衬砌混凝土配合比选定及应用-TDJZ.doc

衬砌混凝土的配合比选定及应用中铁十三局集团公司五公司 李学勇 内容提要：根据隧道衬砌混凝土的施工工艺特点及施工现场条件，对衬砌采用的泵送混凝土的原材料选择、配合比选定以及施工应用的方面进行了试验和现场跟踪研究，取得了较好的经济和社会效益。关键词：泵送混凝土 原材料选择 配合比设计 施工工艺 兰武铁路二线工程第二长隧火烧沟隧道全长3586米，为双线隧道，隧道净空按通行双层集装箱设计。全隧道采用曲墙带仰拱衬砌，部分地段采用钢筋混凝土模筑衬砌，其它均为复合式衬砌，衬砌混凝土总量计66772m3。根据施工现场狭窄、障碍物较多、二次衬砌部分有薄壁、混凝土具有抗渗性要求等特点，我们在施工中采用了泵送混凝土的施工方法，这种方法具有输送速度快，输送范围大，生产效率高，质量易保证的特点。但泵送混凝土对材料要求较严，对混凝土配合比要求较高，混凝土必须保证连续输送，避免因较长时间的间歇而造成堵塞。为此，本标段试验室对泵送混凝土的原材料选用、配合比设计选定以及泵送混凝土的施工工艺方面结合隧道衬砌施工特点在减少收缩、防止裂缝、提高抗渗性、改善耐久性方面作了大量试验和深入研究。1.泵送混凝土对原材料的要求泵送混凝土施工要求混凝土具有可泵性，即混凝土拌合料在泵压作用下，能在输送管道中连续稳定地通过而不产生离析的性能。可泵性良好的混凝土具有较好的粘塑性，混凝土泌水小，不易分离。混凝土的可泵性，主要取决于拌合料本身的和易性。在施工中，我们往往根据坍落度来判断其和易性，坍落度越小，要求的泵压越高。坍落度小于5cm时，摩擦力很大，虽然可以通过提高泵压来实现泵送，但在此高压下，混凝土极易吸水，最终使管道堵塞。但如果坍落度过大（如20cm以上），虽然泵压降低，但拌合料的离析现象很明显，也会造成管道堵塞。针对本隧道衬砌最大输送高度约为10m，最远泵送距离为40m的实际，我们选定泵送混凝土的坍落度为1214cm。1.1胶凝材料水泥1.1.1 要保证混凝土具有可泵性，很重要的一点是混凝土必须具有一定的保水性。我们选用永登水泥厂生产的“祁连山牌” 掺加了粉煤灰的32.5级普通硅酸盐水泥。此水泥保水性好、泌水性小，而且由于其掺加了粉煤灰的原因，还能改善混凝土的粘塑性和保水性，增加其缓凝性，有利于混凝土的泵送需求。此种水泥试验室检测后的品质检验基本指标见表1。1.1.2 在泵送混凝土中，水泥砂浆起到润滑输送管道和传递压力的作用，所以水泥用量的多少对其可泵性非常重要。水泥用量过少，混凝土的和易性差，泵送阻力大，泵和输送管的磨损亦加剧，容易堵塞；水泥用量过多，不但不经济，而且水化热高，混凝土粘性增高，也会增大泵送阻力。我国钢筋混凝土工程施工及验收规范规定泵送混凝土最少水泥用量宜为300Kg/m3。试验室根据混凝土的设计强度等级、泵压、输送距离等经试配、试送确定本工程C20泵送混凝土水泥用量为330 Kg/m3, C25泵送混凝土水泥用量为360Kg/m3。“祁连山”牌P.O 32.5级水泥品质检验基本指标 表1项 目检 验 结 果项 目检 验 结 果烧 失 量 (%)2.01安 定 性合 格三氧化硫 (%)2.15混合材料(%)品 种粉煤灰氧 化 镁 (%)1.52掺加量13.4细 度 (%)1.2抗折强度3d5.1比表面积 (m2/Kg)43228d7.9凝 结 时 间 (h:min)初 凝2:27抗压强度3d21.9终 凝3:3028d42.31.2骨料泵送混凝土的骨料分为粗骨料和细骨料，骨料的种类、形状、粒径和级配对泵送混凝土的性能有很大影响，必须严加控制。1.2.1粗骨料本工程泵送混凝土粗骨料选用的是坚硬耐久、摩擦较小的河卵石，其最大粒径与输送管内径之比小于或等于1:2.5，这是根据三个石子在同一断面处相遇最容易引起阻塞的原理推算出来的。同时又根据钢筋间距及输送管管径，确定使用当地的540mm粒径的连续级配卵石，试验结果如表2。 卵石取样试验结果 表2试 验 项 目规范要求值试 验 值兴 盛 卵 石小 坡 卵 石靖 生 卵 石含泥量 (%)1.00.41.70.3泥块含量 (%)0.50.20.50.2压碎指标值 (%)16978针片状颗粒含量 (%)10684含水率 (%)1.11.01.0坚固性8645级配情况540mm良好不良良好1.2.2细骨料泵车对混凝土用砂要求细度模数在2.53.0之间的坚固耐久的中砂，其中粒径在0.315mm以下的细骨料所占比例不应小于15%，这对改善泵送混凝土的泵送性能非常重要。砂的细度模数过小会增加混凝土用水量和水泥用量，加速泵机磨损；细度模数过大，则可泵性变差，容易产生离析和堵管现象。我们对兴盛、小坡、靖生三个料场的砂样进行了试验，结果如表3。 砂取样试验结果 表3试 验 项 目规范要求值检 测 结 果兴盛河砂小坡河砂靖生河砂黄羊山砂含 泥 量 （%）3.02.12.51.31.5泥块含量 （%）1.00.50.40.30.2坚固性指标810454空 隙 率 （%）-35373536含 水 率 （%）-4.64.34.74.0细度模数2.53.02.63.42.92.9颗粒级配区、-级配情况良好良好不良良好良好1.3外加剂因泵送混凝土的坍落度较大，为保证混凝土具有良好的工作性，而且为了防止堵管、离析等事故发生，我们采取了掺加具有缓凝、减少拌合用水及增强混凝土流动性效果的缓凝高效减水剂。 缓凝高效减水剂性能指标 表4试 验 项 目标 准 值检 测 结 果一 等 品合 格 品减水率 (%) 不小于121012泌水率 (%) 不大于10095含气量 (%) +90+100终凝抗压强度比 (%) 不小于1d3d1251301307d12513513528d12012512528d收缩率比 (%) 不大于135110对钢筋锈蚀作用无锈蚀无锈蚀 “+”号表示延缓“-”号表示提前1.4掺和材料 从流变学观点来看，混凝土拌合物的流动性由屈服剪切应力和粘性系数两个参数来决定。粉煤灰掺入混凝土中可显著降低混合物料的屈服剪切应力，从而提高流动性。我们的试验结果也表明掺入粉煤灰后能使坍落度提高。掺粉煤灰后，坍落度可提高约2cm，而坍落度损失值则基本相同。另外掺入粉煤灰还有延缓混凝土凝结时间的优点，有利于混凝土的泵送；还可以节约水泥、降低造价。因此我们选泵送混凝土配合比时掺加了级磨细粉煤灰，以改善混凝土的可泵性。1.5拌合水拌合水采用施工现场的火烧叉河水，我们进行了水质分析，其结果符合混凝土用水要求(表5)。火烧叉河水中物质含量表5水中物质名称物 质 含 量 限 值检测结果钢筋混凝土普通混凝土PH值4 48不溶物 （mg/L）20005000820可溶物 （mg/L）5000100002200氯化物Cl- （mg/L）12003500740硫酸盐SO42- （mg/L）2700270015002.泵送混凝土配合比设计泵送混凝土的配合比除要满足设计强度和经济性外，要具有良好的流动性、粘聚性和可泵性。在施工中，我们根据坍落度、粘滞性及压送混凝土的质量情况来检验混凝土的可泵性。2.1配合比设计原则2.1.1要保证压送后的混凝土能满足所规定的和易性、匀质性、强度及耐久性等质量要求；2.1.2根据所用材料的质量、泵的种类、输送管的直径、压送距离、气候条件、浇注部位及浇注方法等，经过试配、试送确定配合比；2.2.3通过采用掺加缓凝高效减水剂、粉煤灰的措施以降低水灰比，增强流动性，延缓凝结时间，改善混凝土的可泵性。2.2配合比主要参数选择2.2.1水灰比的选择未凝固的混凝土在输送管中流动时，必须克服管壁的摩阻力，而摩阻力大小与混凝土水灰比有关。随水灰比减小，摩阻力逐渐增大，当水灰比小于0.5后，摩阻力急剧增大；但水灰比超过0.70后，对摩阻力的减小并没有明显效果，反而会引起硬化后的混凝土收缩量增加，有发生裂缝的危险。我们在应用中取0.6。2.2.2砂率的选择为保证混凝土的流动性、粘聚性、保水性，以便于运输、泵送和浇筑，泵送混凝土的砂率应比一般施工方法所用混凝土的砂率适当提高25。但过高的砂率不仅会引起水泥用量和用水量的增加，而且会引起硬化后混凝土质量的变坏。因此，确定泵送混凝土配合比时，考虑粗骨料的粒状和级配，在能满足可泵性要求的前提下，以尽量减少单位用水量为原则来选择砂率，并且要尽量降低砂率。2.2.3坍落度的选择普通混凝土的坍落度参照表6来选择。 普通泵送混凝土的适宜坍落度 表6捣固方式压 送 前 (cm)压送后(cm)压送前后坍落度允许变化范围(cm)适宜坍落度坍落度波动范围(%)机械振捣81815(并5+1.5不振捣时181515+1.0泵送混凝土的坍落度视具体情况而定。如水泥用量较少，坍落度应相应减小；向下泵送时，为防止混凝土因自身荷载下滑而而引起堵管，坍落度宜适当减小；向上泵送时，为避免过大的倒流压力，坍落度也不宜过大。坍落度一般控制在818cm，本工程选为1214cm；至于泵送过程中的坍落度损失一般为1.01.5 cm。2.2.4混凝土的粘聚性要求混凝土应有良好的粘聚性，如果粘聚性不良，易产生离析现象，压送过程中易发生输送管的堵塞。在施工过程中，有离析现象的混凝土不能进入混凝土输送泵受料斗，应调整其配合比，改善其粘聚性。2.3配合比选定根据以上原则，我们选用永登产 “祁连山”牌P.O32.5级水泥、古浪靖生砂石料厂产的砂石骨料等原材料，经设计、试配，确定C20最佳配合比为：水泥:砂:石:水:粉煤灰:缓凝高效减水剂1:2.79:3.85:0.59:0.20:0.008。为了更好的改善混凝土的可泵性、提高其耐久性以及尽早脱模、提前负荷，我们同时掺加了缓凝高效减水剂。据此试验成果，我们又选定了C25泵送混凝土配合比及各种备用配合比，以保证特殊情况下施工生产能正常进行。经试配试验，其试件的3d、7d、28d抗压强度和抗折强度均符合国家标准要求；经试送试验，均取得满意效果。3.混凝土泵送施工3.1混凝土的拌制与运输泵送混凝土的拌制在各种材料的计量精度、搅拌延续时间等方面与普通混凝土相同，但对泵送混凝土所用的骨料粒径和级配应严格控制，防止骨料中混入粒径过大的颗粒和异物。当使用含水率较低、吸水率稍大的骨料时，应事先进行充分吸水。运输是本工艺的关键，必须严格按照规范进行。混凝土的和易性随运输时间的延长而降低，所以要尽量缩短运输延续时间。一般情况下泵送混凝土的运输延续时间不宜超过表7所列数值。泵送混凝土允许运输延续时间表7混凝土的出机温度()运输延续时间(min)253550601025609051090注意事项：隧道共有两台衬砌台车，根据运距每台车配备1台混凝土输送泵和23辆混凝土搅拌运输车，以满足混凝土施工、运输需要，保证混凝土输送泵压送时混凝土供应不中断，并且使混凝土运输车辆的停歇时间最短。运输车装料前，要排净滚筒中多余洗润水，并且运输过程不得随意加水。为保证混凝土的匀质性，搅拌运输车在卸料前应先高速运转2030s，然后反转卸料。连续压送时，先后两台混凝土搅拌运输车的卸料应有5min的搭接卸料时间。3.2混凝土压送混凝土输送泵的操作方法是否正确，不仅直接影响混凝土的压送，而且也影响混凝土输送泵的使用寿命，所以压送混凝土时，混凝土输送泵的操作应注意以下几点：3.2.1开始压送混凝土时，应使混凝土输送泵处于低速运转，并注意观察泵的输送压力，当确认可以顺利运转后，才能提高到正常运转速度。3.2.2混凝土的压送要连续进行，尽量避免压送中断，中断时输送管内混凝土处于静止状态，混凝土就会泌水，混凝土中的骨料也会按比密度不同而下沉分层，易使混凝土离析，还可能引起堵塞。混凝土从搅拌出机到浇筑的时间不允许超过1.5h。3.2.3混凝土压送过程中，有计划的停歇应事先确定中断浇筑位置，必须是允许留置施工缝的位置，一般情况下停歇时间不宜超过1h。停歇时间内，为防混凝土在输送管内离析，应作间歇推动，每45min应进行不少于4次正反转推动，尤其是在夏季高温季节、冬季低温季节浇筑中。3.2.4 混凝土压送过程中，如经常发生压送困难或输送管道堵塞时，试验人员应检查混凝土配合比、和易性、匀质性，再查其操作方法是否妥当。3.3施工现场试验加强质量管理对保证泵送混凝土的质量十分重要，本工程试验员除在施工准备阶段应对泵送混凝土所使用的材料进行必要的物化检验、对混凝土配合比进行可泵性试验外，施工过程中尚需进行下述几项现场试验：3.3.1 对混凝土骨料的粒度、级配、含泥量等，每一工作班内进行12次试验。3.3.2 对混凝土坍落度每一工作班内作12次试验，如发现混凝土质量有变化或配合比改变时，应及时抽样试验。压送前、后泵送混凝土坍落度的变化应不大于表8所列数值，并无离析现象。压送混凝土前后坍落度变化允许值 表8原配合比要求的坍落度(cm)坍落度变化允许值(cm)18+1.54.施工应用选定泵送混凝土配合比在施工中应用效果较好，泵车的泵入速度达到了拌和站的单位时间最大生产能力。混凝土可泵性很好，一直没有发生堵管、卡料等情况，混凝土入仓后无离析泌水现象，而且拆模后混凝土表面气泡很少，平整度好，颜色一致，外观质量较好。在搅拌站拌制混凝土时，需采用人工掺加粉煤灰及外加剂，增加了人工，也使计量与分散存在问题，有时会影响混凝土的均匀性。这一点尚需改进，确保此项操作工人一定要细心、有责任心，尽量使计量准确。参考文献：1、中华人民共和国国家标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB 175-1999）2、中华人民共和国国家标准矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥（GB 1344-1999）3、中华人民共和国国家标准水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法（GB/T 1346-2001）4、中华人民共和国国家标准混凝土外加剂（GB 8076-1997）5、中华人民共和国国家标准混凝土结构工程施工质量验收规范（GB 50205-2002）6、中华人民共和国行业标准普通混凝土配合比设计规程（JGJ 55-2000） 中国建筑工业出版社2001作者：李学勇中铁十三局集团公司第五工程公司工程师 手机13159527107地址长春市二道区公平路2299号中铁十三局五工程公司130031