超保坍混凝土在軌道交通工程中應(yīng)用

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引言

隨著北京市城市建設(shè)的不斷擴(kuò)張，交通流量居高不下，為了緩解地上車輛和人流的壓力，政府部門大力發(fā)展軌道交通建設(shè)。北京市城區(qū)內(nèi)地鐵工程的車站和隧道大多采用地下暗挖的施工工藝，有些區(qū)域條件允許下也采用地平開(kāi)挖的方式施工。當(dāng)施工場(chǎng)地的使用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于結(jié)構(gòu)施工工期時(shí)，則采用蓋挖逆向法的施工工藝，該工藝對(duì)混凝土在長(zhǎng)時(shí)間下的工作性能要求比其他工藝對(duì)混凝土的要求更高。常規(guī)混凝土的2h坍落度損失小于20mm，初凝時(shí)間8～10h，終凝時(shí)間10～12h，目前國(guó)內(nèi)研究中混凝土的凝結(jié)時(shí)間可以延長(zhǎng)至30h以上，但很少能使混凝土坍落度延長(zhǎng)至18h以上。本文研究強(qiáng)度等級(jí)C40的超保坍混凝土，試驗(yàn)證明，該超保坍混凝土18h后不需要二次攪拌，坍落度180mm以上，擴(kuò)展度350～450mm，初凝時(shí)間30～32h，終凝時(shí)間33～35h，在實(shí)際工程中得到了很好的應(yīng)用，為以后軌道交通建設(shè)中混凝土的應(yīng)用提供了一定參考。

1影響混凝土保坍性能的因素

（1）水泥水化速度?；炷林兴嗟挠昧吭酱笃渌艧崴俣染驮娇欤瑢?duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間和坍落度保持的影響也就越大，為此在混凝土中摻入大量?jī)?yōu)質(zhì)的粉煤灰，有利于降低膠凝材料的需水量，同時(shí)用粉煤灰取代部分水泥可延緩水泥的水化速度，有效控制混凝土的水化溫升，粉煤灰的摻入可改善混凝土的粘稠度，提升混凝土的工作性能。（2）混凝土中的含氣量。外加劑中引氣組份可以在新拌混凝土?xí)r引入一定數(shù)量氣泡，氣泡存在于水泥漿體中，水膠比越低水泥漿體越黏稠，氣泡逸出越困難，由此引起的坍落度損失較小。 （3）外加劑的選擇。聚羧酸復(fù)合型高效減水劑應(yīng)具有減水、緩凝、降低坍落度損失、引氣等作用，其中緩凝組份在水泥顆?；蚱渌锉砻娴奈揭鹚嗨泳?，延長(zhǎng)了混凝土凝結(jié)時(shí)間，降低混凝土的坍落度損失，同時(shí)緩凝組份也具有減水作用。

2超保坍混凝土的研究技術(shù)路線

（1）混凝土的出機(jī)狀態(tài)按照自密實(shí)混凝土狀態(tài)控制，坍落度大于220mm，擴(kuò)展度大于600mm，混凝土具有良好的和易性和包裹性。（2）通過(guò)調(diào)整混凝土中聚羧酸外加劑的引氣、緩凝、保持坍落度等組份，實(shí)現(xiàn)混凝土在長(zhǎng)時(shí)間靜停下仍然具有良好的工作性能。（3）混凝土配合比采用低水膠比和大摻量礦物摻合料的思路，在保證強(qiáng)度的同時(shí)降低膠凝材料水泥用量，延緩水化放熱速度。

3原材料及混凝土配合比

水泥：北京金隅琉璃河水泥有限公司，P·O 42.5水泥，比表面積345m2/kg，堿含量0.54%，28d抗壓強(qiáng)度53.5MPa。粉煤灰：秦皇島熱力發(fā)電廠，F(xiàn)類Ⅰ級(jí)，細(xì)度10%，需水量比93%，燒失量1.8%，游離氧化鈣含量0.2%。礦粉：三河興達(dá)建材有限公司，S95級(jí)，比表面積441m2/kg，7d活性指數(shù)80%，28d活性指數(shù)102%。砂：北京榆構(gòu)砂石有限公司，II區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.5，含泥量2.0%，泥塊含量0.5%，含水率≤8.0%。石：北京榆構(gòu)砂石有限公司，5～25mm碎石，含泥量0.5%，泥塊含量≤0.2%，含水率≤1.0%，壓碎指標(biāo)4.3%，針片狀含量≤5%。聚羧酸減水劑：河北合眾建材有限公司，減水率28%，含氣量3.5%，初凝時(shí)間34h，終凝時(shí)間36h，混凝土坍落度損失≤20mm（以C40混凝土配合比為基準(zhǔn)）。本研究選用C40混凝土，水灰比0.37，砂率42%，具體配合比見(jiàn)表1。

4混凝土相關(guān)試驗(yàn)

4.1外加劑的選擇

外加劑中保坍組份和緩凝組份的配置需要通過(guò)試驗(yàn)確定，緩凝或保坍組份過(guò)多或過(guò)少都會(huì)造成混凝土的工作性能、凝結(jié)時(shí)間不能滿足要求，考慮到實(shí)際施工環(huán)境的復(fù)雜，混凝土拌合后要觀察20h后的保坍情況，試驗(yàn)選擇三種不同配方的緩凝保坍型減水劑Y1、Y2、Y3，混凝土的和易性見(jiàn)表2。由表2可知，三種外加劑中，Y3的坍落度滿足要求，混凝土和易性良好，觸變性正常，凝結(jié)時(shí)間滿足施工技術(shù)要求。

4.2混凝土的水化熱

在混凝土中添加超保坍減水劑，保證混凝土20h后具有一定的凝結(jié)時(shí)間、坍落度和良好的流動(dòng)性、包裹性。但配合比中的水泥用量對(duì)外加劑的保坍性能、凝結(jié)時(shí)間、水化放熱速度有一定影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩組配合比進(jìn)行（見(jiàn)表3）。圖1為水泥的水化放熱速度。由表3可知，添加同種外加劑Y3，改變水泥用量，當(dāng)水泥用量較小時(shí)，初凝時(shí)間較長(zhǎng)。由圖1可知，采用大摻量礦物摻合料的配合比，混凝土拌合物的水化速度得到明顯的延長(zhǎng)。

4.3不同季節(jié)超保坍混凝土模擬試驗(yàn)

冬季地下恒溫：在地上挖一個(gè)和樁孔尺寸相近的坑（直徑2m），生產(chǎn)6m超保坍混凝土灌注到樁孔內(nèi)，環(huán)境溫度-1～7℃，20h后在坑內(nèi)取樣檢測(cè)混凝土和易性，結(jié)果見(jiàn)表4。夏季高溫環(huán)境：9月份在室外支3m×2m×1m的模具，生產(chǎn)6m3超保坍混凝土灌注到模具中，環(huán)境溫度20℃～30℃，18h后在模具內(nèi)取樣檢測(cè)混凝土和易性，結(jié)果見(jiàn)表5。由表4和表5可知，通過(guò)采用大摻量礦物摻合料和摻加緩凝保坍型減水劑的混凝土拌合物無(wú)論是在冬季或是夏季靜停18h都依然具有良好的工作性能。

4.4混凝土強(qiáng)度

對(duì)表3配合比的混凝土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室7d、28d、56d抗壓強(qiáng)度的測(cè)試，組別2增加一次生產(chǎn)模擬中的抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，組別2實(shí)驗(yàn)室混凝土的早期強(qiáng)度（7d）僅達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的83%，28d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度138%，56d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的176%且還在持續(xù)增長(zhǎng)。緩凝保坍型減水劑對(duì)早期強(qiáng)度還是有些影響，但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)正常。

4.5超保坍混凝土質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）攪拌站設(shè)置專用機(jī)組對(duì)超保坍混凝土的材料進(jìn)行單獨(dú)儲(chǔ)存和生產(chǎn)；（2）嚴(yán)格控制原材料進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量，對(duì)粉料、砂子和外加劑進(jìn)行車檢，外加劑進(jìn)場(chǎng)時(shí)需要進(jìn)行與水泥的適應(yīng)性試驗(yàn)，滿足要求方可打入倉(cāng)內(nèi)；（3）混凝土生產(chǎn)中安排質(zhì)量控制人員對(duì)每盤混凝土狀態(tài)進(jìn)行全程監(jiān)控，當(dāng)混凝土拌合物發(fā)生波動(dòng)時(shí)及時(shí)對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)整，保證本車混凝土拌合物質(zhì)量滿足要求；（4）混凝土開(kāi)盤時(shí)對(duì)出機(jī)混凝土拌合物進(jìn)行坍落度、流動(dòng)度、含氣量等測(cè)試，使用體積不小于20L密閉容器儲(chǔ)存混凝土，待20h后查看混凝土拌合物狀態(tài)；（5）運(yùn)輸車輛必須將罐體內(nèi)部清洗干凈并將刷罐水放干凈后方可進(jìn)站裝運(yùn)混凝土，卸載完后對(duì)將罐體內(nèi)部清洗干凈再裝運(yùn)其他混凝土，罐車運(yùn)輸過(guò)程中禁止私自加水或添加外加劑；（6）混凝土生產(chǎn)完成后質(zhì)量控制人員查看罐內(nèi)混凝土拌合物在靜態(tài)下的狀態(tài)，無(wú)分層泌漿，坍落度、和易性滿足要求方可出站；（7）混凝土到場(chǎng)后，施工單位要逐車進(jìn)行混凝土坍落度試驗(yàn)，使用密閉的容器對(duì)每車混凝土進(jìn)行留樣，待鋼管柱施工時(shí)查看混凝土拌合物性能。

5工程應(yīng)用

蓋挖逆向施工法的步驟是：（1）在地面向下做基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和中間的承載樁，通常圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅做到頂板的搭接處，中間的承載樁灌注到結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高處，將預(yù)制好的鋼管柱插入到混凝土內(nèi)2m并固定，待樁基內(nèi)混凝土達(dá)到終凝后對(duì)鋼管柱外的樁基用碎石回填，所有樁-柱施工完成；（2）在地面上開(kāi)挖至主體結(jié)構(gòu)頂板底面標(biāo)高并澆筑形成地下結(jié)構(gòu)的永久頂板或直接為臨時(shí)路面的蓋板，頂板的鋼筋與鋼管柱相連接，此時(shí)鋼管柱為該建筑物的結(jié)構(gòu)支撐柱；（3）后續(xù)工作都是在板頂以下進(jìn)行施工作業(yè)，自地下1層開(kāi)始，按照-1、-2、-3的次序，自上而下逐層開(kāi)挖，每挖一層澆筑本層底板（同時(shí)也是下一層的頂板）和邊墻，逐層建造主體結(jié)構(gòu)直至整體結(jié)構(gòu)的底板澆筑完成。北京地鐵16號(hào)線工程土建施工19合同段，木達(dá)區(qū)間盾構(gòu)接收井（含）～達(dá)宮營(yíng)站（含），1站1區(qū)間，與7號(hào)線達(dá)宮營(yíng)站呈“L”型換乘。車站外掛換乘廳為地下三層埋深26.1m，外掛換乘廳主體采用蓋挖逆作施工。外掛換乘廳中間柱29根，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，中柱基礎(chǔ)樁為鉆孔灌注樁Φ2000mm（如圖2所示），有效樁長(zhǎng)有24m及25m兩種，鉆孔深度分別為28根51.22m與1根59.52m，永久立柱采用直徑900mm壁厚20mm鋼管柱，按柱頂至地面高度約為5m，永久立柱的有效長(zhǎng)度分別為28根24.23m、1根31.53m，鋼管柱（如圖3所示）插入灌注樁連接長(zhǎng)度2m。我公司在2015年10月為其供應(yīng)超保坍混凝土一共2500立方米，混凝土28d強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的130%以上。

6結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)聚羧酸減水劑的減水、緩凝、保坍和引氣等組份調(diào)配，在不同環(huán)境下可有效的控制混凝土的凝結(jié)時(shí)間和坍落度損失。（2）采用低水膠比、大摻量礦物摻合料的技術(shù)路線，使用專用外加劑可使混凝土拌合物的工作性能延長(zhǎng)至20h以上。（3）特種混凝土在試驗(yàn)室研究成功投入實(shí)際工程應(yīng)用前必須進(jìn)行模擬試驗(yàn)；通過(guò)模擬實(shí)際施工的工藝和環(huán)境，驗(yàn)證混凝土是否能滿足工藝要求，制定混凝土質(zhì)量控制的保障方案，確?；炷猎趯?shí)際工程中順利使用。

作者:劉文秀 周向東 張金鵬 張勇 單位:北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 北京榆構(gòu)有限公司