高性能混凝土在地铁工程中的综合性能研究

彭诗扬

江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西 南昌 330001

1 引言

近十年来，我国各地区大城市正如火如荼地进行大规模的地铁工程建设。地铁工程大都先采用盾构法挖通隧道，然后将混凝土管片组装成通道。地铁工程作为重要的城市基础设施建设工程，对其耐久性和长期性能要求较高，除了必须满足工程需要的混凝土结构强度和刚度要求，能承受隧道土层压力、渗水压力以及一些特殊荷载之外，还必须满足设计要求的安全质量指标，如防水抗渗等级、抗氯离子渗透性、开裂面积和收缩变形性能等［1］。但普通混凝土用于地铁工程常常伴随着开裂、破损、渗漏等质量问题，难以达到50 年甚至100 年以上的服役寿命要求，地铁工程后期维护、补强和堵漏等将耗费大量的人力物力成本。

高性能混凝土与普通混凝土相比，是具有优异耐久性能、工作性能、力学性能和体积稳定性能的新型绿色建筑材料，具有较高的强度和韧性，其抗渗和抗腐蚀等耐久性能大大提升［2-3］。目前，高性能混凝土在国内外重大重点工程都得到广泛应用，获得了丰富的实践经验。本文针对南昌某地铁工程的质量要求，配制出符合设计要求的高性能混凝土，并对高性能混凝土的耐久性进行测试。

2 试验原材料和试验方法

2.1 原材料

（1）水泥：采用万年青生产的P.O42.5 普通硅酸盐水泥，主要性能指标见表1。

表1 水泥主要性能指标

（2）矿物掺合料：采用南昌某电厂II 级粉煤灰，粉煤灰的细度、需水量比和活性指数等主要性能指标均满足国家标准GB/T 1596 规定的要求。采用江西南方水泥厂生产的S95 矿粉，矿粉的细度、流动度比和活性指数等主要性能指标均满足国家标准GB/T 18046 规定的要求。

（3）粗骨料：采用江西高安碎石，5～31.5mm 连续级配，表观密度为2705kg/m3，堆积密度为1660kg/m3，空隙率为42.8%，压碎值为7.2%，

（4）细骨料：细骨料采用江西本地的赣江河砂，细度模数2.7，松散堆积密度为1655kg/m3，空隙率为41.4%。

（5）外加剂：采用江西迪特科技有限公司生产的聚羧酸系高性能减水剂，固含量8%，减水率26%，推荐掺量为胶凝材料总量的0.8%～1.2%。采用武汉三源生产的膨胀剂和聚乙烯醇纤维，膨胀剂掺量为混凝土胶凝材料的6%～12%；纤维聚乙烯醇纤维抗拉强度≥270MPa，弹性模量≥3000MPa。此外还有巴斯夫生产的混凝土减缩剂。

2.2 试验配合比

工程设计要求采用C35 混凝土配合比，坍落度要求180±30mm，28d 抗压强度满足设计混凝土的强度等级要求，抗渗等级不低于P8，本试验配合比见表2。

表2 不同混凝土的配合比设计 kg/m3

2.3 试验方法

（1）混凝土工作性试验

按照（GBT 50080-2016）《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中规定的方法进行。包括坍落度和扩展度以及1h 坍落度等性能指标。

（2）混凝土力学性能试验

按照（GB ∕T 50081-2019）《混凝土物理力学性能试验方法标准》中规定的方法进行。试验采用尺寸为150mm×150mm×150mm的试件，测试其7d、14d、28d和60d抗压强度。

（3）混凝土碳化试验

按照（GB/T 50082-2009）《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定的方法进行测试。试验试验采用尺寸为100mm×100mm×400mm 的试件。

（4）混凝土抗渗性能试验

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中的逐渐加压法进行混凝土抗渗性能测试。

（5）混凝土抗氯离子渗透性能试验

按照（GB/T 50082-2009）《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的电通量法和氯离子扩散系数法进行测试。试验尺寸为50mm 厚，100mm 直径的试件。

3 试验结果及分析

3.1 高性能混凝土的工作性能和力学性能

试验分别采用单掺纤维、膨胀剂和减缩剂以及三掺三种添加剂的高性能混凝土，并与基准混凝土对比研究其工作性能和力学性能，试验结果见表3。

从表3 的试验结果可知，单掺纤维、膨胀剂或者减缩剂的混凝土与基准混凝土相比，初始坍落度较好，和易性均表现良好，而掺加纤维、膨胀剂或者减缩剂的混凝土1h 坍落度与基准混凝土相比有所降低，但降幅不大，仍可以满足施工要求。整体而言，掺纤维、膨胀剂或者减缩剂并不会对混凝土工作性造成不利影响。

就混凝土的力学性能而言，与基准混凝土相比，单掺纤维、膨胀剂或者减缩剂的混凝土7d、14d、28d 和60d 抗压强度都有明显提高，特别是混凝土后期强度得到快速稳定增长。而三掺纤维、膨胀剂和减缩剂的混凝土7d 和14d 抗压强度虽然略低于基准混凝土，但其28d 和60d 抗压强度均高于基准混凝土。整体而言，掺纤维、膨胀剂或者减缩剂，对混凝土有明显的增强作用，并且单掺比复掺效果更好，成本也更低。

表3 各配比混凝土工作性能和力学性能试验结果

3.2 高性能混凝土的碳化和抗水渗透性能

试验分别采用单掺纤维、膨胀剂和减缩剂以及三掺三种添加剂的高性能混凝土，并与基准混凝土对比研究其碳化性能和抗水渗透性能，试验结果见表4。

表4 各配比混凝土碳化性能和抗水渗透性能试验结果

从表4 的试验结果可以看出，掺纤维、膨胀剂和减缩剂的混凝土与基准混凝土相比，各龄期碳化深度均有所下降，说明掺纤维、膨胀剂和减缩剂可以降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的密实度，阻隔空气中的水分和二氧化碳进入混凝土内部，从而提高混凝土的抗碳化性能。此外，掺纤维、膨胀剂和减缩剂的混凝土抗渗等级达到P10 以上，完全满足设计要求。

3.3 高性能混凝土的抗氯离子渗透性能

混凝土抗氯离子渗透性能是混凝土抵抗氯离子通过毛细孔和空隙渗透到混凝土内部引起混凝土钢筋锈蚀，从而保证混凝土使用寿命的一种耐久性能。氯离子对混凝土的侵蚀过程是：首先地下水或其它氯离子源扩散至混凝土表面，然后通过毛细管作用进入混凝土内部，再渗透至混凝土钢筋位置，通过电化学作用引起混凝土钢筋腐蚀。混凝土因氯离子引起的钢筋腐蚀是混凝土结构很常见的一种耐久性失效质量问题。因此需要采取一定的技术措施来提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

试验分别采用单掺纤维、膨胀剂和减缩剂以及三掺三种添加剂的高性能混凝土，并与基准混凝土对比研究其抗氯离子渗透性能，试验结果见表5。

表5 各配比混凝土抗氯离子渗透性能试验结果

从表5 的试验结果来看，单掺纤维、膨胀剂或者减缩剂以及三掺三种添加剂的混凝土与基准混凝土相比，28d 氯离子扩散系数均有一定程度的下降，且降幅明显，特别是三掺混凝土的28d 氯离子扩散系数下降了43%；同时单掺纤维、膨胀剂或者减缩剂以及三掺三种添加剂的混凝土56d 电通量也有显著下降。

综合以上试验结果，掺纤维、膨胀剂或者减缩剂以及复掺三种添加剂可以对混凝土起到一定的增强作用，同时大幅提高混凝土的抗碳化、抗水渗透和抗氯离子渗透等耐久性能。

4 结语

（1）掺纤维、膨胀剂或者减缩剂可以在不影响混凝土工作性，并满足混凝土设计强度要求的前提下，大幅提高混凝土的抗碳化、抗水渗透和抗氯离子渗透等耐久性能，使得地铁工程混凝土的服役寿命显著提高。

（2）目前城市地铁工程的大规模建设，对缓解大城市交通拥堵发挥着越来越重要的作用，这就要求工程技术人员设计出性能优异的防水抗渗高性能混凝土，高性能混凝土用于地铁工程还需要大量的实际应用和进一步的试验研究，以弥补国内地铁工程防水抗渗技术的不足，同时对混凝土耐久性进行实时监控，以确保工程质量。