共同管沟现浇挤压流态混凝土衬砌材料

摘要

本发明涉及一种用于挤压流态混凝土材料，提出一种共同管沟现浇挤压流态混凝土衬砌材料，所配置的混凝土强度等级C30；采用42.5级普通硅酸盐水泥，要求C

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于挤压流态混凝土材料，主要涉及一种共同管沟现浇挤压流态混凝土衬砌材料。

背景技术

现有的共同管沟衬砌结构多使用预制混凝土管片结构，该管片经过预制、运输、拼装形成衬砌。该衬砌形式是现在共同管沟常用的结构形式。但由于该类型衬砌为拼装型，其纵、横环缝易产生渗漏，须用大量的密封垫和螺栓进行密封及连接进行防水工作，而且由该类型衬砌所引起的地表沉降量相对较大，管片及其衬砌施工所需费用占到施工总费用的30%左右，施工费用较高。相比预制管片衬砌，现浇挤压流态混凝土衬砌由于衬砌与掘进并进，施工时对地表影响极小。衬砌整体性好，无防水维修费，施工进度快、工期短、施工费用减少。

由于采用现浇的形式，即盾构掘进的同时，混凝土进行浇筑，为更好地填充盾构掘进形成的空隙，要求混凝土有较大的坍落度，且混凝土须具有较高的保坍性能；同时由于该施工方法采用衬砌模板，为有效地进行模板循环，要求成型的混凝土衬砌必须具有较高的早期强度等级。以上两方面的特殊要求，混凝土配合比设计及最终衬砌施工质量的保证方面难度较大。目前国内现浇挤压流态混凝土衬砌技术尚属空白，也没有形成现浇挤压流态混凝土配制的技术方案。

要配置出上述性能的混凝土，其关键在于：第一是原材料的选择，主要包括水泥品种，外加剂的选择等。对每种材料规格等性能指标进行严格控制。第二是科学的配合比设计，最终混凝土不仅须具有较大的坍落度、较高的保坍性能、早期强度及最终强度，而且混凝土工作性能优异，满足现场泵送浇筑施工要求。

发明内容

本发明的目的即是提出一种共同管沟现浇挤压流态混凝土衬砌材料。

本发明的技术方案是在对共同管沟的结构状态和现浇挤压混凝土材料的特点，并且结合使用于共同管沟的对现浇挤压混凝土衬砌的要求，在对共同管沟的结构状态和各种混凝土材料的特性进行大量分析的基础上提出。

用于共同管沟现浇挤压流态混凝土衬砌材料的特性要求：

1、力学指标：

a、本发明由于采用现浇挤压流态混凝土衬砌代替传统的预制管片，考虑工艺要求及施工本身的经济合理性，要求挤压成型的混凝土衬砌有较高的早期强度（1d强度10MPa），便于衬砌模板的合理有效循环。

b、共同管沟由于埋深较浅，衬砌自身承受的覆土压力及水压等相对较小，要求现浇挤压流态混凝土衬砌最终的强度等级相对较低，本发明衬砌设计强度等级选择为C30。

2、施工性能：新拌混凝土要具有较佳的工作性能。包括大流动性（初始坍落度220~240mm）、高保坍性（3h内坍落度保持在200mm以上）、较佳的和易性，同时要求混凝土不离析、不泌水以满足有效填充盾构掘进形成的空隙及现场泵送施工等要求。

3、耐久性：考虑到共同管沟的使用寿命要求，要求混凝土衬砌具有较高的耐久性，其中包括抗渗性、抗裂性、抗冻融循环等。

本发明采取的技术方案是：

一种共同管沟现浇挤压流态混凝土衬砌混凝土材料，共同管沟现浇挤压流态混凝土衬砌材料选择与配制：

根据共同管沟挤压流态混凝土的力学性能指标要求，水泥选用超早强水泥或普通硅酸盐水泥+高效外加剂两种方式，考虑到超早期水泥使用时水化速度较快，水泥干缩较大，不利于混凝土衬砌最终的抗裂，同时考虑该水泥施工成本及今后的推广应用问题，本发明选择普通硅酸盐水泥配合高效减水剂方式。

配置C30强度等级的混凝土，由于长时间的高坍落度（200mm以上坍落度保持3h以上）与本身早期强度较高（1d强度10MPa以上）之间的矛盾关系，对混凝土后期强度损失较大，为达到混凝土衬砌最终的强度要求。本发明采用42.5级普通硅酸盐水泥。采用该标号等级水泥，在达到相同混凝土强度和坍落度的前提下，可以降低单方水泥用量。

为达到上述混凝土各项性能指标，原材料的选择至关重要。

1、为使混凝土达到3h以上200mm以上的高流动性及保坍性能，对水泥的要求主要包括以下几个方面：

（1）水泥熟料中主要有四种矿物成分，分别是C₃S、C₂S、C₃A和C₄AF。一般的普通硅酸盐水泥，C₃A含量的一般范围为7%~15%。其中C₃A的含量对水泥水化速度的影响较大，在混凝土的施工过程中，水泥水化热较大，且反应产生的热量在短时间内集中释放出来，易出现混凝土的温升速度过快且温度较高，易导致混凝土因温度应力出现开裂。最终导致混凝土抗渗性能下降。

同时，水泥中C₃A过高时，水泥与混凝土外加剂的适应性差，混凝土坍落度损失大，混凝土抗硫酸盐侵蚀能力下降。因此，本发明使用的水泥，要求C₃A的含量应小于8%。

（2）水泥细度是指水泥颗粒总体的粗细程度。水泥颗粒越细，与水发生反应的表面积越大，因而水化反应速度较快，水化较完全，早期强度也越高，但在空气中硬化收缩性较大，成本也较高。

一般认为水泥颗粒在0～10μm时，水化最快；在3～30μm时，水泥的活性最大；大于60μm时，活性较小，水化缓慢；大于90μm 时，只能进行表面水化，只起到微集料的作用。本发明要求水泥中10~30μm颗粒级配控制在35~45%，控制3~10μm级配所占水泥的比例，控制在15%以下，其它颗粒级配:：<3μm及>30μm控制在40%以下。水泥比表面积控制在330~350 m²/kg。

（3）水泥中碱含量的大小直接影响混凝土的耐久性。本发明采用低碱水泥，即水泥中碱含量小于0.60%。采用低碱水泥在一定程度上能够改善混凝土的保坍性能，同时也能够有效地抑制由于碱集料反应而造成的混凝土耐久性破坏。

因此，本发明水泥选择的最终结果为：水泥矿物成分C₃A含量应小于8%；水泥中10~30μm颗粒级配控制在35~45%，控制3~10μm级配所占水泥的比例，控制在15%以下，其它颗粒级配（<3μm及>30μm）控制在40%以下，且水泥比表面积控制在330~350 m²/kg。水泥中碱含量应小于0.60%。

2、细骨料选择河砂。本发明以中砂为宜，细度模数为2.6～3.0，级配满足《JGJ 52-2006 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》要求。同时要按照GB/T14684严格控制含泥量、泥块含量以及有害物质含量。此外，细骨料要进行碱活性检验，以避免混凝土结构发生碱骨料反应破坏。

3、粗骨料选择碎石。粒径范围为5~31.5㎜。粗骨料级配及其它性能指标满足《JGJ 52-2006 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》要求。粗骨料最大粒径若过小，必然增大粗骨料总的表面积，增大每方混凝土用水量及水泥用量，最终增大了混凝土开裂的可能性。

4、外掺料选择粉煤灰。掺入粉煤灰能够有效地改善混凝土的和易性，降低水泥用量。本发明粉煤灰优先选用一级粉煤灰，最低使用二级粉煤灰。本发明粉煤灰合理的掺量为20%，即粉煤灰占胶凝材料（水泥及粉煤灰）总量的20%。粉煤灰掺量过大时，严重影响挤压流态混凝土的早期强度强度，同时，由于粉煤灰一般含碱量偏大，对外加剂的吸附较大，在增大外加剂用量的同时，也不利于混凝土最终的耐久性。

5、外加剂选择聚羧酸高效减水剂。其标准满足GB8076《混凝土外加剂》要求，为有效地在增大混凝土坍落度的同时减低混凝土拌合用水量，要求使用的高效减水剂，其减水率必须不低于30%。本发明采用FAC聚羧酸高效复配减水剂，掺量为胶凝材料重量的1.5~1.8%，实际减水率约为33%，能在保证混凝土早期强度、最终强度及混凝土拌合物和易性的前提下大幅度地降低水泥用量。

本发明使用于共同管沟的现浇挤压混凝土衬砌混凝土技术指标的确定：

（1）配置强度

按照《普通混凝土配合比设计规程》，共同管沟挤压混凝土衬砌设计强度为C30，混凝土取强度标准差4.0 MPa，混凝土配制强度确定为：

f_cu,o = f_cu,k +1.645σ=30+1.645×4.0=36.58Mpa

（2）耐久性指标

抗渗等级确定为P20。为避免混凝土水化热及温度应力过大造成混凝土开裂，本发明水泥用量不超过360kg/m³。

（3）施工性能指标

为保证混凝土和易性，满足泵送施工及混凝土挤压脱水工艺要求，新拌混凝土的初始坍落度确定为220～240mm，3h坍落度保持在200mm以上。并且在此时间段内混凝土不离析、不泌水。

混凝土配合比设计

（1）水灰比

按照《普通混凝土配合比设计规程》要求，混凝土水灰比按照下面公式计算： 

w/c=                                                

式中f_ce 和f_cu,o分别表示28天龄期水泥实际强度和混凝土配制强度，w/c为水灰比。采用PO42.5级水泥，掺加高效减水剂后，水胶比范围控制在0.40～0.44。

（2）用水量

混凝土拌合单位用水量直接关系到新拌混凝土的坍落度及其和易性，使用合格的干燥的河砂（中砂），在满足初始坍落度200～240mm的前提下，按照《普通混凝土配合比设计规程》要求，掺加高效减水剂后，用水量范围控制在175～185kg/m³。

（3）水泥用量

本发明水泥用量控制在360 kg/m³以下。能够有效地提高混凝土的耐久性，防止混凝土开裂。

（4）粉煤灰掺量

粉煤灰的掺入能够有效地改善混凝土的和易性，同时也能代替部分水泥，减低水泥用量，提高混凝土耐久性。但粉煤灰掺量过大对混凝土早期强度及耐久性有一定的影响。本发明粉煤灰的加入量为胶凝材料重量的20%，所述的胶凝材料为水泥和粉煤灰。

（5）砂率

砂率的变动，会使骨料的总表面积有显著改变，从而对混凝土拌合物的和易性有较大影响。在保证混凝土拌合物具有的粘聚性和流动性的前提下，确定最优砂率。本发明砂率宜为36~40%。所述的砂率为细骨料砂的质量占全部粗、细骨料的百分比。

关于混凝土的施工工艺，在称量、搅拌、运输、泵送、浇筑等环节，本发明与普通混凝土结构的工艺措施均大致相同，但在混凝土衬砌成型方面有较大区别。

一般的混凝土衬砌都是通过拼装预制管片成型的，本发明与以往的区别在于，完全彻底改变了以往的衬砌成型方式，通过现浇、挤压混凝土，使混凝土脱水密实成型。即在盾构掘进的同时，通过盾尾模板上预留的灌注孔，将新拌混凝土泵送到由开挖土体（或岩体）与衬砌模板围成的空隙中，由于混凝土拥有较高的坍落度，故能够有效地填充该空隙；灌注后再通过盾构挤压千斤顶加压脱水，增加混凝土密实度，且最终与开挖面形成了紧密相贴的衬砌。其中关键的施工工艺为混凝土灌注后的挤压压力及保压时间控制。本发明混凝土挤压压力为0.4Mpa，保压时间30min，能够保证混凝土有效地填充盾构掘进形成的空隙，控制地表沉降，挤压脱水成型的混凝土衬砌1d强度能够达到10MPa以上，有效地进行衬砌模板的循环，28d强度大于45MPa，能够满足设计要求。

所述混凝土材料的配合比为（Kg/m³）：水泥PO42.5级 320~355，河砂（中砂）630~690，碎石（5~31.5mm）1080~1160，粉煤灰80~90，水175~185，FAC高效减水剂用量为胶凝材料（水泥及粉煤灰）重量的1.5~1.8%。

本发明所提出的共同管沟现浇挤压流态混凝土材料、配比；施工中采用压力为0.40MPa压力对混凝土挤压脱水，保压时间控制在30min，经过1:1试验模型试验，和易性指标和强度指标及水泥用量均满足要求，进行混凝土抗渗性验证试验，结果大于P20。混凝土各项指标均达到设计要求，证明了现浇挤压流态混凝土及施工方法可行，且能够保证工程质量。

具体实施方式

实施例1：

本发明混凝土配合比为（Kg/m³）：水泥42.5级 343，河砂（中砂） 673，碎石1098，粉煤灰86，水180，FAC高效减水剂掺量为胶凝材料总量的1.5%；水胶比为0.42。混凝土初始坍落度为230mm，3h坍落度为200mm，R₁16.3 Mpa，R2851.6Mpa。

实施例2：

本发明混凝土配合比为（Kg/m³）：水泥42.5级 333，河砂（中砂） 645，碎石1145，粉煤灰83，水175，FAC高效减水剂掺量为胶凝材料总量的1.8%；水胶比为0.42。混凝土初始坍落度为227mm，3h坍落度为200mm，R₁19.9 Mpa，R2847.0Mpa。