摘 要:介紹高流態(tài)抗?jié)B混凝土的流化機(jī)理,從不同角度論述混凝土拌和物的組成對(duì)流變參數(shù)及硬化混凝土性能的影響,通過高流態(tài)抗?jié)B混凝土在隧道襯砌工程中的應(yīng)用實(shí)例,證明高流態(tài)抗?jié)B混凝土完全可以應(yīng)用于隧道襯砌工程中,并能取得較好的質(zhì)量效果和經(jīng)濟(jì)效果。
關(guān)鍵詞:客運(yùn)專線; 隧道襯砌; 高流態(tài)抗?jié)B混凝土; 材料性能
中圖分類號(hào):U238; U455191 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào): 1004 - 2954 (2007) 04 - 0053 - 03
隨著各種隧道工程的不斷增加,地下工程中襯砌混凝土的使用量也越來(lái)越大,其作為施工過程中支護(hù)體系的最重要組成部分,直接影響到工程的安全、質(zhì)量和進(jìn)度。地下工程施工環(huán)境特殊,模板與巖石之間的空隙狹窄,對(duì)有較高防護(hù)要求的襯砌混凝土,其作業(yè)條件又差,混凝土材料離析、充填不足的情況時(shí)有發(fā)生,從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不足、開裂滲水,材料浪費(fèi)、工時(shí)較長(zhǎng)等問題出現(xiàn)。尤其是外觀質(zhì)量,由于振搗不密實(shí),在起拱線以下的邊墻上會(huì)出現(xiàn)較多的麻面、水泡、氣泡等缺陷,嚴(yán)重影響了混凝土的美觀及耐久性。經(jīng)檢索相關(guān)資料,認(rèn)為高流態(tài)混凝土不失為一條較好的解決隧道襯砌混凝土質(zhì)量問題的新途徑。
高流態(tài)抗?jié)B混凝土是指具有高流動(dòng)度及高穩(wěn)定性的混凝土。在預(yù)拌坍落度為80～120 mm的流動(dòng)性混凝土拌和物中加入超塑化劑,經(jīng)過攪拌,混凝土拌和物的流動(dòng)性頓時(shí)增大,坍落度變?yōu)?80～220 mm,它能像水一樣依靠混凝土的自重流動(dòng),在輕微振搗的條件下即可對(duì)空間狹窄、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。由于隧道襯砌混凝土既是承受圍巖壓力結(jié)構(gòu),也是防水的最后一道防線,因此要求隧道二次襯砌混凝土強(qiáng)度不僅要有足夠的強(qiáng)度,還要具有一定的抗?jié)B性能。眾所周知,混凝土拌和物的流動(dòng)性主要取決于用水量。一般來(lái)講,在原材料相同、混凝土各組成用量變化不大、成型方法能保證混合料充分密實(shí)的情況下,混凝土的強(qiáng)度隨著水灰比的增大而減小,其抗?jié)B性也隨著混凝土密實(shí)度的減小而降低;而混凝土的流動(dòng)性是隨著用水量的增大而增大的,這就是常說(shuō)的強(qiáng)度及耐久性與流動(dòng)性之間的矛盾,并且這種矛盾是不可調(diào)和的。要配制出既有較好的工作性、又有較好的耐久性(主要是電通量及抗?jié)B性)的混凝土,僅僅采取矛盾平衡的方法是不夠的,還需要通過采取摻流化劑、礦物摻合料的雙摻措施,提高新拌混凝土的和易性以及混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性能。
1 高流態(tài)抗?jié)B混凝土的流化機(jī)理
高流態(tài)抗?jié)B混凝土配比設(shè)計(jì)中的主要問題是新拌混凝土在低水灰比、高膠凝材料含量的情況下如何使其具有較高的流動(dòng)性和抗離析性,應(yīng)用化學(xué)外加劑和礦物摻合料是解決這個(gè)問題的技術(shù)關(guān)鍵。按照最新的流變學(xué)理論,新拌混凝土屬賓漢姆流體,其流變方程為
式中 τ———剪切應(yīng)力;
τ0———屈服前剪切應(yīng)力;
η———塑性黏度;
dr/ dt———剪切速率。
τ0是阻止塑性變形的最大應(yīng)力,在外力作用下混凝土拌和物內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力τ≥τ0 時(shí), 混凝土產(chǎn)生流動(dòng);η是混凝土拌和物內(nèi)部阻止其流動(dòng)的一種性能,η越小,在相同外力作用下流動(dòng)速度越快。由此可見,τ0和η是可反映混凝土拌和物工作性的兩個(gè)主要流變參數(shù)。當(dāng)τ0 和η過小時(shí),混凝土抵抗粗骨料與水泥砂漿相對(duì)移動(dòng)的能力弱, 則容易產(chǎn)生離析。制備高流態(tài)混凝土的原理是通過外加劑、膠凝材料和粗細(xì)骨料的選擇搭配及精心的配合比設(shè)計(jì),使τ0 減小到適宜的范圍,同時(shí)又具有足夠的塑性粘度(η) ,并使骨料懸浮于水泥漿中,不出現(xiàn)離析和泌水問題,能自由流淌充分填充模板,使其形成密實(shí)且均勻的結(jié)構(gòu),達(dá)到力學(xué)與耐久性要求。
當(dāng)摻入高效減水劑后, 減水劑在水泥粒子界面的吸附和形成的雙電層,使水泥粒子間產(chǎn)生靜電斥力作用,拆散其絮凝結(jié)構(gòu), 釋放其約束的自由水, 水泥粒子間相互滑動(dòng)的能力增大, 使混凝土開始流動(dòng)的屈服剪應(yīng)力τ0 降低,獲得高流動(dòng)度, 同時(shí)能有效地控制混凝土用水量, 保證適宜的η值。因此, 混凝土的高性能與高效減水劑的作用是密不可分的。
在摻入礦物摻合料后, 由于礦物摻合料具有比水泥還要大的比表面積,其需水量增大,但在礦物摻合料和高效減水劑雙摻情況下, 能充分發(fā)揮礦物摻合料的微填充效應(yīng),改善新拌混凝土的顆粒級(jí)配, 從而使τ0減小,而礦物摻合料的滾珠效應(yīng),能進(jìn)一步增大這種趨勢(shì),使混凝土具有較好的和易性。
2 高流態(tài)抗?jié)B混凝土的原材料
高流態(tài)抗?jié)B混凝土所用的原材料與普通混凝土并沒有本質(zhì)上的不同,但為了使其既具有較高的流動(dòng)性和抗離析性,硬化后又具有較高的強(qiáng)度和較好的抗?jié)B性能,就需要摻加具有引氣、保坍、緩凝、抗裂作用的復(fù)合高效減水劑。
2.1 水泥
水泥作為膠結(jié)材料,由于其化學(xué)和礦物成分不同,對(duì)于硬化前的可施工性能和硬化后的物理力學(xué)性能及耐久性有重要影響,所以,水泥質(zhì)量的好壞是決定混凝土能否達(dá)到高性能的關(guān)鍵。一般認(rèn)為C3A含量越高,混凝土的收縮越大,其抗?jié)B抗裂性能也越差。在高流態(tài)抗?jié)B混凝土的配置中,水泥熟料中C3A 含量≤8%(氯鹽環(huán)境下≤10% ) , 水泥氯離子含量不宜大于0.10% (鋼筋混凝土) ;氯離子含量不宜大于0.06%。各種水泥的流態(tài)效果、流化后的坍落度等的經(jīng)時(shí)變化基本相同,一般選用滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的普通硅酸鹽水泥即可,按照混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度及和易性要求,膠凝材料一般控制在300～500 kg/m3 范圍。
2.2 流化劑
流化劑即高效減水劑,是配置高流態(tài)混凝土必不可少的組分之一,其減水的機(jī)理在前面已有討論,在此不再贅述。目前我國(guó)生產(chǎn)的主要有萘硫酸鹽甲醛縮合物、多環(huán)芳涇硫酸鹽甲醛縮合物和三聚氰胺硫酸鹽縮合物等,這些流化劑均對(duì)水泥有超強(qiáng)分散作用,減水率高達(dá)20%以上。我單位施工的石太客運(yùn)專線太行山隧道進(jìn)口段采用的是石家莊鐵園科技TY - 6A高效減水劑和北京成城CC - 2高效復(fù)合減水劑,其技術(shù)指標(biāo)見表1。
2.3 水及水膠比
高流態(tài)抗?jié)B混凝土用水的水質(zhì)要求與普通混凝土相同,在混凝土拌和物中,水泥要達(dá)到完全水化所需要的用水量?jī)H為水泥的25%左右。
在混凝土凝結(jié)硬化后,多余的水分在水泥石和集料的界面區(qū)域,高流態(tài)抗?jié)B混凝土在隧道襯砌工程中的應(yīng)用形成大量各種孔徑的孔隙,以及因混合料泌水和混凝土收縮所引起的微管和微縫,這些缺陷是導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性能降低的根本原因。減少和消除這些缺陷,就需要通過摻加流化劑,在保證施工性能所要求的坍落度的基礎(chǔ)上,降低水灰比。
2．4 骨料
粗細(xì)骨料在混凝土中起著骨架的作用,它可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和耐久性,對(duì)新拌混凝土的流變參數(shù)也有很大影響。
(1)細(xì)骨料
高流態(tài)抗?jié)B混凝土的細(xì)骨料應(yīng)選用潔凈的砂子,最好選用圓形顆粒的天然河砂,砂率對(duì)新拌混凝土的流變特性有很大影響(圖1) ,砂率過大或過小都將引起塑性黏度(η)的增大, 但對(duì)屈服剪切應(yīng)力(τ0 )的影響較小。當(dāng)砂率過大時(shí),骨料的比表面積和空隙率大,相對(duì)減弱了起潤(rùn)滑骨料作用的水泥漿的厚度,從而使流動(dòng)度減小;當(dāng)砂率過小時(shí),混凝土拌和物中砂漿數(shù)量不足,也造成流動(dòng)性變差,特別是黏聚性和保水性很差。合理的砂率應(yīng)是細(xì)骨料體積填滿粗骨料的空隙后略有富余,此時(shí)可獲得最大的流動(dòng)性、良好的黏聚性和保水性,高流態(tài)混凝土的砂率一般選用38%～45%。
(2)粗骨料
粗骨料的最大粒徑和粒形對(duì)新拌混凝土的流變參數(shù)都有很大影響。從圖2中可以看出,隨著骨料粒徑的增大,新拌混凝土的塑性黏度和屈服應(yīng)力都有所降低。為了滿足高流態(tài)混凝土流動(dòng)性好、不離析的要求,最好選擇二級(jí)級(jí)配,其松散堆積密度大于1 500 kg/m3、緊密空隙率小于40%、壓碎值小于10%、5～25 mm的連續(xù)級(jí)配的骨料;同時(shí),由于針片狀粗骨料的比表面積大,含量多時(shí)會(huì)增大粗骨料的孔隙率,從而降低混凝土拌和物的流動(dòng)性, 所以針片狀骨料含量一般不超過10%。
2.5 礦物摻合料
礦物摻合料主要活性成分為活性SiO2 ,由于其顆粒極細(xì),且具有火山灰活性效應(yīng),故能顯著改善混凝土拌和物的顆粒級(jí)配,增強(qiáng)硬化混凝土后期強(qiáng)度,提高抗?jié)B性能,是高流態(tài)抗?jié)B混凝土的必要組分。常用的礦物摻合料有粉煤灰、硅灰、超細(xì)礦渣等。其中硅灰的火山灰活性效應(yīng)最強(qiáng),其活性比水泥高1～3倍,在混凝土中兼起活性粘結(jié)料和填料兩種作用,有利于提高硬化混凝土的早期強(qiáng)度和抗?jié)B性能。但由于硅灰的細(xì)度大,吸水率高,如果不同時(shí)摻加超塑化劑,將會(huì)降低混凝土拌和物的流變特性。
硅灰的適宜摻量一般為水泥的5% ～10%。粉煤灰含有大量的玻璃狀結(jié)晶礦物,絕大部分的粉煤灰顆粒呈表面光滑的實(shí)心球形玻璃體,其大小分布從直徑小于1μm到10μm,因而能顯著減少混凝土拌和物的用水量,減少泌水和離析現(xiàn)象。試驗(yàn)表明,用粉煤灰替代30%的水泥,能使用水量減少7%。粉煤灰還具有很好的后期強(qiáng)度,試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,摻加粉煤灰的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為同配比基準(zhǔn)混凝土的91.2% , 365 d的強(qiáng)度為1.4% ,其后期增強(qiáng)效應(yīng)是顯而易見的。超細(xì)礦渣是近年研究較多的又一種礦物摻合料,當(dāng)其比表面積磨細(xì)到400～500 m2 /kg時(shí),降低水化熱,減少高效減水劑的用量,減少坍落度損失,增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度,提高抗?jié)B性能。
3 高流態(tài)抗?jié)B混凝土的性能
3.1 流動(dòng)性能和工作度
混凝土混合料是由粒徑相差很大的各種固體粒子和液相構(gòu)成的極為復(fù)雜的體系,傳統(tǒng)用坍落度筒測(cè)定坍落度的方法很難準(zhǔn)確表征混凝土的流動(dòng)性能。有關(guān)學(xué)者認(rèn)為,高流態(tài)混凝土的流動(dòng)性能可以用坍?dāng)U度來(lái)表示,也就是在測(cè)定混凝土拌和物坍落度的基礎(chǔ)上,還要測(cè)其擴(kuò)散度,幾種不同配合比的高流態(tài)混凝土列于表2中。從中可以看出,配比1和配比3的坍落度相差很少,但配比1的坍落擴(kuò)散度要大的多,說(shuō)明配比1的流動(dòng)性要優(yōu)于配比3。施工實(shí)踐表明,高流態(tài)抗?jié)B混凝土的坍落度一般應(yīng)控制在18～22 cm。
注: Ⅰ—奈硫酸鹽型高效減水劑; Ⅱ—木質(zhì)素硫酸鹽復(fù)合高效減水劑
3.2 坍落度損失
坍落度損失是高流態(tài)混凝土應(yīng)用中值得注意的一個(gè)問題。摻入奈硫酸鹽型或木質(zhì)素硫酸鹽復(fù)合型的高流態(tài)混凝土,在拌好后60 min,坍落度將降至與原來(lái)基體混凝土相同,其機(jī)理為拌和物中的水泥粒子由于超塑化劑的作用,相互排斥,釋放出水泥漿中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的束縛水,但由于物理和化學(xué)性分散,水泥微粒增多,為降低微粒之間的吸附、靠近,使水泥粒子再次凝聚,使坍落度降低。
在高流態(tài)混凝土中,可以通過超塑化劑與緩凝劑并用及流化劑反復(fù)添加的方法來(lái)減少坍落度損失。試驗(yàn)表明,通過反復(fù)添加減水劑,可維持坍落度2 h以上,并且沒有發(fā)現(xiàn)對(duì)混凝土強(qiáng)度的不良影響。
3.3 抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能
高流態(tài)抗?jié)B混凝土中摻入粉煤灰、硅灰、超細(xì)礦渣等活性礦物摻合料,可顯著改善混凝土的顆粒級(jí)配,使其硬化后具有較高的密實(shí)度,同時(shí)還可以改善水泥石的相組成,形成強(qiáng)度較高的低堿性水化硅酸鈣,改善膠凝物質(zhì)的質(zhì)量,并使其數(shù)量增加。這樣,會(huì)使混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)度大幅度提高,其抗?jié)B性能也隨之提高。
在高流態(tài)混凝土中摻入膨脹劑,補(bǔ)償了混凝土的硬化收縮,改善了孔結(jié)構(gòu),使其具有更好的力學(xué)強(qiáng)度和抗?jié)B性能。不同強(qiáng)度等級(jí)的高流態(tài)抗?jié)B混凝土與普通混凝土的配合比見表3。
4 高流態(tài)混凝土抗?jié)B混凝土在南梁隧道襯砌中的應(yīng)用
高流態(tài)抗?jié)B混凝土具有優(yōu)異的施工性能和抗?jié)B性能,適用于在高速鐵路隧道襯砌中應(yīng)用。石太客運(yùn)專線鐵路二次襯砌混凝土設(shè)計(jì)總量為15 000 m3 ,設(shè)計(jì)襯砌斷面為圓拱形,襯砌厚度為30～40 cm,澆筑最大高度為10.5 m ,施工時(shí)工作面小、振搗困難。此隧道二次襯砌采用了高流態(tài)混凝土,降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,大大縮短了混凝土建筑時(shí)間,避免了由于振搗不足而引起的混凝土質(zhì)量事故,因摻入了價(jià)格低廉的粉煤灰,降低了水泥用量,取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn):
[1 ] 鐵建設(shè)[2005 ]160號(hào),客運(yùn)專線鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)[S].
[2 ] TZ214—2005,客運(yùn)專線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].
[3 ] TZ210—2005,鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南[S].
[4 ] 劉 川. 高性能防水防蝕混凝土在烏鞘嶺隧道的應(yīng)用[J ]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2005 (9).
