红谷隧道沉管后浇带混凝土制备

李社伟，梁云飞，陈豫霆，李军平

（1.中铁隧道集团二处有限公司南昌市红谷隧道工程施工项目经理部中心试验室，江西 南昌 330209；2.北京市成城交大建材有限公司，北京 101105）

红谷隧道沉管后浇带混凝土制备

李社伟1，梁云飞1，陈豫霆1，李军平2

（1.中铁隧道集团二处有限公司南昌市红谷隧道工程施工项目经理部中心试验室，江西 南昌 330209；2.北京市成城交大建材有限公司，北京 101105）

针对沉管结构服役条件的特殊性，对沉管后浇带混凝土的工作性能、力学性能、抗渗性能、耐久性能还有抗裂性能进行系统研究，配制适用于红谷隧道沉管后浇带施工的高性能混凝土，实现沉管高性能混凝土的性能均衡发展。

补偿收缩混凝土；后浇带；温度-应力；沉管法

0 前言

红谷隧道位于南昌市，在南昌大桥与八一大桥之间，采用沉管法施工，全长 1305m，分为 12 节管段。管节长度在 90～115m，横断面尺寸为 30.0m×8.3m，底板、顶板和侧墙厚度在 1.0～1.20m。结构超长超厚，温度应力、干燥收缩较大，极易引起开裂[1]。为降低开裂风险，保证隧道不渗不漏，管节设置后浇带[2-3]。后浇带混凝土强度等级为 C45，抗渗性 P10，限制膨胀率在水中 14d≥0.025%，设计容重(2360～2390)kg/m3，混凝土 56d 电通量 ≤1000C。通过优选原材料，综合评价混凝土的流动性、硬化混凝土的力学性能、限制膨胀率和耐久性能，制备出性能符合要求的沉管后浇带施工的补偿收缩混凝土。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥：江西赣江海螺水泥股份有限公司生产的 P·O 42.5普通硅酸盐水泥，物理性能见表 1。

表1 水泥性能

粉煤灰：江西益材粉煤灰开发有限公司生产的 Ⅰ 级粉煤灰，物理性能见表 2。

表2 粉煤灰性能

膨胀剂：北京成城交大建材有限公司生产的 CC-12 高性能膨胀剂，性能见表 3。

表3 膨胀剂性能指标

砂：赣江河砂，中砂，含泥量 0.8%。

石：高安碎石，小石 5～10mm，大石10～25mm

减水剂：北京成城交大建材有限公司生产的 CC-AI 缓凝型聚羧酸系高性能减水剂，固含量 25%，减水率 39%。

1.2 试验方法

按配合比称取原材料搅拌，测试新拌混凝土工作性，成型试验，脱模后养护至相应龄期进行抗压强度、耐久性、限制膨胀率和温度应力测试，混凝土编号及配合比见表 4。

表4 混凝土配合比 kg/m3

新拌混凝土性能测试，参照 GB 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，主要测试新拌混凝土的坍落度、坍落度损失、容重、凝结时间等参数。

抗压强度测试，参照 GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，分别测定混凝土的 3d、7d、28d抗压强度。

耐久性能测试，依据 GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，测定混凝土 28d 抗水渗透系数和 56d 电通量。

限制膨胀率测试，依据 GB 23439-2009《混凝土膨胀剂》进行，测试混凝土限制膨胀率。

温度应力试验，采用混凝土温度应力试验机评价混凝土的开裂敏感性，试件总长度 1950mm，有效长度 1500mm，截面150mm×150mm，见图 1。两侧配有温控模板，根据试验需要，模板内循环介质可以对试件环境温度进行跟踪或控制，从而保证混凝土环境温度与中心温度相同。当试件的收缩或膨胀位移超过设定阀值（如 0.8μm），计算机系统就开始控制电机工作拉伸或压缩，使其恢复到原有长度（根据约束度不同，恢复长度可调），此时荷载及位移传感器实时记录试件内应力和位移，系统反复进行如此循环，直至混凝土试件断裂。

图1 混凝土温度应力试验机

2 结果与分析

2.1 新拌混凝土工作性能

后浇带新拌混凝土工作性能测试结果见表 5。

表5 新拌混凝土工作性能

考虑后浇带混凝土的可施工性及力学性能、耐久性能要求，混凝土坍落度设计为 (180±20)mm。由表 5 可知，三种配合比新拌混凝土出搅拌机时坍落度为 190～200mm，拌合物和易性好，容重在 (2360～2380)kg/m3，均满足设计要求。

三组配比中 3# 混凝土水胶比最低，对混凝土长期性能有好处。此外，3# 混凝土的初凝时间为 8.5h，终凝时间为11.0h，满足现场施工时间要求，综合新拌混凝土各项性能，3# 混凝土配合比最适合。3# 混凝土拌合物出机状态见图 2。

图2 3# 混凝土拌合物出机状态

2.2 混凝土的力学性能

后浇带混凝土抗压强度试验结果见表 6。

表6 混凝土抗压强度 MPa

由表 6 试验结果可知，1#、2# 混凝土强度发展规律基本一致，3d、7d 和 14d 分别为 28d 抗压强度的 64%、82% 和89%。3# 混凝土强度发展略低，发展规律分别为 61%、78%和 84%。1#、2# 混凝土 28d 强度也基本一致，3#混凝土的强度最高，达到 56.4MPa。

沉管后浇带强度等级为 C45，标准差 σ 取 5.0，则混凝土的配制强度不应小于 53.2MPa。因此，只有 3# 混凝土满足强度性能要求。各配合比强度不是太高，与本工程所用水泥也相关，因为赣江海螺水泥的 28d 抗压强度仅为 44.0MPa，说明其强度富余系数较低。

2.3 混凝土的膨胀性能

后浇带混凝土膨胀性能是决定后浇带施工缝是否会漏水的关键因素[4]，沉管后浇带混凝土水中养护 14d 膨胀率应不小于 0.025%，并满足 GB 50119-2003《混凝土外加剂应用技术规范》的相关规定。各组混凝土限制膨胀率试验结果见表 7。

表7 沉管后浇带混凝土限制膨胀率测试结果 %

由表 7 结果可知，各配合比混凝土 14d 水中膨胀率为0.038%～0.042%，14d 后取出放入湿度为 (60±5)% 的干缩室养护至 42d（空气中 28d）后，混凝土的限制膨胀率为0.015%～0.022%，说明混凝土产生了有效膨胀，并且有一定的膨胀能储存在混凝土之中，并且限制膨胀率均满足设计要求。

2.4 混凝土的耐久性能

后浇带混凝土耐久性能以电通量测试方法表征，其测试结果见表 8。

表8 后浇带混凝土 56d 电通量测试结果 C

表 8 测试结果表明，各配合比混凝土的 56d 电通量分别为 895C、814C 和 732C，达到了预定的低于 1000C 的目标，说明混凝土均具有较好的耐久性。

2.5 混凝土抗渗性能

混凝土试件标准养护 28d 后，进行混凝土抗渗性能试验。压力从 0.1MPa 加至 1.5MPa，每隔 8 个小时自动加压0.1MPa，中间观察试件是否有漏水。

当压力加至 1.5MPa 时，各试件均未被水穿透，各配比混凝土抗渗性均达到 P14，满足设计要求。试验结束后，将圆柱体试件劈开，测量渗水高度，各试件渗水高度为 2～3cm，表明混凝土试件抗渗性能非常好。

2.6 温度应力试验

由于无法准确获知现场环境及工况要求，故选择最严酷的试验模式——100% 约束下的近似绝热温升模式，即模板内循环介质温度与混凝土中心温度差控制在 ±0.3℃，达到近似绝热状态，混凝土温度达到最高温度后保持 48h，然后以2℃/h 的速率降温，直至试件断裂。选用 3# 配合比混凝土、沉管主体混凝土同时进行温度应力试验，混凝土配合比见表9。

表9 温度应力试验混凝土配合比 kg/m3

混凝土温度应力试验得到的温度历程和应力发展情况见图 3。

图3 混凝土温度和应力发展趋势对比

图 3(a) 可以看出，对比样 C40 主体混凝土性能的变化：T1 时刻为试验开始，混凝土制备并浇注入模，并开始水化放热，温度开始上升，在此过程中混凝土由粘塑性到粘弹性发展，弹模开始增加，由于粘塑性混凝土的线膨胀系数较大，水化放热引起体积膨胀，并在约束条件下开始产生压应力，但是由于塑性阶段的徐变较大，在温峰到来之前的 T2 时刻已经开始产生应力松弛；在恒温的 T3 到 T4 时刻，压应力仍然在持续减小，此时的形变应为徐变和弹性形变的综合效果； T4 时刻开始降温，此时弹性形变减小，压应力逐渐变为拉应力；在 T5 时刻试件降温达零摄氏度，此时拉应力约为2.5MPa 但试件仍未断裂，证明该混凝土能够较好适应温度的变化，将试件强制拉断得到开裂应力 3.57MPa。

由图 3(b) 可以看出，沉管后浇带 C45 混凝土的温度和应力发展情况与对比样 C40 主体混凝土有较大区别：C45 混凝土的温度上升较剧烈，且温升值较高，这与该配合比矿物掺合料较少、水灰比较低、强度等级较高的实际情况相符；对比温峰阶段的应力发展情况，可发现 C45 混凝土的压应力不但没有随着水化反应减小，反而在降温之前有一定的增加；降温阶段应力迅速变化，从压应力逐渐减小进而转化为拉应力，并于降温至 9.8℃ 时断裂。

温度应力试验参数汇总见表 10。通过抗裂安全系数 Kf与应力储备值评价两个混凝土配合比的抗裂性能，其中，各配合比抗裂安全系数值 Kf分别为 4.89 和 2.43，远大于国家标准要求的 1.15；应力储备分别为 79.5% 和 58.8%，均大于13%。因此，混凝土温度应力试验证明，3# 配合比的 C45 后浇带混凝土抵抗温度应力的性能较好，在实体混凝土结构中因温度应力导致开裂的可能性较低。

表10 温度应力试验各参数

2.7 有害物含量验算

3# 配合比沉管后浇带混凝土拌合物中碱含量、Cl-含量、SO3含量验算见表 11。

表11 混凝土拌合物有害物含量验算 kg/m3

由表 11 可以看出，混凝土拌合物中的碱含量为2.95kg/m3，Cl-含量为 0.06%（占胶凝材料质量比），SO3含量为 2.42%（占胶凝材料质量比），均小于设计规定的限值。

综合考虑新拌混凝土工作性、硬化混凝土的性能，3# 配合比混凝土的各项性能均满足沉管后浇带补偿收缩混凝土的性能要求和施工要求。

3 结论

通过对沉管后浇带混凝土的工作性能、力学性能、抗渗性能、耐久性能和抗裂性能进行系统研究，配制适用于红谷隧道沉管后浇带施工的高性能混凝土，对提高沉管隧道的工程质量和服役寿命具有重要的意义。

[1] 刘行，许晓华，熊建波．沉管隧道管段混凝土裂缝控制技术[J]．施工技术，2013,42(3)：75-77.

[2] 张易谦，杨国祥，李侃．大型沉管隧道混凝土裂缝控制技术[J]．中国市政工程，2003,2：18-21+24.

[3] 朱家祥，陈彬，刘千伟，等．上海外环沉管隧道关键施工技术概述[J]．岩土工程界，2003, 8：2-5.

[4] 游宝坤，赵顺增，刘立，等．补偿收缩混凝土的结构设计[J]．膨胀剂与膨胀混凝土，2009,1：65-70.

［通讯地址］江西省南昌市南昌县东新乡大洲村中铁隧道集团南昌市红谷隧道工程中心试验室（523518）

Preparation of post-pouring concrete for immersed tube tunnel

Li Shewei1, Liang Yunfei1, Chen Yuting1, Li Junping2
(1. China Railway Tunnel Group Co., Ltd. Nanchang two Red Valley Tunnel Construction Project Management Department Central Laboratory, Nanchang 330209; 2. Beijing into the City Building Materials Co., National Chiao Tung University, Beijing 101105)

In view of the specialty of immersed tube structure service condition, systematical research on workability, mechanical property, and anti-cracking ability of post-pouring joint concrete were carried out. High performance concrete was finally prepared which is suitable for immersed tube tunnel construction.

shrinkage-compensating concrete; post-pouring joint; temperature-stress; expansive agent; immersed tube

李社伟（1972-），男，工程师。