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地铁盾构管片混凝土配合比的设计与应用
［摘要］通过对原材料的合理选择，进行大量试验对配合比的确定，该配合比的特点是高强度，低水胶比，低砂率，良好的工作性能，较短的管片生产周期，提高了生产速度和管片性能，为沈阳地铁的建设提供了优质的管片。
［关键词］地铁管片；混凝土配合比；蒸养混凝土
1 工程概述
由沈阳张士开发区到黎明文化宫的地铁一号线是沈阳乃至东北启动建设的第一条地下铁道工程。这条规划中的东西交通地下大动脉，位于城区东西方向的主轴线上，横跨市内五区，连接沈阳经济开发区、铁西工业区和沈阳站、太原街商业区、中街商业区等客流集散地区，具有重要的战略地位。地铁一号线全线拟设18座地下车站，西起沈阳经济技术开发区的昆明湖街与沧海路交叉口的张士站，经黄海路、南十路、中华路、十一纬路、中街、小东路、珠林路、和睦路至终点黎明文化宫站。线路全长22.156 km，途经站点分别为张士站、沈新路站、黄海路站、洪湖北街站、重工街站、卫工街站、保工街站、铁西广场站、云峰北街站、沈阳站站、南京街站、南市站、青年大街站、怀远门站、中街站、津桥路站、滂江街站和黎明文化宫站，平均站距1 310m。设车辆段和控制中心各一处，主变电所2座，设置4条折返线。计划建设工期为54个月，工程总投资94.8亿元，平均每公里造价4.3亿元。
2 管片简介与技术要求
每环管片外径6 m，内径5.4 m，由6片衬砌（3A+2B+C）组成，每环由3块标准块（A型），2块邻接块（B1、B2型）和1块封顶块（C型）组成。每环宽度1 200 mm。管片混凝土设计强度等级为C50，抗渗等级为P10。
3 原材料的选择
3.1 水泥
由于管片的生产采用生产线蒸养的方式，为了缩短预养和蒸养的时间，水泥宜采用早期强度较高的水泥，要求水泥中的硅酸三钙含量较高，这样有利于混凝土中早期结构的形成。
在为我集团供应水泥的多个厂家的P.O42.5或P.O42.5R中，我们从水泥的3 d和28 d的抗压强度平均值、凝结时间、富余系数、方差等指标比较筛选后，我们选用了平均值和富余系数较大、方差较小、3 d强度较高的铁岭铁新P.O42.5水泥，该水泥的具体技术指标为初凝时间105 min，终凝时间为165 min，3 d平均强度为25.1 MPa，28 d平均强度为49.6 MPa。
3.2 掺合料
我公司采用的掺合料是粉煤灰，为提高混凝土的和易性，降低水灰比，增加后期强度，对粉煤灰的具体要求是细度小于12%，需水量比不大于95%，烧失量小于5%，强度活性指数大于70%的Ⅰ级粉煤灰。
3.3 外加剂
由于管片在生产过程中要减少抹面时间和预养时间，缩短蒸养时间，加快生产速度，这就要求外加剂具有早强和早凝的性能，尤其是外加剂中不要有引气和缓凝的成分，这是因为管片生产采用蒸养技术，如果发生缓凝现象，管片表面就会有起鼓、酥松和气泡的现象发生，严重影响管片的质量和外观。另外外加剂还要有较高的减水率和对水泥和掺合料有良好的适应性，从以上几方面考虑，我们从多个厂家的多种外加剂中进行了大量的试验，这些外加剂包括聚羧酸系、萘系、密胺系等，最后我们选择了大连西卡外加剂厂生产的聚羧酸系高浓高效减水剂。该减水剂具有低掺量（掺量为0.6%），高的减水率，良好的早强性能，对水泥和粉煤灰有良好的适应性，在生产过程中大大提高了管片质量和生产速度。
3.4 砂石
由于管片混凝土属于高强混凝土，所以对砂石的要求有严格的限制，对于砂分别在细度模数、级配、含泥量、泥块含量上要严格限制，对于石分别在级配、含泥量、泥块含量、针片状含量、压碎指标要严格限制，砂试验具体参数如下，含泥量1.6%，小于规定值的3.0。泥块含量0.4，小于规定值的1.0。石试验具体参数如下，含泥量0.4，小于规定值的1.0。泥块含量0.2，小于规定值的0.5，针片状含量5.5，小于规定值的15%，压碎指标值8.4，小于规定值的10。以上数据都能满足高强混凝土的要求。
另外，由于混凝土在浇筑过程中要求的坍落度很小，一般控制在70 mm以下，而管片中又有很密的钢筋，这就要求混凝土在受到振动后要有很好的流动性，才能使混凝土迅速的填满整个模具，并且无蜂窝、无漏振，那么砂石的级配在此时就非常重要，在试验过程中我们选用了细度模数较小的Ⅱ区中砂，实测细度模数为2.3，并且要求0.315 mm以下含量在25%~30%之间，这样能够保证混凝土在受振时有很好的流动性。对于石我们选用了5~25 mm的连续级配的碎石，并且要求粒径16 mm以下颗粒达到总质量的60%以上，这样和细度模数较小的中砂搭配，能够实现骨料级配的整体连续性，保证混凝土在很小的坍落度的情况下受振后有很好的流动性。
3.5 水
饮用水。
4 混凝土配合比的确定
4.1 胶凝材料总量及粉煤灰的掺量
在试验中我们首先把胶凝材料总量定在450 kg/m3，粉煤灰的掺量分别定为30、50、70、80 kg/m3进行了试验，其28d强度均能达到设计强度的125%以上，区别是当粉煤灰掺量较大是会加长混凝土的初凝时间，影响混凝土管片的预养和蒸养时间，那么我们根据管片生产线的生产速度选择了水泥400 kg/m3，粉煤灰50 kg/m3的比例进行生产，而沈阳地处北方，冬季温度低，生产车间也会受到气温的影响，这时我们也选用了水泥420 kg/m3，粉煤灰30 kg/m3的比例，以减少混凝土的初凝时间，加快生产速度。
4.2 水灰比的确定
如果混凝土中水灰比过大，那么混凝土在凝结过程中由于水分的损失而造成的体积收缩就越大，还有多余的拌合用水就会滞留在管片与模具侧面之间，那么管片在蒸养的过程就会在管片侧面留下气孔，影响管片的外观，同时过大的水灰比还会延长管片的收面抹面时间和预养时间，降低生产速度。大的水灰比也会降低混凝土的强度，增加胶凝材料的用量，增加了生产成本。在试验中我们最后确定了0.33的水灰比。
4.3 砂率
砂率的选择不易过大，过大的砂率虽然会增加混凝土的流动性，但会降低混凝土的强度，容易在管片浇筑面形成很厚的砂浆层，降低混凝土表面抗拉强度，从而产生收缩裂缝，在试验和生产中由于选用了细度模数较小的中砂和粒径较小的碎石，这就要求砂率的选择一定不要过大，在试验中分别对35、32、29的砂率进行的试验，发现砂率在29时仍能保证混凝土有很好的流动性，在受振后能很快的填满整个模具，并且无蜂窝和漏振，因为石子含量大，浇筑后分布均匀，在浇筑后形成的砂浆层很小，有大量石子分布在浇筑面，大大增加了混凝土表面的抗拉强度，降低了产生收缩裂缝的可能性。
4.4 坍落度的控制
混凝土的坍落度不宜过大，坍落度过大虽然易于混凝土的浇注，但会使混凝土浇筑面的灰浆层增厚，容易使混凝土产生大的收缩沉降，在收缩的过程中受到钢筋的约束而使上弧面产生裂缝，同时也因为早期抗拉强度低而产生收缩裂缝和温度裂缝。坍落度也不宜过小，坍落度过小不宜混凝土的振捣和浇注，容易在管片内部产生孔洞，造成不可见的缺陷，在管片表面形成蜂窝和麻面，影响管片的质量和外观。在实际生产中，把坍落度控制在5～10 cm是比较合适的。
4.5 配合比的确定
最终确定的配合比是水泥400、粉煤灰50、砂537、石1 315、水148、外加剂2.7 kg/m3。
试验强度为7 d 46.5 MPa，14 d 58.3 MPa，28 d 67.9MPa。分别占设计强度的93%，117%，136%。其强度值、胶凝材料用量、水灰比基本上符合鲍米罗公式的计算。
5 配合比的应用和管片的性能
在工作性方面，实际生产中的混凝土保水性、粘聚性、流动性均良好，易于浇注，表面无泌水，混凝土组成成分均匀分布，管片成型后表面气泡少，无蜂窝麻面，无大的孔洞，色泽亮白。
在强度方面，管片在5 h的蒸养后，经回弹测得管片出窑强度均能达到20 MPa以上，完全满足起片，吊装，转运的要求，24 h强度达到40 MPa以上，14 d强度均能达到设计强度的110%以上，28 d强度均能达到设计强度的130%以上。
在抗渗方面，根据要求每100环进行一次检漏试验，其渗水高度均小于4 cm，均未超过管片厚度的1/5，满足《地下防水工程质量验收规范GB50208-2002》的要求。
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