高性能地铁混凝土管片的配合比设计及性能研究.pdf

2 0 1 3年第 1 期 1 月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CO NCRE T E AND C EMEN T P RODUC 2 01 3 No 1 J a n u a r y 高性能地铁混凝土管片的配合比设计 及性能研究 喻振 贤 ， 李 汇 ， 管 品武 ， 郑娟荣 ， 扬小龙 ( 1 中国十五冶建设集团有限公 司， 武汉 ， 4 3 0 0 7 5 ； 2 郑州大学土木工程学 院， 4 5 0 0 0 2 ) 摘要 ： 基于骨料 最紧密堆积理论 ， 提 出了高性 能地铁 混凝土管片的配合 比设计原 则及计 算步骤 ， 通过试验 确定 了配合 比计算 中的相关参数 。 研究结果表明 ： 与具有相 同原材料的地铁管片混凝土相比 ， 高性能地铁管片混凝土具有 浆体体积 用量 更小， 2 8 d抗折强度 、 劈裂抗拉 强度和 弹性模量更 高( 即抗裂性好 ) 、 耐 久性好 、 性价比高等性 能。 关键词 ： 高性 能地铁混凝 土管片； 配合比设 计 ； 相 关参数 ； 浆体体积 ； 性能 Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e t h e o r y o f t h e mo s t c o mp a c t o f a g g r e g a t e s ，t h e p r i n c i p l e a n d c a l c u l a t i n g s t e p s o f mi x p r o p o r t i o n d e s i g n o f h i g h- p e r f o r ma n c e e o n e r e t e f o r s u b w a y t u n n e l s e g me n t s a r e p u t f o r wa r d ，a n d t h e c o r r e l a t e d p 啪 me t e r s i n c a l c u l a t i n g s t e p s o f mi x p r o p o r t i o n d e s i g n a r e a l s o d e t e r mi n e d b y e x p e r i me n t T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t the p a s t e v o l u me i s s ma l l e r ，a n d t h e b e n d i n g s t r e n g t h ，s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h a n d e l a s t i c i t y mo d u l u s o f c o n c r e t e e u r e d 2 8 d a y s a r e h i g h e r for t h e c o n c r e t e for h i g h- p e rfo r ma n c e s u b wa y t u n n e l s e g me n t s c o mp a r e d wi t h t h e c o n c r e t e p rod u c e d b y t h e e nt e r p ris e wi t h t he s a me r a w ma t e ria l s Ke y wo r d s ： Hi g h p e rfo rm a n c e s u b w a y c o n c r e t e t u n n e l s e g me n t s ； Mi x p r o p o r t i o n d e s i g n ；C o rre l a t e d p a r a me t e r s ；P a s t e v o l u me ； P r o p e rti e s 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 1 3 2 0 4 0前 言 目前全 国在建 的地铁隧道 大部分都采 用盾构 法施工 。在地铁盾构隧道施工 中， 管片作为结构衬 砌主体 ， 对整个地铁隧道的质量 和使用寿命起着关 键作用 【 ” 。地铁盾构混凝土预制管片一般使用 C 5 0 高强度混凝土 ， 管片在钢模 里预制 ， 其 昆凝土拌合 物性质及养护制度为 ： 混凝土拌合物坍落度控制在 ( 4 0 _ 2 0 ) m m范围内 ， 浇捣结束 后进行静置 、 蒸汽养 护 ，混凝土强度达到 2 O MP a之后从模具 中吊出 ， 放 置在车间降温 4 h后 吊入水池浸泡养护 7 d ，再淋水 养护 1 4 d ， 然后进入存放区保湿2 - 3 。 高性 能地铁 混凝土管片要 求混凝 土拌合物具 有施工( 或成型 ) 需要的和易性 、 满足硬化后 的强度 等级指标 ， 同时具有优 良的耐久性和经济性 4 1 。目前 地铁盾构混凝土预制管片在生产过程直接 控制的 指标是混凝土拌合物和易性 ( 即坍落度 ) 和抗压强 度 ， 其耐久性 和经济性还没有控制指标 ， 本文通过 优化混凝土配合 比来 提高地 铁盾构混凝土 预制 管 片的耐久性和经济性。提 出了高性能地铁盾构混凝 土预制管片配合 比的设计原则 ( 或方法 ) ， 并结合郑 州某管片厂的原材料性质和配合 比进行分析。 一 3 2 1 原材 料和试 验 方法 1 1 原 材料 ( 1 ) 粗骨料 ： 5 - 2 5 m m 的石灰石连续 骨料 ， 表观 密度 2 7 6 0 k g m ，松散堆积密度 1 5 5 0 k m ，含泥量 0 5 。 ( 2 ) 细骨料 ： 河砂 ， 颗粒级 配在 级级配 区 ， 细 度模数 2 6 ，属中砂 ，表观密度 2 6 4 0 k m ，含泥量 1 5 。 ( 3 ) 水 泥 ： P 0 4 2 5级 ， 密度 为 3 1 g c m 。 ( 4 ) 粉煤灰 ： 级灰 ， 表观密度为 2 3 g m 。 ( 5 ) 矿渣 粉 ： $ 9 5级 ， 表 观密 度为 2 8 g m。 。 ( 6 ) 外加剂 ： 聚羧酸型高效减水剂 ， 水剂 ， 固含 量 2 O ， 建议掺量为 1 0 1 5 。 1 2 试验方法 ( 1 ) 粗骨料性能测试按 G B 厂 r 1 4 6 8 5 2 0 1 1 建设 用卵石、 碎石 进行。 ( 2 ) 细骨料性能测试按 G B 厂 r 1 4 6 8 6 -2 0 1 l 建设 用砂 进行。 ( 3 ) 胶凝材料的密度测试按 G B T 2 0 8 9 4 水泥 密度测定方法 进行 。 ( 4 ) 混凝土拌合物和硬化混凝土力学性能的测 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 喻振贤 ， 李汇 ， 管品武 ， 等 高性能地铁混凝土管片的配合 比设计及性能研究 试按 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 普通混凝土拌合物性能试 验方法标准 、 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学 性能试验方法标准 进行。 2 高性能地铁混凝土管片配合 比设计原则及计算 步骤 2 1 配合 比设计原则 目前 ，地铁管片表面龟裂是 最常见的质量 问 题 ， 给制 品耐久性带来 隐患 ， 合理 的混凝 土配合 比 和水泥用量是解决这一问题的有效途径翻 。大量研 究表 明 ， 粗细骨料堆积越密实 ( 即空 隙率越低 ) ， 胶 凝材料浆体用量越小 ， 混凝土体积越稳定。由于地 铁管片生产是振动成型 ， 当混凝土 中胶凝材料浆体 较少时 ， 管片表层浆体厚度减薄 ， 会减少干缩裂缝 。 所以 ， 高性能地铁混凝土管片配合 比设计原则是根 据混凝土原材料性质及和易性指标要求 ， 首先确定 粗细骨料 的最大体积用量 ；然后根据绝对体积法 ， 确定胶凝材料浆体体积 ， 并根据胶凝材料中水泥和 掺合料 的比例及强度等级要求的水胶 比， 计算各胶 凝材料用量和用水量 ； 最后 ， 通过试 验确定外 加剂 用量 。 2 2 配合比计算步骤 ( 1 ) 粗骨料用量的确定。 首先假定 l m 混凝土中 粗骨料堆积体积的数量 ， 然后根据粗骨料 的松散堆 积密度和表观密度计算出 l m 混凝土中粗骨料 的密 实体积和用量 。 ( 2 ) 细骨料用量 的确定。 计算 出 l m 混凝土 中剩 余 的砂 浆体积 ，先假定细骨料在砂浆 中的体积含 量 ， 再根据细骨料 的表观密度可以算 出细骨料 的用 量 。 ( 3 ) 胶凝材料浆体用量 ( V ) 的确定。胶凝材料 浆体用量等于 l m 减去粗 、 细骨料实体积 ， 由于水泥 水化后产物 总体积 略小 于水泥水 化前反应物总体 积 ， 所 以增加 的空气体积可忽 略( 对于引气型减水 剂 ， 空气体积按引气量计 ) 。 ( 4 ) 计算胶凝材料浆体 中各组分用量 。设 1份 胶凝材料 中掺人粉煤灰量为 F份 ， 表观密度为 ， 掺 磨细矿渣粉粉量为 S份 ， 表观密度为 y 5 ， 水胶 比 W B， 水泥用量为 C份 ， 表观密度为 ， 水为 W 份 ， f + S + C = I ， 则 1 份胶凝材料 的体积为： V8 = | f +S | s ( | c | B 则每 1 L浆体 中胶凝材料用量 K ( k g L ) 为 ： K = I ( F y s + S + C c + W B ) l m。 混凝土 中胶凝材料总量 ( k g ) ： B = V P x K 水泥 ( k g ) = B C 粉煤灰 ( k g ) =B x F 磨细矿渣粉 ( k g ) =B x S 水= B x ( W B ) ( 5 ) 外加剂用量 。根据试验确定。 3 高性能地铁混凝土管片配合比设计中相关参数 的试验 确定 3 1 高性能地铁混凝 土管 片配合 比设计 中粗骨料 堆积体积的试验确定 高性能地铁混凝土管片的强度等级为 C 5 0 ， 混 凝 土拌合物 的坍落度为 ( 4 0 2 0 ) mm， 混凝土配合 比 按本文提出的方法计算 。 先假定细骨料 占砂浆体积 4 3 ；胶凝材料 由 7 0 水泥、 2 0 粉煤灰和 1 0 矿渣粉组成 ；根据 J G J 5 5 2 O l 1 普通混凝土配合 比设计规程 ， C 5 0混凝 土的水胶 比为 0 3 2 0 3 4 ， 取水胶 比 0 3 2 。采用 固定 变量法研究 ， l m 混凝土中粗 骨料堆积体积 与混凝 土拌合物 的坍落度的关系见表 1 ( 试验确定 ： 外加剂 掺量为胶凝材料用量的 1 2 5 ) 。 表 1 l m ， 混凝土 中粗骨料堆积体积与混凝土拌合物坍落度的关系 为更直观表达 ， 特绘 出 l m 混凝土 中粗骨料堆 积体积和混凝土拌合物的坍落度 曲线图 ， 见图 1 。 从 图 1的试验结果可看 出： 当混凝土配合 比中 其它参数不变时 ， 混凝土拌合物的坍落度随粗骨料 的堆积体积增大而急剧下降 ； 当细骨料 占砂浆体 积 4 3 ， l m 混凝土中粗骨料的堆积体积为 0 8 l m 时 ， 混凝土拌合物坍落度在 ( 4 0 2 0 ) m m范 围内， 满足设 计 目标值。 3 2 高性 能地铁混凝土管片配合 比设计 中细骨料 密实体积的试验确定 从理论上分析 ： l m 混凝土 中其它 配合 比参数 固定时 ， 细骨料用量 的增加 ， 混凝土拌合物坍落度 会下降。 根据图 1中试验结果 ， 取 l m 混凝土中粗骨 料堆 积体 积 为 0 8 0 m 时 ，混 凝 土拌 合 物坍 落 度 ( 9 0 m m) 大于目标设计值 ( 4 0 2 0 ) m m， 所 以通过增加 细骨料的用量降低混凝土拌合物坍落度 ； 粗骨料堆 积体积小于 0 8 0 m 时 ， 也可以增加细骨料达到 目标 设计值 ， 但考 虑混凝 土体积稳定性 ， 总骨料用量和 一 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 1 期 l m 混凝土中粗骨料 堆积体 积 m3 图 1 l m 混凝 土中粗骨料堆积体积和混凝 土拌 合物的坍落 度的曲线图 其 中粗骨料用量应尽可能多 。采用固定 变量法研 究 ，取 l m 混凝土 中粗骨料堆积体积为 0 8 0 m 时 ， l m 混凝土中细骨料 占砂浆体积的百分数与混凝土 拌合物的坍落度的关系见表 2 ( 试验确定 ： 外加剂掺 量为胶凝材料用量的 1 2 5 ) 。 为更直观表达 ，特绘出 1 m3 混凝土中细骨料占 砂浆体积 的百分数与混凝 土拌合物 的坍落度 曲线 图 ， 见 图 2 。 从 图 2可 以看 出： 当混凝土配合 比中其它参数 不变时 ， 混凝土拌合物坍落度随细骨料 占砂浆体积 百分数的增加积聚下降 ； 细骨料 占砂浆体积百分数 为 4 7 时， 混凝土拌合物坍落度满足设计 目标值。 综合图 1 和图 2的试验结果 ：当 l m 混凝土 中 表 2 l m 混凝 土中细骨料 占砂浆体积 的百分数与混凝土拌合物坍落度的关系 犍 密 42 4 4 4 6 48 5 0 5 2 l m 混凝 土中粗骨料堆积体积 m3 图 2 l m 混凝土中细骨料 占砂浆体积的百分数 与混凝 土拌 合物 的坍落度 的曲线图 粗骨料的堆积体积为 0 8 1 m ，细骨料 占砂浆体积百 分数为 4 3 ； 或者 ， l m 。 混凝土 中粗骨料 的堆积体积 为0 8 0 m ， 细骨料 占砂浆体积百分数为 4 7 时 ， 混凝 土拌合物坍落度均满足设计 目标值 。但是 ， 根据骨 料的致 密堆积理论 ， 粗骨料用量达最大值( 起 骨架 作用 ) ，在本文试验条件下 ， l m 混凝土中粗骨料的 堆积体积为 0 8 0 m。 ， 细骨料 占砂浆体积百分数 4 7 为骨料的最致密堆积。 4 高性能地铁混凝土管片配合比计算及结果分析 本文使用的原材料为郑州某地铁混凝土管片 生产中所使用的原材料。根据本文提出的配合 比设 计方法及粗细骨料用量 的最佳取值 ， 其配合比计算 如 下 ： 一 3 4一 ( 1 )目标设计值 ： 强 度等级 C 5 0 ， 坍 落度 ( 4 0 + 2 0 ) mm。 ( 2 )l m 。 混凝土 中粗骨料用量 ： 取粗骨料堆积 体 积 0 8 0 m 。 ，粗骨 料 质 量 mg = O 8 0 m x 1 5 5 0 k m = 1 2 4 0 k g ， 粗骨料 的实体 积 V = 1 2 4 0 k g 2 7 6 0( k g m ) = 0 4 4 9 m 。 ( 3 ) l m 混凝土中细骨料用量 ： 取细骨料 占砂浆 体积百分数为 4 7 ， 细骨料质量 m s = ( 1 - 0 4 4 9 ) 4 7 2 6 4 0 = 6 8 4 k g ，细骨料实体积 V s = ( 1 0 4 4 9 ) 4 7 = 0 2 5 9 m 。 ( 4 )胶凝材料浆体体积 ： V p =l - 0 4 4 9 0 2 5 9 = 0 2 9 2 m。 。 ( 5 )C 5 0混凝土水胶 比： 胶凝材料 由 7 0 水泥 、 2 0 粉煤灰和 l 0 矿渣粉组成 ；根据 J G J 5 5 2 0 l 1 普通混凝土配合 比设计规程 ，配制强度 = 5 0 + 1 6 4 5 6 = 5 9 9 MP a ；配制强度 与水 胶 比的关 系 = 0 5 3 j ( B W一 0 2 ) ， j S = ( o 8 0 8 5 ) x l x 1 1 6 4 2 5 =f 3 9 4 - 4 1 9 ) MP a 计算得 ： W B = 0 3 2 0 3 4 ， 取 W B = 0 3 2 。 ( 6 ) 胶凝材料浆体密度： b = 1 ( 0 7 3 1 + 0 2 1 2 - 3 + 0 1 2 8 + 0 3 2 ) = 1 4 9 5 ( k g L ) = 1 4 9 5 k g m 。 ( 7 ) l m。 混凝土中胶凝材料用量及用水量 ： 胶凝材料用量 B = V p x b = 0 2 9 2 1 4 9 5 = 4 3 7 ； 水泥 C = 4 3 7 7 0 = 3 0 6 k g ； 粉煤灰 F = 4 3 7 2 0 = 8 7 k g ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 喻振贤， 李汇， 管品武 ， 等 高性能地铁混凝土管片的配合 比设计及性能研究 矿渣粉 S = 4 3 7 1 O = 4 4 k g ； 水 W= W B B = 0 3 2 4 3 7 = 1 4 0 k g 。 ( 8 ) 1 m 混凝土中外加剂用量 J ： J = B x 1 2 5 = 4 3 7 1 2 5 = 5 4 6 k g ( 试验确定 ) 。 根据上述 配合 比， 经试 配 ， 混凝 土拌合物 的表 观密度实测值与计算值之差 的绝对值 与计 算值之 比 J 、 于2 ； 混凝土养护条件为标准条件。 混凝土管 片配合 比及各项性能见表 3和表 4 。 表 3 地铁 管片的混凝土配合 比及 配合 比参 数 序号 坍落度 ram 抗压强 度， MP a 2 8 d抗折强 2 8 d劈裂抗 2 8 d弹性 模 3 d 7 d 2 8 d 9 0 d 度 MP a 拉强度 MP a 量 G P a 从表 3和表 4的试验结果可以看出： 配合 比 Nl 比配合 比 N 2中水泥用量要少 ，所 以前者早期抗压 强度 ( 3 d ) 比后者略低 ， 但 7 d以后抗 压强度基本接 近 ， 2 8 d均满足 C 5 0的配制强度要求 ； 通过调节减水 剂用 量 ， 两组配合 比的坍落度均满足要求 ； 配合 比 N1的 2 8 d抗折强度 、 劈裂抗拉强度和弹性模量均 明 显高于配合比 N 2 ， 这可能是两者的浆体体积的差异 引起 的 。 根据大量的研究结果 表明 ： 混凝土 中浆体体积 减少 ， 特别是水 泥用量减少 ， 混凝土水化热将降低 ， 由温度应力引起的变形将减少 ；浆体体积减少 ， 干 湿变形将减少。所以， 混凝土配合 比 N1的耐久性将 优于配合比 N 2 ， 并前者性价 比高于后者。 用本文 的配合 比 N1在工厂进行了试生产 ( 与 配合比 N1的成型及养护方法完全相同) ， 经过几个 月的观察 ， 制品表面很少 出现龟裂裂纹 ， 按配合 比 N 2生产的管片经常出现表面龟裂的缺陷。所 以， 调 整混凝土配合 比是解决地铁混凝 土管 片表 面龟裂 裂纹的有效途径。 5结 论 ( 1 ) 高性能地铁混凝 土管片配合 比设计原则是 根据混凝土原材料性质及和易性指标要求 ， 首先确 定粗细骨料 的最大体积用量 ；然后根据绝对体 积 法 ，确定胶凝材料浆体体积并计算各组成用量 夕 卜 加剂用量通过试验确定。 ( 2 ) 在本文试验条件下 ， l m 混凝土 中粗骨料 的 堆积体积 为 0 8 0 m ，细骨料 占砂浆 体积百 分数为 4 7 ， 为骨料 的最致 密堆 积 。 ( 3 ) 与具有相同原材料工厂生产的地铁管片混 凝土相 比， 本文提 出的地铁管片混凝土具有浆体体 积用量更小 ， 2 8 d抗折强度 、 劈裂抗拉强度和弹性模 量更高 ( 即抗裂性好 ) 、 耐久性更好 、 性价 比更高等 性 能 。 参考文献 ： 1 】 蔡亚宁 盾构管片的高性能混凝士研究 J 】 建筑技术， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 3 2 - 3 4 2 】 扬雄利地铁混凝土管片养护制度 的研究 J 】 铁 道建筑， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 3 8 - 3 9 【 3 】 秦汉 礼 盾 构隧道钢筋混凝土管片制作 技术 J 混 凝土， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 增刊) ： 2 8 3 1 4 吴 中伟， 廉慧珍 高性 能混凝 土 M 北 京： 中 国铁道 出版社 ， 1 9 9 9 【 5 】 付晋策地铁管片表面龟裂产生原因分析及解决措施 J 河南建材， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 4 4 4 5 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 1 2 6 作者简介： 喻振贤 ( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 高级工程师 。 通讯地址 ：郑州市 科学大道 1 0 0号 郑州 大学土木工 程 学院 ( 郑娟荣 ) 联 系电话 ： 1 3 9 3 8 2 5 7 7 0 3 E - ma i l ： z h e n g j r 1 2 6 c o m 一 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m