擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，自密實(shí)混凝土最佳膠凝材料體系確定為水泥+石粉+硅灰。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 配合比推薦

由于二襯用混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C35，考慮到現(xiàn)場施工質(zhì)量問題以及環(huán)境因素，推薦表3中配合比為施工配合比。

3.2 施工工藝

現(xiàn)場攪拌用自密實(shí)配合比采用經(jīng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證推薦的首選配合比，主要原材料水泥、石粉、硅灰、機(jī)制砂、石、水和外加劑等。拌制的自密實(shí)混凝土狀態(tài)良好，坍落度可達(dá)240 mm，擴(kuò)展度可達(dá)650 mm，在整個泵送過程中，制備的自密實(shí)混凝土未出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，整個施工過程較為順暢。

3.3 評價

通過室內(nèi)預(yù)留試塊進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同時通過回彈儀測試二次襯砌澆筑養(yǎng)護(hù)28 d后的回彈值推測出構(gòu)件強(qiáng)度，通過兩者對比進(jìn)行綜合判定，試驗(yàn)結(jié)果如表4。

由表4可知，配合比調(diào)整后的混凝土強(qiáng)度與原配合比基本相當(dāng)，且完全滿足C35的強(qiáng)度設(shè)計要求，說明混凝土在現(xiàn)場施工效果較好。

對比調(diào)整前后混凝土配合比澆筑的隧道二襯外觀質(zhì)量，調(diào)整后的隧道二襯混凝土外觀質(zhì)量良好，表面光滑平整，且無明顯色差、蜂窩麻面和錯臺等現(xiàn)象，說明調(diào)整后的自密實(shí)混凝土具有良好施工性能。

4 結(jié)語

本文將石灰石粉用于隧道二砌自密實(shí)混凝土的配制，通過研究膠材用量、砂率、水膠比等變量對自密實(shí)混凝土性能的影響，結(jié)合膠凝材料體系優(yōu)化試驗(yàn)，確定最佳混凝土配合比，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，得到了以下結(jié)論：

（1）膠材用量、水膠比、砂率等對混凝土性能影響較大，當(dāng)膠材用量為420 kg/m3，水膠比為0.4，砂率為0.44時，自密實(shí)混凝土綜合性能較優(yōu)。

（2）與其他膠凝材料體系相比，水泥+石粉+硅灰的膠凝材料體系體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，當(dāng)石粉摻量為20%，硅灰摻量為5%時，可明顯提高混凝土的工作性能，體現(xiàn)出更好的經(jīng)濟(jì)性和力學(xué)性能。

（3）工程應(yīng)用表明，采用復(fù)摻石灰石和硅灰的自密實(shí)混凝土工作性能優(yōu)異，隧道二襯外觀質(zhì)量良好，混凝土力學(xué)性能滿足施工設(shè)計要求。

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