■建筑材料 福建建设科技２０１４．Ｎｏ．５ 地铁盾构管片的配合比设计和性能研究 夏海斌（福州市建筑工程检测中心有限公司 福建福州［摘３５０００５） 要］ 文章通过正交试验设计，探讨了水胶比、粉煤灰掺量、矿粉掺量及外加剂掺量对高性能混凝土耐久性的影响，得 出了理论配合比。该配合比在保证混凝土性能的基础上，大量使用了掺合料，降低了水泥用量，从而降低了整个工程造价。 ［关键词］ 盾构管片；高性能混凝土；配合比 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍｉｘ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ Ｓｕｂｗａｙ Ｓｈｉｅｌｄ Ｓｅｇｍｅｎｔ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｌｏｒｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｂｉｎｄｅｒ ｒａｔｉｏ，ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｌｆｙ ａｓｈ，ｓｌａｇ ａｄｍｉｘｔｕｒｅ ａｎｄ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｏｎ ｔｈｅ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｉｘ ｐｒｏｐｏａｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒ— ｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｔｈｅ ｍｉｘ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｃｏｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｈｉｅｌｄ ｓｅｇｍｅｎｔ；ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｍｉｘ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ 近年来我国地铁建设规模不断扩大，各大城市地铁建设 项目竞相开工，地铁修建技术也得到了不断的发展。其中盾 构法由于具有经济安全、对地面自然条件和建筑物依赖小、施 ０１６％，总碱量０．７６％； １．２设备 （１）ＴＹＡ一２０００压力试验机； 工工期较短等优点，已成为目前我国地铁隧道工程的一种主 要施工方法…。在地铁盾构隧道施工中，管片作为结构衬砌 主体，对整个地铁隧道的质量和寿命起着关键作用。高性能 地铁混凝土管片要求混凝土拌合物具有施工需要的和易性， 满足硬化后的强度等级指标，同时具有优良的耐久性和经济 性。福州地铁１＃线预制管片混凝土的配制要求：坍落度３０— ５０ｍｍ；最低混凝土强度等级为Ｃ５５；混凝土的碱含量≤３． ０ｋｇ／ｍ ；混凝土中氯离子含量≤０．１％；５６ｄ电通量≤１０００ （ｃ）；５６ｄ非稳态氯离子扩散系数≤３．０×１０ （Ｉｌｌ ／ｓ）。本 （２）ＣＡ一３混凝土直读式含气量测定仪 （３）ＮＪ—ＤＴＬ一９电通量测定仪； （４）ＮＪ—ＲＣＭ氯离子扩散系数测定仪； （５）ＦＰ６４１０火焰光度计； １．３设计依据 ＪＧＪ ５５—２０１１《普通混凝土配合比设计规程》，ＧＢ／Ｔ ５０４７６—２００８《混凝土结构耐久性设计规范》，ＧＢ／Ｔ ５００８２— ２００９（普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，ＣＣＥＳ ０１—２００４（混凝土结构耐久性设计与施工指南》。 １．４设计原则 文在借鉴以往类似工程的混凝土配合比设计和生产经验的基 础上，结合福州地区气候情况和市场上的原料情况，通过探讨 水胶比、粉煤灰掺量、矿粉掺量及外加剂掺量对高性能混凝土 耐久性的影响，对管片配合比进行优化，配制出Ｃ５５Ｐ１０高性 能混凝土 。 １试验原料、设备和依据 １．１试验原料 （１）耐久性设计的技术路线应根据预先确定的钢筋混凝 土结构耐久性设计要求的环境类别和环境作用等级采取相应 的根本措施和附加措施； （２）采用合理的结构构造，便于施工、检查和维护，减少 环境因素对结构的不利影响； （３）对钢筋混泥土施工过程的质量控制提出要求； ２优化配合比 ２．１正交试验设计 （１）水泥：福州炼石Ｐ・Ｉ４２．５水泥，比表面积３４５ｍ２／ｋｇ； （２）粗骨料：５—２５连续级配碎石，含泥量０．４％，泥块含 量Ｏ％； （３）细骨料：颗粒级配在Ⅱ区中砂，细度模数２．８，含泥量 １．４％，泥块含量０．２％； 此次试验将水胶比、粉煤灰掺量、矿粉掺量及外加剂掺量 作为影响盾构管片２８ｄ强度的主要因素，每个因素有三个水 平，各因素水平见表１。 表１因素和水平 水平 １ ２ ３ （４）粉煤灰：福州开发区华能实业有限公司，Ｆ类Ⅱ级，细 度（０．０４５ｍｍ筛余）２１．２％； （５）矿粉￥９５：福建中联建材微粉有限公司，比表面积４６２ ｍ ／ｋｇ，； 水胶比 Ｏ．２６ Ｏ．２９ Ｏ．３２ 因素 粉煤灰掺量 矿粉掺量 外加剂掺量 （％） （％） （％） ５ １０ １５ １０ １５ ２０ Ｏ．８ Ｏ．９ １．０ （６）减水剂；福建建工建材科技开发有限公司，Ｔｗ—ＰＳ 高效减水剂，推荐掺量为（０．８—１．０）％，氯离子含量０． 作者简介：夏海斌，１９８３．０２，男，硕士研究生，工程师，建材检测。 ２．１．１直观分析表 利用正交试验，探索混凝土管片中水胶比、粉煤灰掺量、 福建建设科技２０１４．Ｎｏ．５ ■建筑材料 矿粉掺量和外加剂掺量对盾构管片混凝土含气量和２８ｄ抗压 强度的影响（见表２），从而优化盾构混凝土管片的配合 比 。 表２试验方案及结果分析 试验 粉煤灰掺 矿粉掺量 外加剂掺 含气量 ２８ｄ抗 编号 水胶比 量（％） （％） 量（％） （％） 压强度 （ＭＰａ） １ Ｏ．２６ ５ ｌＯ ０．８ ２．３ ７２．２ ０．２６ １Ｏ １５ ０．９ ２．５ ７９．５ Ｏ．２６ ｌ５ ２０ １．０ ２．８ ７５．８ ４ ０．２９ ５ １５ １．Ｏ ２．７ ７０．１ Ｏ．２９ １Ｏ ２Ｏ Ｏ．８ ２．６ ６７．４ ６ ０．２９ １５ １０ ０．９ ２．５ ７３．９ Ｏ．３２ ５ ２Ｏ ０．９ ２．３ ６２．３ ８ Ｏ．３２ １０ １０ １．０ ２．６ ５９．２ ９ Ｏ．３２ ｌ５ １５ ０．８ ２．２ ５７．５ 含气量 ０极差 ．２３３ ０．１３４ Ｏ．１００ ０．３３３ 抗压强 １６度极差 ．１６６ ０．８６７ ０．６００ ６．２ｏｏ ２．１．２效应曲线图 效应曲线图就是根据直观分析表的结果，以因素水平为 横坐标，以试验结果平均值为纵坐标，将同一因素下不同水平 的实验结果平均值用折线连接作出当前的因素与指标趋势 图。图１至图８为各因素对混凝土２８ｄ抗压强度和含气量的 影响，从图中可知，水胶比和外加剂掺量是影响混凝土２８ｄ抗 压强度的主要因素，其中外加剂掺量还是影响含气量的主要 因素。 图１水胶比对强度的影响 图２粉煤灰掺■对强度的影响 图３矿粉掺量对强度的影响 图４外加剂掺■对强度的影响 图５水胶比对含气量的影响 图６粉煤灰掺量对含气量的影晌 ■建筑材料 福建建设科技２０１４．Ｎｏ．５ ４７ 图７矿粉掺量对含气量的影响 图８外加剂掺■对含气量的影响 ２．２结果分析 本文主要采用极差分析对正交试验的结果进行分析。 即极差越大，说明该因素越主要，反之越次要。四个因素对 混凝土含气量的影响大小为：外加剂掺量＞水胶比＞粉煤 灰掺量＞矿粉掺量；这主要是因为聚羧酸外加剂在生产过 程中有掺入引气剂，优质的聚羧酸引气剂在混凝土中能引 量均匀分布，稳定而封闭的微小气泡，提高聚羧酸外加 剂的减小率和混凝土的和易性。外加剂掺人量越大则引入 的引气剂则越大，使得配制出的混凝土含气量也越高。同 时水泥生产过程中加入的助磨剂带有引气效果，同等条件 下水胶比越小，水泥用量则越大，同样会使得拌制混泥土含 气量偏高 Ｊ。 四个因素对２８ｄ抗压强度的影响大小为：水胶比＞外加 剂掺量＞粉煤灰掺量＞矿粉掺量。这主要因为水胶比的大小 关系到水泥用量的多少，从而直接影响了混凝土的强度。外 加剂的作用主要有增加水化效率，减少单位用水量，增加强 度，减少水泥等，所用外加剂的掺量也直接影响了混凝土强 度。 从表３可得２样、３＃、５＃、６＃试验均可配制出符合设计要 求的管片，综合考虑管片生产的经济性、可行性，在保证混 凝土各项指标满足盾构管片要求的情况下，选取较大的水 灰比，适当增加掺合料的掺人量，从而降低水泥用量。不仅 可以降低水泥早期的水化热、减小管片后期的尺寸收缩，并 利用掺合料对混凝土孔结构的改善以提高其抗渗性，提高 强度以及降低氯离子扩散系数和电通量，而且可以降低工 程造价。 表３设计要求和实验结果对比 、 ＼ ２８ｄ抗压强度 ５６ｄ非稳态氯 ５６ｄ电通量 试验＼ ＼要求 （ＭＰａ） 离子扩散系数 （ｍ ／ｓ） （Ｃ） 编号＼ 、 ≥６４．９ ≤３０×１０—１２ ≤１Ｏ００ ．１ ７２．２ ３．３×１０—１２ １０８０ ２ ７９．５ ２．６×１０—１２ ９１０ ３ ７５．８ ’ ２．２×１０一 ２ ７５０ ４ ７０．１ ３．１×１０—１２ １０１０ ５ ６７．４ ２．３×１０—１２ ８００ ６ ７３．９ ２．８×１０—１２ ８３０ ７ ６２．３ ２．７×１０—１２ ９５０ ８ ５９．２ ２．７×１０一ｌ ９４０ ９ ５７．５ ２．５×１０—１２ ８８０ 最终选取５＃试验的配合比为最佳配合比，具体配合比和 试验结果如下表： 表４优化的配合比和混凝土性能抗渗性及氯离子含量 ５６ｄ非 水 粉 矿 外 ２８ｄ抗 稳态氯 ５６ｄ电 碱含量 水 泥 砂 石 煤 灰 粉 加 压强度 离子扩 通量 剂 （ＭＰ（ｋａ） 散系数 （Ｃ） ｇ／ｍ３） （ｍ２／ｓ） １４０ ３３８ ６９３ １０８４ ４８．３ ９６．６ ３．８６ ６７．４ ２．３ ８００ ２．２ ３结语 通过正交试验设计在优化盾构混凝土配合比中的应用， 探讨了了水胶比、粉煤灰掺量、矿粉掺量及外加剂掺量四个因 素对盾构管片混凝土２８ｄ强度和含气量的影响。四个因素对 混凝土含气量的影响大小为：外加剂掺量＞水胶比＞粉煤灰 掺量＞矿粉掺量，四个因素对２８ｄ抗压强度的影响大小为：水 胶比＞外加剂掺量＞粉煤灰掺量＞矿粉掺量。通过对正交试 验中各试验的抗压强度、氯离子扩散系数和电通量的比较，选 取出满足设计要求且经济可行的盾构混凝土配合比，目前用 该配合比生产的预制盾构管片已在福州地铁１＃线南标段累 计使用超过１００００环，管片外观圆滑平整，气泡少，无缺棱掉 角现象，经过现场拼装质量完全达到设计要求，得到上级管理 部门、业主、监理单位的一致好评，产生了显著的社会效益和 经济效益。 参考文献 ［１］谈永泉，杨鼎宜，俞峰，许晓东．我国预制混凝土衬砌管片生产技 术及标准现状［Ｊ］．混凝土与水泥制品，２０１１，（２）：２５—３Ｏ． ［２］喻振贤，李汇，管品武，郑娟荣等．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，（１）：３２—３５． ［３］，王伟，赵建明．正交试验设计在预制管片蒸汽养护中的应用 ［Ｊ］．山西建筑，２０１１，３７（８）：９６—９７． ［４］姜俊，王晓栋，孔德玉等．大直径混凝土管片气泡的防治研究 ［Ｊ］．山混凝土与水泥制品，２０１０，（３）：３２—３４． ［５］王，王玉策．聚羧酸减水剂在管片混凝土中应用研究［Ｊ］．商 品混凝土，２０１１，（９）：６３—６５． ［６］黄修林，丁庆军，宋晓波，孙华．港珠澳大桥Ｃ６０桥面板混凝土配 合比设计与性能［Ｊ］．混凝土，２０１３，（４）：１０８—１１１．
