客专隧道衬砌耐久性混凝土配合比设计及施工

 第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2009年11月 台北 客專隧道襯砌耐久性混凝土配合比設計及施工控制措施概述 陳智 中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 摘要 混凝土的耐久性在客專施工中的要求很高。而影響混凝土耐久性的關鍵因素在於原材料的選用、配合比的優化設計以及現場施工控制。客專隧道襯砌的耐久性混凝土生產與施工中，尤其要重視其施工過程的全程序控制，確保各項耐久性指標滿足設計要求。本文結合合武鐵路客運專線三標段的混凝土施工特點，就與之相適應的耐久性混凝土的原材料選擇與配合比設計進行系統討論。 關鍵字 客運專線、混凝土、耐久性、施工。 一、耐久性混凝土材料的選用 1.1 水泥應滿足以下要求 1.1.1水泥宜選用矽酸鹽水泥或普通矽酸鹽水泥，水泥的混合材宜為礦渣粉或粉煤灰。有耐硫酸鹽侵蝕要求的混凝土要求的混凝土也可選用中抗硫酸鹽矽酸鹽水泥或高抗硫酸鹽矽酸鹽水泥。不宜使用早強水泥。 1.1.2矽酸鹽水泥、普通矽酸鹽水泥中的C3A含量一般不宜超過8％，水泥細度≤10.0%，游離氧化鈣不超過1.0％，堿含量≤0.8%，氯離子含量不宜大於0.10%。 1.1.3為改善混凝土的抗裂性及抗堿骨料反應能力，水泥的堿含量（按Na2O當量計）不宜超過水泥0.6％，或混凝土內的總含堿量（包括所有原材料）應不超過3.5kg/m3。 1.2 骨料應滿足以下要求 1.2.1質地均勻堅固、粒形和級配良好、吸水率低（小於2%）、空隙率小（粗骨料的鬆散堆積密度一般應大於1500kg/m3，緊密空隙率宜小於40％；採用細度模數2.6~3.0的中砂，空隙率小於45%）； 1.2.2對C30以下的混凝土，碎石的壓碎指標≤20%，C30及以上強度等級的混凝土用碎石的壓碎指標≤12%（包括片麻岩、石英岩、花崗岩、正長岩、閃C21 - 1 陳 智 客專隧道襯砌耐久性混凝土配合比設計及施工控制措施概述 長岩和橄欖岩等，合武三標隧道棄碴多為片麻岩與花崗岩。），吸水率不大於2％，用於高抗凍混凝土的粗骨料吸水率不宜大於1％；針片狀顆粒不宜超過10%。 1.2.3處於凍融迴圈下的混凝土，宜進行骨料的堅固性試驗，粗、細骨料經5次硫酸鈉溶液迴圈浸泡後的重量損失率不應超過8%。 1.2.4粗、細骨料中的含泥量應分別低於1.0％和3.0％；粗、細骨料中的水溶性氯化物折合氯離子含量均不應超過骨料品質的0.02％；硫化物及硫酸鹽含量不大於0.5%。 1.2.5使用骨料前應瞭解當地供應的骨料有無潛在活性，並對其進行堿活性檢測。對於地下水發育的隧道工程，使用的骨料應通過專門的驗證。 1.3 化學外加劑應符合以下要求 1.3.1各種外加劑應有廠商提供的客運專線所特許的有關部門授權公佈的質檢部門出具的質檢合格報告，其中應有推薦摻量與相應減水率、主要成分（包括複配組分）的化學名稱、氯離子含量、堿含量以及施工中必要的注意事項（如超量或欠量使用時的有害影響、摻和方法和成功的使用證明等）等各項指標。 1.3.2當混合使用高效減水劑、引氣劑、緩凝劑、膨脹劑、阻鏽劑及其它防腐劑時，應事先專門測定它們之間的相容性； 1.3.3外加劑的氯離子含量不得大於0.2％，硫酸鈉含量不得大於10％；堿含量不得大於10.0%。 1.3.4氯化鈣不應作為混凝土的外加劑使用； 1.3.5各種阻鏽劑的長期有效性需經檢驗，一般不得使用亞鈉類阻鏽劑。 1.4 拌和用水 1.4.1拌和用水應符合現行標準的有關規定，宜優先選用飲用水，不得使用海水； 1.4.2當混凝土可能處於氯鹽腐蝕性環境時，混凝土拌和用水中得氯離子含量不宜大於200mg/L。 1.5 礦物摻和料 1.5.1礦物摻和料必須品質合格、來料均勻、來源固定，摻和料的摻量應根 C21 - 2 第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2009年11月 台北 據設計對混凝土各齡期強度、混凝土的工作性和耐久性以及施工條件和工作特點（如環境氣溫、混凝土拌和物溫度、構件尺寸等）而定； 1.5.2礦物摻和料中不應含有放射性物質、可溶性（包括可昇華而釋放的）有毒物質或對混凝土性質有害的物質，並應有相應的檢驗證明和生產廠家出具的產品檢驗合格證書； 1.5.3條件允許時，在經過試驗驗證的情況下，也可以選用兩種或兩種以上的礦物摻合料混合使用，有時會彌補單摻一種礦物摻合料帶來的問題。 二、耐久性混凝土的配合比優化原則 混凝土配合比選定的好壞，直接關係到結構物的壽命和整個工程的經濟效益。混凝土配合比的設計不僅考慮強度等級而且還要考慮耐久性能等。 2.1 矽酸鹽水泥或普通矽酸鹽水泥宜與礦物摻和料一起使用。混凝土中應摻加符合技術要求的粉煤灰、礦渣粉或矽灰等礦物摻和料。不同礦物摻和料的摻量應根據混凝土的施工環境條件特點、拌和物性能、力學性能以及耐久性要求通過試驗確定。一般情況下，礦物摻和料摻量不宜小於膠凝材料總量的20%。當混凝土中粉煤灰摻量大於30%時，混凝土的水膠比不宜大於0.45。預應力混凝土以及處於凍融環境中的混凝土的粉煤灰的摻量不宜大於30%。 硫酸鹽等化學腐蝕介質作用下的混凝土不宜單獨使用矽酸鹽水泥或普通矽酸鹽水泥作為膠凝材料，應在矽酸鹽水泥中加大礦物摻和料的摻量。對於硫酸鹽環境所需使用矽酸鹽類的抗硫酸鹽水泥，也需摻有礦物摻和料。在極其嚴重的硫酸鹽腐蝕環境下則不能使用矽酸鹽類水泥，而應代之以其他類型的水泥，如石膏礦渣水泥或礬土水泥，但是其使用條件、配合比和養護條件等必須要通過試驗驗證。氯鹽環境下的配筋混凝土應採用較大摻量礦物摻和料的低水膠比混凝土，單摻粉煤灰時的摻量不宜小於25％（如有抗凍性要求時，粉煤灰摻量不宜大於30％）；單摻磨細礦渣時的摻量不宜小於50％，且宜複合使用粉煤灰加矽灰、粉煤灰加礦渣或兩種以上的礦物摻和料。 2.2 C30及以下混凝土的膠凝材料總量不宜高於400 kg/m3，C35～C40混凝土不宜高於450 kg/m3，C50及以上混凝土不宜高於500 kg/m3。 2.3 混凝土中應摻加能提高混凝土耐久性能的外加劑，優先選用多功能複合外加劑。 2.4 嚴格控制耐久性混凝土中的最大堿含量和氯離子總含量 C21 - 3 陳 智 客專隧道襯砌耐久性混凝土配合比設計及施工控制措施概述 混凝土的最大堿含量不應大於3.5kg/m3。混凝土的總堿含量包括水泥、礦物摻和料、外加劑及水的堿含量之和。其中，礦物摻和料的堿含量以其所含可溶性堿計算。粉煤灰的可溶性堿量取粉煤灰總堿量的1/6，礦渣的可溶性堿量取礦渣總堿量的1/2，矽灰的可溶性堿量取矽灰總堿量的1/2。 鋼筋混凝土結構的混凝土氯離子總含量不應超過膠凝材料總量的0.10%，預應力混凝土結構的混凝土氯離子總含量不應超過膠凝材料總量的0.06％。 2.5 嚴格控制耐久性混凝土中的最大水膠比、最小膠凝材料用量 不同環境條件下鋼筋混凝土結構的混凝土最大水膠比、最小膠凝材料用量應滿足規定。T1環境設計使用年限為100年的，一般最大水膠比不大於0.55；最小膠凝材料用量不小於280 kg/m3。 不同環境條件下素混凝土結構的混凝土最大水膠比、最小膠凝材料用量應滿足規定。碳化及氯鹽環境下使用年限為100年的，一般最大水膠比不大於0.60（素混凝土）或0.55（鋼筋混凝土）；最小膠凝材料用量不小於280 kg/m3。 2.6 但是，不要為了追求過分的耐久性而強行將水膠比調低，只要耐久性指標符合要求即可。由於第三代聚羧酸系高效減水劑的減水效果發揮較慢，尤其是水膠比較小時，須要三分鐘甚至更長的時間才可以達到所要的流動效果，工地上的混凝土在攪拌剛開始時在發現和易性不良時會隨意加水進去，這會對混凝土的使用效果帶來危害。因此，在強度等各項指標達到時，配合比設計時水灰比應儘量放大一些，便會避免這樣的情況產生。 2.7 用水量宜少，但工作性要佳，較多人認為拌和水量應該少於160kg/m3，但筆者認為，如此小的用水量會給拌和和施工帶來很多不便，如必須要延長攪拌時間等，故推薦用水量C30以下混凝土用水量宜低於170 kg/m3，但是同時應保證水膠比小於0.55。當然，不要以為強度達到要求便可，同時應通過對比試驗（電通量試驗）確定其耐久性。但是，摻礦物摻和料的混凝土，如摻粉煤灰的混凝土，粉煤灰的火山灰效應會使混凝土的耐久性提高，如以下的試驗： 表一 不同配合比(不同水膠比、摻減水劑與否)情況下摻粉煤灰混凝土的強度與電通量對比 理論配合比（C25）C:S:G:FA:W:WJ 1:3.02:4.17:0.43:0.73:0.013 1:3.02:4.17:0.43:0.96:0 水膠比 0.51 0.67 坍落度(mm) 180 140 28d P20滲56d強度透高度(cm) (MPa) 2.5 12.5 44.9 33.6 56d電通

量(C) 745 768 注：以上試驗採用材料為華新堡壘P·O42.5普通矽酸鹽水泥，湖北羅田砂場中砂（細度模數2.7）, 5-31.5mm連續級配粗骨料，淮南常華電力實業公司Ⅰ級粉煤灰，飲用水（自來水），

C21 - 4 第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2009年11月 台北 江蘇博特JM-PC(Ⅰ)型超塑化劑。 從表一中不難發現，在摻粉灰而不摻減水劑的情況下，即使水灰比很大，仍能保證強度與電通量符合要求，只是摻減水劑時可以獲得更高的強度，但是不得保證其抗滲性。因此，在配合比設計時若從經濟方面考慮，可以減少減水劑用量，適量增加粉煤灰的摻量。 三、混凝土的配合比設計計算、混凝土的配合比設計計算、試配和調整步驟試配和調整步驟 鐵路混凝土結構的耐久性設計應根據結構的設計使用年限、環境類別及其作用等級進行設計。設計使用年限級別－、二、三分別對應設計使用年限100年、60年、30年, 如合武鐵路客運專線三標的設計使用年限級別為一級；所處的環境類別又分為碳化環境、氯鹽環境、化學侵蝕環境、凍融破壞環境和磨蝕環境，不同類別的環境又可以按其作用強弱進行作用等級劃分。如合武鐵路客運專線三標中隧道工程屬於碳化環境T1。因此其所使用的混凝土的耐久性指標為：56d電通量應＜2000C(＜C30)，＜1500C(C30～C45)，<1000C(≥C50)。 耐久性混凝土配合比可按下列步驟計算（以乾燥狀態骨料為基準；礦物摻和料和外加劑的摻量均以膠凝材料總量百分率計）、試配和調整： 3.1 核對供應商提供的水泥熟料的化學成分和礦物組成、混合材種類和數量等資料，並根據設計要求，初步選定混凝土的水泥、礦物摻和料、骨料、外加劑、拌和水的品種以及水膠比、膠凝材料總用量、礦物摻和料和外加劑的摻量。 3.2 參照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55）的規定計算單方混凝土中各原材料組分用量，並核算單方混凝土的總堿含量和氯離子含量是否滿足《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規》的要求。否則應重新選擇原材料或調整計算的配合比，直至滿足要求為止。 3.3 採用工程中實際使用的原材料和攪拌方法，通過適當調整混凝土外加劑用量或砂率，調配出坍落度、含氣量、泌水率、表觀密度符合要求的混凝土配合比。。該配合試拌時，每盤混凝土的最小攪拌量應在15 L以上（60L強制式攪拌機）比作為基準配合比。 3.4 適當改變基準配合比的水膠比、膠凝材料用量、礦物摻和料摻量、外加劑摻量或砂率等參數，調配出拌和物性能與要求值基本接近的配合比3～5個。 3.5 按要求對上述不同配合比混凝土製作力學性能和抗裂性能對比試件，按規定養護至規定齡期時進行試驗。抗裂性對比試驗可參照《鐵路混凝土工程施工技術指南》（TZ210-2005）附錄H規定的方法進行。 C21 - 5 陳 智 客專隧道襯砌耐久性混凝土配合比設計及施工控制措施概述 3.6 從上述配合比中優選出拌和物性能和抗裂性優良、抗壓強度適宜的一個或多個配合比各成型一組或多組耐久性試件，按規定養護至規定齡期時進行試驗。混凝土耐久性試件的製作及試驗按《混凝土長期性及耐久性能試驗方法》（GBJ82）進行（其中，抗凍性按快凍法），電通量試驗方法參見《鐵路混凝土工程施工技術指南》（TZ210-2005）附錄J。 3.7 根據上述不同配合比對應混凝土拌和物的性能、抗壓強度、抗裂性以及耐久性能試驗結果，按照工作性能優良、強度和耐久性滿足要求、經濟合理的原則，從不同配合比中選擇一個最適合的配合比作為理論配合比。 3.8 採用工程實際使用的原材料拌和混凝土，測定混凝土的濕表觀密度。根據實測拌和物的表觀密度，求出校正係數，對基準配合比進行校正（即以基準配合比中每項材料用量乘以校正係數後獲得的配合比作為混凝土的理論配合比）。校正係數按下式計算： 校正係數 = 實測拌和物濕表觀密度/基準配合比拌和物濕表觀密度 3.9 當混凝土的力學性能或耐久性能試驗結果不滿足設計或施工要求時，應重新按圖紙的要求選擇混凝土配合比參數，並按照上述步驟重新試拌和調整混凝土配合比，直至滿足要求為止。 3.10 當混凝土的原材料品質、施工環境氣溫發生較大變化時，應及時對混凝土的配合比進行調整，冬、夏季施工或某個配合比無法達到正常的工作性及強度等指標的要求時都有適合要求的混凝土配合比供選擇。 四、客專隧道襯砌耐久性混凝土的施工 4.1 客專隧道襯砌耐久性混凝土施工過程中施工、監理單位應各自委派專人負責記錄混凝土運送到工地的時間和出機坍落度、澆築時間和澆築時的坍落度、澆築時洞內溫度與混凝土澆築溫度、澆築段長度、澆築高度的控制以及養護方式、養護過程，包括養護開始時間、養護中的襯砌表面溫度與降溫速率、拆模時間與拆模時洞內溫度等。 4.2 客專隧道襯砌耐久性混凝土的早期強度，在不摻緩凝劑的情況下，要求12小時抗壓強度不大於6MPa或24小時不大於10MPa。同時，拆模強度要求不低於8 MPa（拱牆）。 4.3 客專隧道襯砌耐久性混凝土施工過程中如果出現裂縫，要記錄裂縫出現的時間、部位、尺寸和處理等情況。 C21 - 6 第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2009年11月 台北 4.4 拆模後應對滲漏水部位進行襯砌內注漿，並對滲水部位混凝土裂紋進行處理，對0.2mm以下的細小裂紋，採取密封劑封閉裂紋；對於裂紋寬度大於0.2mm的裂縫，採用壓注注縫膠修補。必要時對裂縫部位混凝土表面實行塗膜封閉。 4.5 鋼筋保護層及鋼筋的定位宜採用工程塑料製作的保護層定位夾或定型生產的纖維砂漿塊。當使用細石混凝土墊塊定位保護層厚度時，墊塊的尺寸和形狀宜為工字形或錐形，墊塊的強度應高於襯砌結構本體強度，水膠比不大於0.4；襯砌結構兩側面和底面的墊塊應至少4個/m2，綁紮墊塊和鋼筋的鐵絲頭不得伸入保護層內。 4.6 客專隧道襯砌耐久性混凝土的攪拌宜採用臥軸式、行星式或逆流式攪拌機並嚴格控制攪拌時間。 4.7 客專隧道襯砌耐久性混凝土的入模溫度應視洞內溫度而調整，夏季混凝土的入模溫度應控制在30℃以下並不宜高於洞內溫度，冬季施工入模溫度不應低於5℃。施工過程中要估計混凝土溫度與拉應力的變化，提出混凝土溫度的控制值，並在施工養護過程中實際測定關鍵截面的中部點溫度和離表面約5cm深處的表層溫度（包括仰拱和底板），實行嚴格的溫度控制。襯砌結構任一截面在任一時間內的內部最高溫度與表層溫度之差一般不大於20℃，新澆築混凝土與上一區段襯砌混凝土或圍岩之間的溫差不大於20℃，灑於混凝土表面的養護水溫度低於混凝土表面溫度的差值不大於15℃，混凝土的降溫速率最大不宜超過3℃/d。 4.8 客專隧道襯砌耐久性混凝土泵送的坍落度不宜過大以避免離析或泌水。如發現坍落度不足，不得擅自加水，應當在技術人員的指導下用追加減水劑的方法解決。 4.9 插入式振動棒需變換其在混凝土中的位置時，應豎向緩慢拔出，不得在混凝土澆築倉內平拖。泵送下料口應及時移動，不得用插入式振動棒平拖驅趕下料口處堆積的拌和物將其推向遠處。振搗時間宜為10~30s或視工人操作經驗及混凝土的流動性而定。 4.10 客專隧道襯砌耐久性混凝土強度應達到8.0MPa以上方能拆模。 4.11 客專隧道襯砌耐久性混凝土灑水養護時間不得少於14d，整個養護期內不得間斷。當採用養護劑養護時，養護劑應符合《水泥混凝土養護劑》（JC901）規定。 五、結語 加強對客運專線隧道襯砌所採用的耐久性混凝土的原材料選擇，優化配合比C21 - 7 陳 智 客專隧道襯砌耐久性混凝土配合比設計及施工控制措施概述 設計，在施工中採取嚴格控制措施，切實執行並符合規範標準的要求，是完全能夠滿足客專施工中的耐久性混凝土的要求的。 參考文獻 1. 鐵建設(2005)160號「鐵路混凝土工程施工品質驗收補充標準」[S]，北京：中國鐵道出版社出版。 2. TB10417—98 (1998)「鐵路隧道工程品質檢驗評定標準」[S]，北京：中國鐵道出版社出版。 3. 鐵建設(2005)157號「鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規」[S]，北京：中國鐵道出版社出版。 4. TB10424—2003 (2003)「鐵路混凝土與砌體工程施工品質驗收標準」[S]，北京：中國鐵道出版社出版。 5. 鐵建設(2006)141號，“關於發佈「客運專線鐵路路基工程施工品質驗收暫行標準」等九項鐵路工程建設標準局部修訂條文的通知”，北京：鐵道部建設管理司。 6. TZ210-2005 (2005)「鐵路混凝土工程施工技術指南」[S]，北京：中國鐵道出版社出版。 C21 - 8