高性能地铁混凝土管片的配合比设计及性能研究

高性能地铁混凝土管片的配合比设计及性能研究

张忍

张忍

天津金隅混凝土有限公司天津300000

摘要：以骨料最紧密堆积理论为理论基础，对高性能地铁混凝土管片的配合比设计原则及计算步骤进行了初步的设计和确定，然后进行试验来使配合比计算中的相关参数得以确定。通过试验研究表明：与具有相同原材料的企业生产的地铁管片混凝土相比，我们提出的高性能地铁混凝土管片中的混凝土具有浆体使用的体积更小，28d抗折强度、劈裂抗拉强度以及抗裂性能更好、耐久性更好、性价比更高等优点。本篇文章从理论计算方面对高性能地铁混凝土管片的配合比及性能方面做出了说明。

关键词：高性能地铁混凝土管片；配合比设计；密度；强度；性能研究

引言：目前全国在建的地铁隧道工程大部分都采用盾构施工法施工，在地铁盾构隧道施工中，管片是盾构法施工的结构衬砌主体，对整个地铁隧道的质量和使用寿命起着关键作用[2]。在地铁盾构混凝土预制管片材料的使用中一般采用C50高强度混凝土，通过钢模对管片进行预制。

地铁盾构混凝土预制管片的混凝土拌合物性质及其养护制度：混凝土拌合物的坍落度控制在（40±20）mm，浇捣结束后进行静置以及蒸汽养护，当混凝土的强度达到20MPa后再从模具中吊出，然后放置在车间进行降温，4h后再吊入水池进行浸泡养护，时间是7d，再进行淋水养护14d，然后进入存放区进行永久保湿。

高性能地铁混凝土管片对混凝土拌合物提出了更高的要求，不仅需其具有成型需要的和易性、满足硬化后的强度等级指标，同时在耐久性、经济性方面对其有了更高的要求。目前地铁盾构混凝土预制管片在生产过程中直接控制的指标是混凝土拌合物和易性以及抗压强度，但对其耐久性和经济性还没有具体的控制指标。下文提出了高性能地铁盾构混凝土预制管片的配合比设计原则，并且结合某管片厂的原材料性质和配合比进行了分析。

一、原材料性质和配合比试验确定方法

1.1原材料

粗骨料：5~25mm石灰石连续骨料，表观密度2760kg/m3，

松散堆积密度1550kg/m3，含泥量0.5%。

细骨料：河砂，颗粒级配在II级级配区，细度模数2.6，

属中砂，表观密度2640kg/m3含泥量1.5%。

水泥：P?O42.5级，密度为3.1g/cm3。

粉煤灰：II级灰，密度为2.3g/m3。

矿渣粉：S95级，密度为2.8g/m3。

外加剂：聚羧酸型高效减水剂，水剂，固含量20%，建

议掺量为1.0%~1.5%。

1.2试验方法

（1）粗骨料性能测试方法：按GB/T14685—2011《建设

用卵石、碎石》进行。

（2）细骨料性能测试方法：按GB/T14686—2011《建设

用砂》进行。

（3）胶凝材料的密度测试方法：按GB/T208—94《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试方法：

按GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标

准》、GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标

准》进行。

二、高性能地铁混凝土管片配合比设计原则

2.1浆体体积用量减小原则

目前由于地铁混凝土管片表面普遍存在龟裂现象，而其将导致管片制品的耐久性降低，从而带来严重的安全隐患。通过大量的调查和研究，我们发现，粗细骨料堆积越密实及空隙率越低，胶凝材料浆体用量越小，混凝土体积就越稳定，而又由于地铁管片是通过振动成型方式生产的，所以当混凝土中胶凝材料浆体较少时，管片表层浆体的厚度将减薄，因此会减少干缩裂缝。

2.2高性能地铁混凝土管片配合比原则

高性能地铁混凝土配合比原则是根据混凝土原材料的性质以及和易性指标要求，首先确定粗细骨料的最大体积的用量，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，通过试验再确定外加剂等的用量。

三、高精度地铁混凝土管片配合比计算步骤

（1）粗骨料用量的确定。先假定1m3混凝土中粗骨料堆积体积的数量，然后根据粗骨料松散堆积密度和表观密度计算出1m3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1m3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算出细骨料的用量。

（3）胶凝材料浆体用量（P）的确定。胶凝材料浆体用量等于1m3减去粗、细骨料实体积，由于水泥水化体积约减少，空气体积可忽略（对于引气型减水剂，按引气量计）。

（4）计算胶凝材料浆体中各组分用量。设1份胶凝材料中掺入粉煤灰量为F份，表观密度为γ，掺磨细矿渣粉量为S份，表观密度为γS，水胶比W/B，水泥用量为C份，

表观密度为γC，水为W份，F+S+C=1，则1份胶凝材料的体积为：

VB=F/γf+S/γS+C/γC+W/γB（1）

则每1L浆体中胶凝材料用量K为：

=1/CF/γf+S/γS+C/γC+W/B）（kg/L）

（2）1m3混凝土中胶凝材料总量=P（kg），因此胶凝

材料浆体中各组分用量为：

水泥=B×C（kg）（3）

粉煤灰=B×F（kg）（4）

磨细矿渣份=B×S（kg）（5）

水=B×W/B（kg）（6）

四、配合比设计中相关参数的试验研究及确定

4.1粗骨料堆积体积的试验研究

有引言我们知高性能地铁混凝土管片的强度等级为C50，混凝土拌合物的坍落度为（40±20）mm，混凝土配合比按下面我们所提出的方法进行计算。

4.1.1前提：设定各原料的用量

先假定细骨料占砂浆体积43%；胶凝材料由70%水泥、20%粉煤灰和10%矿渣组成；根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，C50混凝土，水胶比为0.32~0.34，取水胶比0.32。

4.1.2固定变量法

采用固定变量法研究，1m3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图1（试验确定：外加剂掺量为胶凝材料用量的1.25%）。

由上图我们可以获得两个信息，一是当混凝土配合比中其他参数不变时，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；二是当1m3混凝土中粗骨料的堆积体积为0.81m3时，混凝土拌合物坍落度50mm，满足设计目标值。

4.2细骨料密实体积试验研究

由相应的工程知识我们知道当1m3混凝土中其他配合比参数固定时，细骨料用量的增加将会导致混凝土拌合物坍落度(也即和易性）下降。。由图1可知，取1m3混凝土中粗骨料堆积体积为0.80m3，调整细骨料用量。采用固定变量法研究，1m3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图2（试验确定：外加剂掺量为胶凝材料用量的1.25%）。

图21m3混凝土中细骨料占砂浆体积百分数

由图2我们可以得到两个信息：

4.2.1.当混凝土配合比中其他参数不变时，混凝土拌合物坍落度随细骨料占砂浆体积百分数的增加急剧下降；

4.2.2细骨料占砂浆体积百分数为45%~47%时，混凝土拌合物坍落度满足设计目标值。

因此我们可以得出当1m3混凝土中粗骨料的堆积体积为0.80~0.81m3，细骨料占砂浆体积百分数为43%~47%时，混凝土拌合物坍落度均满足设计目标值。但又根据骨料的致密堆积理论，粗骨料用量应达到最大值，但结合实验结果，当1m3混凝土中粗骨料堆积体积为0.80m3，细骨料占砂浆体积含量为47%为骨料的最致密堆积。

五、结语

通过上述的调查和试验我们得到当采用相同原材料的原地铁管片混凝土相比，按我们试验产生的结果表明生产的地铁管片混凝土具有浆体体积用量更小，28d抗折强度、劈裂抗拉强度以及抗裂性能更好、耐久性更好、性价比更高等优点。

参考文献：

[1]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[J].混凝土与水泥制品；2013-01-20

[2]蔡亚宁；盾构管片的高性能混凝士研究[J].建筑技术,2014-01-32

[3]杨雄利；地铁混凝土管片养护制度的研究[J].铁道建筑,2008-03-38