一种沉管隧道管段用混凝土配合比.pdf

本发明涉及水泥混凝土配置技术，特别是一种沉管隧道管段用混凝土配合比，其包括管段主体混凝土配合比和管段后浇带混凝土配合比。管段主体混凝土的质量百分比为：水7.3％，水泥10.5％，粉煤灰2.1～3.5％，矿粉3.5～4.9％，砂29.9％，石子44.9％，高效减水剂0.4％。管段后浇带混凝土的质量百分比为：水7.5％，水泥13.12～13.41％，矿粉3.33～3.41％，砂30.23％，石子43.52％，高效减水剂0.44％，纤维0.03％，膨胀剂1.46～1.83％。采用本发明配合比制作的管段大体积混凝土满足管段混凝土设计容重、强度等级要求，具有良好防渗性能及抗裂性能，并且具有良好的经济性。

1.  一种沉管隧道管段用混凝土配合比，其特征在于包括管段主体混凝土配合比和管段后浇带混凝土配合比；所述的管段主体混凝土配合比的质量百分比为：水7.3％，水泥10.5％，粉煤灰2.1～3.5％，矿粉3.5～4.9％，砂29.9％，石子44.9％，高效减水剂0.4％；所述的管段后浇带混凝土配合比的质量百分比为：水7.5％，水泥13.12～13.41％，矿粉3.33～3.41％，砂30.23％，石子43.52％，高效减水剂0.44％，纤维0.03％，膨胀剂1.46～1.83％。

一种沉管隧道管段用混凝土配合比
技术领域
本发明涉及水泥混凝土配置技术，特别是一种沉管隧道管段用混凝土配合比。
背景技术
国内的沉管隧道起步较晚，大陆目前已经通车的沉管隧道只有宁波涌江隧道、广州珠江隧道、宁波常洪隧道、杭州湾海底沉管隧道及上海外环越江隧道。沉管隧道作为穿江越海的一种隧道施工方法，也正越来越受到人们的重视。沉管管段作为沉管隧道的主体结构，它的质量好坏关系到整个隧道的成败。沉管隧道管段体积很大，作为隧道的主体结构，最终要承受各种荷载，这就要求管段用混凝土满足设计强度；管段要满足浮运要求，这就要求管段用混凝土容重满足设计精度；现场浇筑这样大体积的混凝土，需要有良好的可施工性(和易性、拌合物坍落度)；管段浇筑完成后要沉入水中使用多年，这就要求管段用混凝土有良好的抗裂性能、抗渗性能。因此，选择合适的混凝土配比材料，选用合理的混凝土配合比来制作性能优良的管段用混凝土，意义重大。
管段混凝土的强度、容重、可施工性是混凝土的基本性能，通过调整水胶比(水与胶凝材料之比；胶凝材料指水泥、粉煤灰、矿粉等)、水泥标号、骨料集配及掺入量、胶凝材料掺入量等手段比较容易满足设计要求。而与常规大体积混凝土相比，管段用混凝土在抗裂性能及抗渗性能方面提出了更高的要求。由于混凝土微观结构的多相化、非均质性，混凝土中必然存在着大量的微小裂缝，因而通常我们说的混凝土的抗裂性能是指将混凝土中的裂缝控制在一定范围内，避免产生对结构有害的裂缝。混凝土的变形变化是目前工程实践中结构物产生裂缝的主要原因，混凝土的变形变化之所以能导致裂缝产生，是由于混凝土在温度、收缩、膨胀、不均匀沉降的因素作用下，导致变形的发生，进而产生应力，当应力超出一定数值时，混凝土自身的抗拉强度等承载能力无法阻止进一步的变形的产生，就会产生混凝土裂缝。混凝土在其强度发展过程中产生的热量，绝大部分是由于水泥与水进行水化反映产生的，产生的水化热越高，越不利于混凝土的抗裂性能。
混凝土作为一种多孔材料，孔隙率很高，其中特别是毛细孔占很大一部分。混凝土的渗透性首先取决于硬化水泥浆的孔隙率，而硬化水泥浆的毛细管孔隙率主要取决于水胶比，水胶比越大，孔隙率越大，水泥浆抗渗性越差。
为防止现浇钢筋混凝土管段由于温度、收缩不均可能产生的有害裂缝，按照设计或施工规范要求，在相应位置留设临时施工缝，将管段暂时划分为若干部分，经过构件内部收缩，在若干时间后再浇捣该施工缝混凝土，将管段连成整体，设置施工缝的位置被称为管段后浇带，而管段其他部位被成为管段主体。
在本专利申请之前国内已建沉管隧道管段采用的混凝土配比由水、水泥、粉煤灰、砂、石子及高效减水剂组成，而且其管段主体与管段后浇带都采用相同配比，例如上海外环沉管隧道所使用的管段质量配合比为：水7.83％，水泥12.53％，粉煤灰4.4％，砂31.28％，石子43.22％，高效减水剂0.74％。该配比中水、水泥、砂、石为配置混凝土的基本原料，其作用不再详细诉述。利用工业废渣粉煤灰的潜在活性，减少水泥用量，降低混凝土生产成本，变废为宝化害为利，节约堆放粉煤灰的大量宝贵土地，更大程度地发挥高性能优势，改善混凝土工作性、耐久性和物理力学性能。高效减水剂对改善拌和物的和易性，调节混凝土的凝结硬化时间，控制强度发展和提高耐久性等方面起着显著的作用。
本专利申请之前的管段用混凝土配比相比一般的大体积混凝土配比来说，除强度、比重、可施工性等方面满足设计要求外，在抗裂性能及抗渗性能方面也比一般的大体积混凝土要好。但是其在用水量(7.83％)、水泥用量(12.53％)、水胶比(0.46)方面还有优化的空间。而管段混凝土要在水下使用多年，就必须在这些方面提出更高的要求。同时，管段后浇带用混凝土是在管段主体浇注完成若干时间后进行浇捣，该部位也是管段的相对薄弱部位，所以对其强度、抗裂性能、抗渗性能要求更高。目前使用的配比方案中，管段主体用混凝土与管段后浇带用混凝土配比相同，存在一定的隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沉管隧道管段用混凝土的配合比，使本发明制作的管段混凝土达到不裂、不渗，满足混凝土容重、强度、坍落度设计等要求。
本发明包括两部分内容，管段主体用混凝土配合比及管段后浇带用混凝土配合比。
技术要求：
管段主体用混凝土
一般说来，目前国内对管段主体混凝土容重、强度、坍落度设计要求为：
设计强度C35，坍落度120±20mm，容重2390±10kg/m³。
满足管段主体用混凝土容重、强度、坍落度设计要求的措施：选用性能良好且标号相符的水泥、优质的矿物掺合料、良好集配的骨料，选择比较合适配合比。实际使用时，选用性能优良的金羊牌水泥，大掺量的粉煤灰及矿粉，干净的河砂，连续级配5～31.5mm的石子，通过大量试验找到了满足混凝土容重、强度、坍落度设计要求的配合比。
提高管段主体用混凝土的抗裂能力的有效措施：从混凝土自身性能而言，控制混凝土的水化热是控制混凝土裂缝的一个有效手段，而要想控制混凝土水化热，必须尽可能减少水泥用量，采用矿物掺合料取代水泥；实际应用时，采用了大掺量的粉煤灰及矿粉，而只采用了较低的水泥用量(10.5％)。该措施对混凝土收缩的补偿作用具有一定效果，同时降低补偿收缩混凝土的膨胀量。
提高管段主体用混凝土抗渗性的有效措施：减少用水量，改善混凝土中的孔结构，提高强度；掺加适量的混合材料和掺加高效减水剂。实际应用时，严格控制了用水量(7.3％)，减少了水胶比(0.42)，同时掺加了矿粉及粉煤灰，并采用了高效减水剂。
管段后浇带用混凝土
一般说来，目前国内对管段后浇带用混凝土容重、强度、坍落度设计要求为：
设计强度C40，坍落度120±20mm，容重2390±10kg/m³。
满足管段后浇带用混凝土容重、强度、坍落度设计要求的措施：与管段主体用混凝土配比相同，选用性能良好且标号相符的水泥、优质的矿物掺合料、良好集配的骨料，选择比较合适配合比。实际使用时，选用性能优良的金羊牌水泥，大掺量的矿粉，干净的河砂，连续级配5～31.5mm的石子，通过大量试验找到了满足混凝土容重、强度、坍落度设计要求的配合比。
提高管段后浇带用混凝土的抗裂性能、抗渗性能的有效措施：与管段主体用混凝土配比相同，管段后浇带用混凝土配比严格控制混凝土的水化热，尽可能减少水泥用量，减少用水量，采用了高效减水剂，添加矿粉来取代部分水泥用量。
同时，为提高沉管管段后浇带用混凝土的抗渗、抗裂性能，达到沉管管段的混凝土结构自防水要求，在管段后浇带用混凝土中掺加了膨胀剂及防渗防裂纤维。膨胀剂具有补偿收缩作用，能改善混凝土在各个龄期的收缩变形，从而大幅度降低收缩应力的产生，并使混凝土的结构更密实。一方面，使混凝土早期强度有较大增长，提高了抗拉强度，另一方面，封闭了混凝土中的大量毛细孔，改善了混凝土的孔结构，使混凝土的抗渗得到提高。在混凝土中掺加防渗防裂纤维，其能够迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布极其均匀、彻底，故能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系，是控制混凝土塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的有效手段，对提高抗渗非常有功。
掺膨胀剂和纤维最大问题是坍落度损失大难以施工，相对基准配合比(即为不掺膨胀剂和纤维的配合比)而言，水胶比要适当提高些或提高减水剂掺量才能保证可施工性，否则到现场还需要后掺减水剂调整施工坍落度。实际应用中，为提高水胶比，在管段后浇带用混凝土的胶凝材料中没有使用粉煤灰，而只使用了水泥与矿粉。
同时，掺入膨胀剂或纤维需适当增加外加剂用量或用水量；如外加剂用量超过饱和点，就会产生混凝土板结、抓底、引起混凝土泌浆、滞后泌水等现象。实际应用中，管段后浇带混凝土配比中水与减水剂的含量都比管段主体中含量适当提高。
管段主体用混凝土具体质量百分比为：水7.3％，水泥10.5％，粉煤灰2.1～3.5％，矿粉3.5～4.9％，砂29.9％，石子44.9％，高效减水剂0.4％。
管段后浇带用混凝土具体质量百分比为：水7.5％，水泥13.12～13.41％，矿粉3.33～3.41％，砂30.23％，石子43.52％，高效减水剂0.44％，纤维0.03％，膨胀剂1.46～1.83％
上述所说的水泥实际采用广州水泥厂生产的金羊牌水泥，该水泥特性为水化热较低，早期强度高，后期强度增进好，质量稳定。
上述所说的砂为洁净的河砂，其细度模数为2.5～3.1，配料中采用洁净河砂，可减少混凝土收缩开裂。
上述所说的石子粒径满足钢筋间距的2/3，粒径越大越可减少收缩开裂，采用连续级配5～31.5mm。
上述所说高效减水剂实际采用天津雍阳巨龙牌UNF-5液(高效减水剂)，其掺量为2.0％时，减水率达25％，初凝可达8～10h，终凝可达12～14h，而且掺入混凝土中可大大降低水泥水化时的放热峰值，延迟放热的速率。表现在早期强度稍低，7天以后的强度逐渐上升，28天强度可达150～170％。
上述所说的粉煤灰为II级粉煤灰。由于粉煤灰S_iO₂含量≥40％，火山灰活性高，能取代部分水泥，以利于降低水化热。据有关资料介绍，掺量15％的粉煤灰可降低水化热15％；粉煤灰由于细度比水泥还细，作为填充料填充混凝土的孔隙，使混凝土更致密，起到了耐久性和体积稳定性的效果。
上述所说矿粉为磨细矿粉，具有很好的胶凝作用，能促进混凝土强度的发展，减少水泥用量，降低混凝土水化热，并可减少混凝土拌合物用水量，增加流动度，抑制碱骨料反应等作用。
上述所说的膨胀剂是石家庄育才化工有限公司生产的JX型膨胀剂，具有补偿混凝土干缩和密实混凝土、提高混凝土抗渗性作用，该种材料是属于外加剂而不属于矿物掺合料和水泥，在土木工程中主要用于防水和抗裂两个方面。添加膨胀剂的混凝土必须在潮湿的环境或浸水养护14天以上才能起补偿收缩作用，否则养护不及时不到位，开裂的可能性更严重。
上述所说纤维是泰安市大盛工程材料有限公司生产的聚丙烯网状纤维(DS-W型)，它能迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布极其均匀、彻底，故能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系，是控制混凝土塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的有效手段，对提高抗渗非常有效。
在管段主体及管段后浇带用混凝土配比中，水泥、砂、石子为配置混凝土的基本原料。
本发明实际采用了金羊牌水泥，该水泥特性为水化热较低，早期强度高，后期强度增进好，质量稳定。因为该水泥早期强度高，后期强度增进好，所以由该品牌水泥配置出的混凝土相对一般性能的水泥配置出的混凝土更容易满足混凝土的强度、耐久性设计要求。同时该水泥水化若较一般性能的水泥要低，质量稳定，所以采用该水泥配置出的混凝土比一般性能的水泥配置出的混凝土在防渗性能、防裂性能方面具有更明显的优势。本专利实际采用的是干净河砂，其细度模数为2.5～3.1，砂率(砂占砂、石总量的比例，管段主体混凝土砂率0.66，后浇带混凝土砂率0.69)极小，这样的砂配置出的混凝土相对一般的砂配置出的混凝土在减少混凝土收缩开裂方面效果更好。本专利实际采用连续级配5～31.5mm的石子，这样可以节约水泥和保证混凝土具有良好的和易性。
在管段主体用混凝土及后浇带用混凝土中都采用了高效减水剂，其主要作用如下：
①在不改变各种原材料配比的情况下，添加混凝土高效减水剂，不会改变混凝土强度，同时可以大幅度提高混凝土的流变性及可塑性，使得混凝土施工可以采用自流、泵送、无需振动等方式进行施工，提高施工速度、降低施工能耗。
②在不改变各种原材料配比(除水)及混凝土的坍落度的情况下，减少水的用量，可以大大提高混凝土的强度，早强和后期强度分别比不加减水剂的混凝土提高60％及20％以上。
③在不改变各种原材料配比(除水泥)及混凝土强度的情况下，可以减少水泥的用量，掺加水泥质量0.2％～0.5％的混凝土减水剂，可以节省水泥量的15～30％以上。
④掺加混凝土高效减水剂，可以提高混凝土的寿命一倍以上，即使建筑物的正常使用寿命延长一倍以上。
本发明实际采用的是天津雍阳巨龙牌UNF-5液高效减水剂，其掺量为2.0％时，减水率达25％，初凝可达8～10h，终凝可达12～14h，而且掺入混凝土中可大大降低水泥水化时的放热峰值，延迟放热的速率。表现在早期强度稍低，7天以后的强度逐渐上升，28天强度可达150～170％。
在管段主体用混凝土中采用了II级粉煤灰。由于粉煤灰S_iO₂含量≥40％，火山灰活性高，能取代部分水泥，以利于降低水化热。据有关资料介绍，掺量15％的粉煤灰可降低水化热15％；粉煤灰由于细度比水泥还细，作为填充料填充混凝土的孔隙，使混凝土更致密，起到了耐久性和体积稳定性的效果。
在管段主体用混凝土及管段后浇带用混凝土中都采用了磨细矿粉，矿粉是炼铁过程中排出的工业废料，每炼一吨约有0.3吨的矿粉，其主要化学成分是S_iO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等。经水淬急冷后的矿粉，其中玻璃体含量多，结构处在高能量状态不稳定，潜在活性大，但须经磨细才能使其潜在活性发挥出来。当磨细矿粉比表面积大于4660cm²/g时，在混凝土中1kg矿粉对28d龄期强度的作用将超过1kg水泥作用。掺入磨细矿粉能较好地提高混凝土的强度，其机理是矿粉在二次水化反应中吸收大量的CH晶体，使混凝土是尤其是在界面区的CH晶粒变小变少，由于CH被大量吸收掉，从而促进了C₃S、C₂S的水化反应速度，改善了混凝土的微结构，提高了水泥石与骨料界面粘结强度及改善了水泥浆体的孔结构，从而提高了混凝土的密实性。使掺磨细矿粉混凝土的早期强度少受或不受影响，而后期强度因超细矿粉不断水化使强度增长较多，磨细矿粉取代水泥量越大，则混凝土后期强度增长率也越大。同时矿粉等量取代水泥，大大节约水泥用量，降低水化热，减少温度应力而造成的混凝土裂缝。并且矿粉需水量低，可降低混凝土水胶比，增加混凝土的流动性，易泵送，改善混凝土和易性，提高新拌混凝土内聚性，改善水泥浆体的微观结构，增大混凝土密实性，从而提高混凝土强度和耐久性。矿粉与粉煤灰统称为矿物掺合料，在管段主体混凝土配比中添加II级粉煤灰和磨细矿粉，延缓了凝结时间，再次减轻了水化放热的效应。
在管段后浇带用混凝土中掺加了膨胀剂及防渗防裂纤维。膨胀剂具有补偿收缩作用，能改善混凝土在各个龄期的收缩变形，从而大幅度降低收缩应力的产生，并使混凝土的结构更密实。一方面，使混凝土早期强度有较大增长，提高了抗拉强度，另一方面，封闭了混凝土中的大量毛细孔，改善了混凝土的孔结构，使混凝土的抗渗得到提高。在混凝土中掺加防渗防裂纤维，其能够迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布极其均匀、彻底，故能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系，是控制混凝土塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的有效手段，对提高抗渗非常有功。
综上所述，相比以前的管段主体用混凝土配合比，本发明的管段主体用混凝土配合比中添加了磨细矿粉，进一步降低了水的用量及水泥用量，这些措施有效的降低了管段主体混凝土的水化热，满足了管段主体混凝土的容重、强度、坍落度设计要求，提高了的管段主体混凝土的抗裂性能、抗渗性能。相比以前的管段后浇带用混凝土配比，本专利的管段后浇带用混凝土配合比中添加了磨细矿粉、膨胀剂及防渗防裂纤维，没有使用粉煤灰，水的用量及水泥用量也有所降低，同时配制出的管段后浇带混凝土强度较管段主体混凝土强度提高一个等级。这些措施满足了管段后浇带用混凝土的容重、强度、坍落度设计要求，提高了的管段后浇带用混凝土的抗裂性能、抗渗性能。
由以上论述可知，由本发明制作的管段用混凝土不仅能够满足管段混凝土设计容重、强度等级要求，而且具有良好的防渗性能、抗裂性能。使用的主要配料为常见的砂、石子、水泥、矿粉和粉煤灰。虽然使用了特殊材料(高效减水剂、膨胀剂及纤维)，但用量比较小，而且这些特殊材料的使用反而降低了水泥用量，总体成本并不太高，具有良好的经济性。
实施例1
1.管段主体混凝土质量配合比：水7.3％，水泥10.5％，粉煤灰2.1％，矿粉4.9％，砂29.9％，石子44.9％，高效减水剂0.4％。
采用该配合比配置的管段主体混凝土：实测3d强度约23.7MPa，达到技术要求强度的68％；7d强度约34.8MPa，达到技术要求强度的99％；28d强度约53.8MPa，达到技术要求强度的154％。坍落度约120mm，容重约2391kg/m³
2.管段后浇带混凝土质量配合比：水7.50％，水泥13.32％，矿粉3.38％，砂30.23％，石子43.52％，高效减水剂0.44％，纤维0.03％，膨胀剂1.58％
采用该配合比配置的管段后浇带混凝土：实测3d强度约31.8MPa，达到技术要求强度的80％；7d强度约42.8MPa，达到技术要求强度的107％；28d强度约55.6MPa，达到技术要求强度的139％。坍落度约130mm，容重约2388kg/m³
采用该配比制作的沉管管段混凝土，浇筑时和易性良好；容重、强度、坍落度都满足设计要求；且该混凝土管段经实际灌水检测，采用该配比制作的沉管管段混凝土不裂、不渗，满足技术要求。
例2
1.管段主体混凝土质量百分比：水7.3％，水泥10.5％，粉煤灰2.6％，矿粉4.4％，砂29.9％，石子44.9％，高效减水剂0.4％。
采用该配合比配置的管段主体混凝土：实测3d强度约21.8MPa，达到技术要求强度的62％；7d强度约35.9MPa，达到技术要求强度的103％；28d强度约53.5MPa，达到技术要求强度的153％。坍落度约130mm，容重约2389kg/m³
2.管段后浇带混凝土质量百分比：水7.50％，水泥13.41％，矿粉3.41％，砂30.23％，石子43.52％，高效减水剂0.44％，纤维0.03％，膨胀剂1.46％
采用该配合比配置的管段后浇带混凝土：实测3d强度约32.5MPa，达到技术要求强度的81％；7d强度约41.4MPa，达到技术要求强度的104％；28d强度约55.7MPa，达到技术要求强度的139％。坍落度约135mm，容重约2390kg/m³
采用该配比制作的沉管管段混凝土，浇筑时和易性良好；容重、强度、坍落度都满足设计要求；且该混凝土管段经实际灌水检测，采用该配比制作的沉管管段混凝土不裂、不渗，满足技术要求。
例3
1.管段主体混凝土质量百分比：水7.3％，水泥10.5％，粉煤灰3.2％，矿粉3.8％，砂29.9％，石子44.9％，高效减水剂0.4％。
采用该配合比配置的管段主体混凝土：实测3d强度约23.5MPa，达到技术要求强度的67％；7d强度约34.5MPa，达到技术要求强度的99％；28d强度约52.1MPa，达到技术要求强度的149％。坍落度约135mm，容重约2395kg/m³
2.管段后浇带混凝土质量百分比：水7.50％，水泥13.22％，矿粉3.36％，砂30.23％，石子43.52％，高效减水剂0.44％，纤维0.03％，膨胀剂1.70％
采用该配合比配置的管段后浇带混凝土：实测3d强度约30.4MPa，达到技术要求强度的76％；7d强度约41.2MPa，达到技术要求强度的103％；28d强度约54.1MPa，达到技术要求强度的135％。坍落度约135mm，容重约2391kg/m³
采用该配比制作的沉管管段混凝土，浇筑时和易性良好；容重、强度、坍落度都满足设计要求；且该混凝土管段经实际灌水检测，采用该配比制作的沉管管段混凝土不裂、不渗，满足技术要求。
例4
1.管段主体混凝土质量百分比：水7.3％，水泥10.5％，粉煤灰3.5％，矿粉3.5％，砂29.9％，石子44.9％，高效减水剂0.4％。
采用该配合比配置的管段主体混凝土：实测3d强度约29.9MPa，达到技术要求强度的85％；7d强度约33.5MPa，达到技术要求强度的105％；28d强度约51.4MPa，达到技术要求强度的141％。坍落度约140mm，容重约2395kg/m³
2.管段后浇带混凝土质量百分比：水7.50％，水泥13.12％，矿粉3.33％，砂30.23％，石子43.52％，高效减水剂0.44％，纤维0.03％，膨胀剂1.83％
采用该配合比配置的管段后浇带混凝土：实测3d强度约30.9MPa，达到技术要求强度的77％；7d强度约41.6MPa，达到技术要求强度的104％；28d强度约54.6MPa，达到技术要求强度的136％。坍落度约140mm，容重约2393kg/m³
采用该配比制作的沉管管段混凝土，浇筑时和易性良好；容重、强度、坍落度都满足设计要求；且该混凝土管段经实际灌水检测，采用该配比制作的沉管管段混凝土不裂、不渗，满足技术要求。