地铁车站抗渗防水混凝土配合比正交试验研究

郭帅，程桦，崔林钊，段寅，3

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.安徽水利开发股份有限公司，安徽 蚌埠 233010；3.淮南联合大学 建筑工程系，安徽 淮南 232038)

0 引言

随着我国城市化进程的不断加快，城市用地紧张以及路面交通堵塞等问题越来越突出。发展以地下轨道交通为主的大运量快速公共交通系统是解决上述问题的主要途径。地铁由于其不受气候条件的影响和安全快捷的运输特点，已经成为城市公共客运交通网络中的骨干。

地铁车站混凝土结构与地表以下土壤相接触，受地下水及腐蚀介质侵蚀[1-2]，从而引发渗漏危及地铁的正常运营和设备安全[3]，缩短混凝土结构的使用寿命。地铁车站渗漏水治理难，费用高[4-5]。地铁车站属于地下混凝土结构，其抗渗防水遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则[6]，确立钢筋混凝土结构自防水体系，提高混凝土的抗渗防裂性能，减少其内部的界面间隙、连通孔隙[7-8]以及表面裂缝的产生，可有效阻碍地下水渗流和腐蚀介质侵蚀，提高混凝土耐久性以保障其使用寿命。

粉煤灰、矿粉等矿物掺合料具有火山灰效应、微集料效应和微晶核效应[9-11]，通过在混凝土中单掺或复掺粉煤灰、矿粉等矿物掺合料取代水泥用量，可以有效降低混凝土的绝热温升与干缩变形，减少温度裂缝[12-13]；结构缝是地下混凝土工程防水薄弱环节，通过在混凝土中掺加适量膨胀剂，可有效补偿混凝土收缩，延长结构缝的间距，减少自收缩裂缝[14-16]；混凝土中掺入纤维素纤维可有效减少初始裂缝数量，抑制裂缝的宽度和长度，降低电通量、氯离子通量、渗透系数等，显著提高混凝土的抗裂性能和抗渗性能[17-19]。目前，针对混凝土中混掺粉煤灰、矿粉、膨胀剂、纤维素纤维的各组分对其物理力学性能、耐久性影响以及抗渗防水机理分析的研究较少，本文以合肥轨道交通4号线为工程背景，将各组分混掺，通过正交试验，研究其各组分对混凝土力学性能的影响，优化混凝土配合比，并结合低场核磁共振试验数据，分析混凝土孔隙微观结构机理，从而得出一种适应于地下大体积连续浇筑且抗渗防水性能优越的混凝土配合比，为工程实际提供参考。

1 工程概况及设计要求

长宁大道位于望江西路和长宁大道交叉口，为合肥轨道交通4、7号线“T”形换乘站。4号线长宁大道站位于望江西路南侧，为14 m岛式站台车站，标准段宽度为22.7 m，标准段底板埋深约为16.9 m，车站主体为双层三跨钢筋混凝土箱型框架结构；7号线长宁大道站为14 m岛式站台车站，标准段宽度为23.1 m标准段底板埋深约为25.3 m，车站主体为三层三跨钢筋混凝土箱型框架结构。

图1 工程概况

2 原材料选择及混凝土配合比正交设计

2.1 原材料选择

(1)水：自来水。

(2)水泥：海螺牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥，其28 d抗压强度为52.3 MPa，化学组分见表1。

(3)细骨料：优质河沙，含泥量少、无碱活性、级配佳，细度模数为2.73的中砂。

(4)粗骨料：含泥量少、无碱活性的5～20 mm连续级配反击破石灰岩碎石。

(5)外加剂：m2减水剂：江苏苏博特PCA®-I聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%～30%，其品质符合现行业标准要求；m2膨胀剂：合肥庐江创科牌膨胀剂，由铝酸钙、硫酸铝钙、氧化镁、氧化钙四种膨胀组分研磨而成，其限制膨胀率水中7 d大于等于0.025%，水中28 d小于等于0.1%，空气中21 d大于等于-0.02%，化学组分见表1。

(6)矿物掺合料：m2淮南平圩电厂Ⅱ级粉煤灰，需水量比为98.7%，化学组分见表1合肥清雅S95矿粉，7 d活性指数77%，28 d活性指数97%，化学组分见表1。

(7)纤维：武汉鼎强牌纤维素纤维，性能指标见表2。

2.2 抗渗防水混凝土正交试验设计

根据长宁大道站工程概况、设计要求以及地下混凝土工程的特殊性，试验采用胶凝材料总质量为380 Kg/m3，水胶比0.35，砂率40%，减水剂用量为胶凝材料和膨胀剂质量之和的0.8%。试验正交配合比设计将粉煤灰与矿粉内掺取代胶凝材料质量的10%、15%、20%三个水平。膨胀剂外掺取代胶凝材料质量的4%、6%、8%三个水平。纤维素纤维体积掺量设置0.9 Kg/m3、1.2 Kg/m3和1.5 Kg/m3三个水平。以上为“四因素三水平”正交试验方案，因素-水平表见表3，试验基准组配合比和正交设计配合比见表4。

表3 因素水平表

3 试验方法与内容

3.1 基本力学性能

抗渗防水混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度测试采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的非标准立方体试块，抗压强度乘以尺寸换算系数0.95，劈裂抗拉强度乘以尺寸换算系数0.85，每3个试块为一组。试样养护温度20±2℃，湿度97%的养护箱内养护至规定龄期。试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)在 CSSYAW3000电液伺服压力试验机上进行。

3.2 限制膨胀率

限制膨胀率测试采用的纵向限制器长度355 mm，钢筋直径为10 mm，配筋率为0.79%，其中试块尺寸为100 mm×100 mm×300 mm长条形试块，每3个试块为一组。试样1～14 d为水养，水养温度20±2℃，14 d后转入温度20±2℃，湿度65%的养护箱进行干空养护。试验参照《混凝土外加剂应用技术规范》(GB 50119-2013)在ISOBY-354比长仪上进行。

表1 原材料化学组份(%)

表2 纤维素纤维性能指标

表4 混凝土配合比设计 (kg/m3)

3.3 孔隙结构

采用江苏纽迈公司的低场核磁共振试验平台(见图2)测试混凝土孔隙结构。采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm立方体试块取芯直径为50 mm，切除混凝土芯样两端并打磨至100 mm。试样养护温度20±2℃，湿度97%的养护箱内养护至规定龄期。

图2 低场核磁共振试验装置

3.4 抗渗性能

混凝土相对渗透系数测试采用尺寸为上底直径175 mm、下底直径185 mm、高150 mm的圆台试块，每6个试块为一组。试样养护温度20±2℃，湿度97%的养护箱内养护至规定龄期。试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 5008-2009)在HP-4.0型数显自动调压混凝土抗渗仪上进行。

4 结果分析

4.1 抗压与抗拉强度

抗压强度与劈裂抗拉强度是混凝土两项最基本的力学性能，因此本试验针对表4设计的正交配合比进行浇筑以及测试28 d抗压强度和28 d劈裂抗拉强度，试验结果见表5。

根据表5试验结果对试样的28 d抗压强度和28 d劈裂抗拉强度进行极差分析，结果如表6所示，分析各因素对混凝土28 d抗压强度以及28 d劈裂抗拉强度的影响，从而为抗渗防水混凝土配合比进行优化设计。

表5 试验结果

表6 极差分析

为了直观分析各因素在不同水平对试验指标的影响趋势，绘制如图3所示的四因素三水平指标趋势图。

图3 四因素三水平指标趋势图

图3(a)为各因素对28 d抗压强度K值的影响趋势图，可以看出四因素均在2水平时28 d抗压强度最大，且四因素28 d抗压强度K值影响均表现出随着掺量的增加先增大后减小的趋势，其中纤维素纤维28 d抗压强度K值变化趋势平缓，由此得知纤维素纤维对混凝土的抗压强度影响较小。与基准组28 d抗压强度相比，粉煤灰、矿粉在10%～20%的合理掺量范围内，混凝土28 d抗压强度增加，并由表6知，膨胀剂28 d抗压强度极差最大，由此得出当掺入8%的膨胀剂时，会降低混凝土28 d的抗压强度。

图3(b)为各因素对28 d劈裂抗拉强度K值的影响趋势图，从图中可以看出粉煤灰、矿粉、膨胀剂28 d劈裂抗拉强度K值变化趋势平缓，而随着纤维素纤维掺量的增加28 d劈裂抗拉强度K值逐渐增大，并结合表6知，纤维素纤维28 d劈裂抗拉强度极差最大。由此可以得知当纤维素纤维在0.9～1.5 kg/m3掺量范围内，随着纤维素纤维掺量的增加，混凝土28 d的劈裂抗拉强度增大。

根据图3(a)和图3(b)，比较同一因素下K值大小，能够得到28 d抗压强度最优水平为A2B2C2D2，28 d劈裂抗拉强度最优水平为A2B3C2D3。以此为基础，再结合基准组配合比，进一步优化抗渗防水混凝土配合比，配合比见表7。针对表7配合比进行浇筑以及测试28 d抗压强度、28 d劈裂抗拉强度、相对渗透系数、限制膨胀率以及混凝土孔隙结构，其试验结果见表8、图4、图5和表9。

表7 混凝土配合比 (kg/m3)

表8 力学性能与抗渗性

4.2 限制膨胀率

由图4可知，三组试样的水养限制膨胀率在1～14 d均表现为先增大后趋于稳定并达到最大值，1～7 d增长迅速，7～14 d增加缓慢并逐渐趋于平稳，1#基准组膨胀源主要为吸水膨胀，吸水膨胀主要发生在前7 d，由于11#、12#试样掺入6%的膨胀剂，1～7 d限制膨胀率增长速度高于01#基准组，而在7～14 d增加缓慢并逐渐趋于平稳，11#、12#的限制膨胀率最大值为0.048%、0.046%；14 d后转入温度20±2℃，湿度65%的养护箱进行干空养护，三组试样失水收缩导致14～21 d限制膨胀率均迅速减小，21～28 d变化缓慢并逐渐趋于稳定，01#基准组试样在19 d开始出现收缩，由此可知01#基准组混凝土干缩量较大极易产生收缩裂缝，而11#、12#在28 d时仍保持膨胀状态，其限制膨胀率为0.016%、0.011%，均满足混凝土补偿收缩。

图4 限制膨胀率与龄期关系

图5 驰豫时间T2谱分布

表9 低场核磁共振T2谱面积

4.3 孔隙特征与渗透系数

通过分析低场核磁共振T2弛豫时间来获取孔隙系统中微小孔、中孔、大孔及裂隙的分布情况、连通性参数[20]，其中结合水是与C-S-H凝胶材料发生化学结合的水，横向弛豫时间T2约为10 μs；凝胶水是指在凝胶孔隙中的水，是C-S-H胶凝的组成部分，由于其与凝胶孔壁的强烈作用，T2在0.5～1 ms之间；毛细孔水的弛豫时间在5～10 ms[21]。

由表8知01#、11#和12#试样相对渗透系数分别为 1.377×10-7cm/h、0.937×10-7cm/h、0.799×10-7cm/h，11#、12#试样相对渗透系数比01#基准组降低32%、42%。由图5和表9知，三组混凝土试样T2谱的谱峰均为三峰结构，谱峰由左到右分别分布在0.1～1 ms、15 ms以及1000 ms左右处，依次对应混凝土内部小孔隙、中孔隙、大孔隙的分布情况。其中主峰均分布在小孔隙处，其余两个谱峰面积均较小，表明试样内部孔隙特征均以小孔隙为主，中孔隙与大孔隙则较少，其中11#、12#试样混凝土的小孔隙面积相对于01#基准组的减少52%左右，中孔隙与大孔隙变化相对较小，表明01#基准组小孔隙之间的连通性比11#、12#试样好，因此11#、12#的相对渗透系数比01#基准组低。11#与12#试样谱峰总面积相差较小，其中第一谱峰面积基本相等，但12#试样第二、第三谱峰面积比11#相应的第二、第三谱峰面积减小，由此可知12#试样中孔隙和大孔隙的数量比11#少，而中、大孔隙对水流束缚性较小，因此12#相对渗透系数比11#低。01#、11#和12#的孔隙度分别为3.64%、1.63%、1.46%，11#、12#的孔隙度比01#基准组降低55%、60%。

出现上述结果差异的原因是由于粉煤灰、矿粉颗粒尺寸多为几微米至几十微米的玻璃滚珠，粉煤灰、矿粉的粒度比水泥颗粒小，且具有火山灰、微集料和微晶核效应，使其能够充分填充水泥颗粒的孔隙，改善孔隙结构，构成最密堆积，有利于混凝土强度的发展，提高混凝土的抗渗性能；纤维素纤维的空腔结构以及亲水性，为胶凝材料的水化提供水分，起到内养护作用，促使其充分水化反应，提高混凝土的密实度，并且有利于抑制混凝土裂隙的产生与发展，从而使混凝土内水分迁移困难，提高混凝土的抗渗性；膨胀剂的掺入能够有效补偿混凝土的收缩，抑制自收缩裂缝的产生，提高混凝土的密实度。由此得知适量的掺入粉煤灰、矿粉、膨胀剂以及纤维素纤维可有效降低混凝土的相对渗透系数，减少混凝土的小孔隙面积，提高混凝土的密实度。

4.4 最佳配合比确定

由图4可知，11#、12#试样的限制膨胀率均满足混凝土补偿收缩。由表8知，通过混凝土相对渗透系数与抗渗等级换算[22]，三组混凝土均满足工程P8抗渗等级要求。由表9可知，11#、12#试样的小孔隙面积相比01#基准组减少52%左右，孔隙度降低55%、60%。结合图4、表8和表9综合分析，11#试样抗压强度比12#试样高，但随着12#试样比11#试样纤维素纤维掺量的增加对混凝土的劈裂抗拉强度、小孔隙面积、孔隙度和相对渗透系数影响均较小，因此建议地下抗渗防水混凝土配合比为水泥：粉煤灰：矿粉：膨胀剂：砂：石子：水：纤维素纤维：减水剂=1：0.214：0.214：0.086：2.749：4.123：0.636：0.005：0.012，相对于基准组 28d抗压强度提高17%，28 d劈裂抗拉强度提高14.6%，小孔隙面积减少52.5%，孔隙度降低55%，相对渗透系数降低32%。

5 结论

(1)胶凝材料质量为380 Kg/m3，粉煤灰、矿粉在10%～20%内掺量时会提高混凝土的28 d抗压强度；当膨胀剂的外掺量为8%时，降低混凝土28 d抗压强度。

(2)当纤维素纤维的掺量在0.9～1.5 Kg/m3范围内，随着掺量的增加对混凝土28 d抗压强度影响较小，但对混凝土28 d的劈裂抗拉强度增加显著。

(3)分析低场核磁共振T2弛豫时间来获取孔隙系统中微小孔、中孔、大孔及裂隙的分布情况、连通性参数，得出掺入粉煤灰、矿粉、膨胀剂、纤维素纤维11#相比01#基准组小孔隙面积减少52.5%，中孔隙与大孔隙变化相对较小，孔隙度降低55%。

(4)建议抗渗防水混凝土配合比为：水泥：粉煤灰：矿粉：膨胀剂：砂：石子：水：纤维素纤维：减水剂=1：0.214：0.214：0.086：2.749：4.123：0.636：0.005：0.012，试验结果相对于基准组28 d抗压强度提高17%，28 d劈裂抗拉强度提高14.6%，相对渗透系数降低32%。