自密实混凝土在隧道衬砌施工中的应用

顾永智

摘  要：隧道衬砌施工是为了防止围岩变形或坍塌，采用钢筋混凝土等材料对隧道洞身周边进行永久性支护结构。常用的衬砌材料有混凝土、钢筋混凝土、混凝土预制块等。在采用普通混凝土浇筑过程中，由于受到施工环境和条件的影响，往往会出现振捣不足等情况，从而产生空洞、蜂窝、麻面、露筋等质量缺陷，影响混凝土的力学性能、耐久性，乃至安全可靠性。因此，在隧道衬砌施工中能够保证不离析、不泌水，同时获得很好均质性，并且不需要附加振動的混凝土—自密实混凝土得到广泛的应用。

关键词：自密实混凝土;隧道衬砌施工

自密实混凝土（Self Compacting Concrete，简称SCC），也称高流态混凝土，是指在自身重力作用下，能够流动、密实，在不振捣的情况下能够自流平且充满模板和钢筋空隙的混凝土，属于高性能混凝土的一种，是混凝土技术发展的重要方向。

一、在隧道衬砌中采用自密实混凝土的必要性

由于自密实混凝土无需振捣既能密实成型，能够在自重作用下自动穿越钢筋密集处并且仍保持混凝土拌合物的均匀性，避免了混凝土在施工振捣过程的加水、振捣不实或过度振捣的现象，使传统混凝土的施工技术产生质的飞跃，适应了当代混凝土工程超大规模化、复杂化的要求;同时由于自密实混凝土采用高性能外加剂和大掺量矿物外掺料，使低水胶比、低水泥用量的混凝土配制成为可能，从而在提高了硬化混凝土的力学性能基础上提升了混凝土结构物耐久性。

在隧道衬砌应用中，自密实混凝土的自密实性能主要包括流动性、抗离析性和填充性。其之所以能够得到广泛应用，和其自身的特点是密不可分的，其主要特点有：

1.能够保证隧道衬砌混凝土良好地密实;

2.大大提高了隧道施工效率。由于不需要振捣，混凝土浇筑需要的时间大幅度缩短，施工人员劳动强度大幅度降低，施工效率有较大提高;

3.改善了混凝土的表面质量。不会出现表面气泡或蜂窝麻面，不需要进行表面修补，极大地改善了混凝土表面质量;

4.增加了结构设计的自由度。不需要振捣，可以浇筑成型形状复杂、薄壁和密集配筋的结构;

5.避免了振捣对模板产生的磨损;

6.减少混凝土对搅拌机的磨损。

二、自密实混凝土的配制

在隧道衬砌施工中采用的自密实配比需要根据结构环境、施工工艺等作出调整。自密实混凝土配合比的突出特点是：高砂率、低水胶比、高矿物掺合料掺量。

· 原材料的技术要求

依据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55—2000、《自密实混凝土设计与施工指南》CCES02—2004和《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T283—2012等规范规定，对自密实混凝土原材料的要求如下：

1.胶凝材料

（1）配制自密实混凝土宜采用硅酸盐水泥泥，并应符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》GB175的规定;

（2）配制自密实混凝土可采用粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等矿物掺和料，粉煤灰应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596的规定。

2.粗骨料

粗骨料宜采用连续级配或2个以上单粒级配搭配使用，最大公称粒径不宜大于20mm为宜，尽可能选用圆形且不含或少含针、片状颗粒的骨料。

3.细骨料

细骨料宜选用级配Ⅱ级的中砂。天然砂的含泥量应≤3.0%，泥块含量应≤1.0%。，细骨料的其他性能及试验方法应符合现行行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的规定。

4.外加剂

自密实混凝土具备的高流动性、抗离析性、间隙通过性和填充性这四个方面都需要以外加剂的手段来实现。因此对外加剂的主要要求为：与水泥的相容性好;减水率大;缓凝、保塑。应符合《混凝土外加剂》GB8076和《混凝土外加剂应用技术规范》GB50119的规定。

（二）配合比设计

配制自密实混凝土时应首先确定混凝土配制强度、水胶比、用水量、砂率、粉煤灰、膨胀剂等主要参数，再经过混凝土性能试验强度检验，反复调整各原材料参数来确定混凝土配合比的方法。应在考虑混凝土自密实性能、强度、耐久性及其他性能要求的基础上，计算初始配合比，经试验室试配、调整得出满足自密实性能要求的基准配合比，经强度、耐久性复核得出设计配合比。

下面以隧道衬砌中采用的自密实混凝土配合比为例，说明其应用。

1.原材料

（1）水泥：P.O32.5水泥，密度3.09g/cm³，比表面积330㎡/kg，标准稠度用水量为28.5%，初凝时间160min，终凝时间225min，安定性合格，7d和28d抗压强度分别为19.5MPa和37.5MPa;

（2）粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，密度2.36g/cm³，细度15%，需水量比103%，烧失量1.26;

（3）细骨料：河砂，细度模数2.8，堆积密度1.40g/cm³;

（4）粗骨料：级配为（0～5）mm的石灰石碎石和（16～26.5）mm的石灰石碎石1∶1互配;

（5）外加剂：萘系高效减水剂和隧道专用抗渗剂;

（6）拌合水：地下水，经检验各项指标符合《混凝土拌合用水》JGJ63—2006要求。

2.配合比

隧道用自密实混凝土配合比及性能测试结果。考虑自密实混凝土的性能要求，采用掺加优质粉煤灰配制，通过多次反复试验，最终确定了第3组作为其配合比。

其工作性及强度测试结果见表2

（三）自密实混凝土的配制技术要求

为了达到不振动能自行密实，硬化后具有常态混凝土一样的良好物理力学性能，配制的自密实混凝土在流态下必须满足以下要求：

1.黏性适度

在流经稠密的钢筋后，仍保持成分均匀。如果黏性太大，滞留在混凝土中的大气泡不容易排除。黏度用混凝土的扩展度表示，要求在500mm～700mm范围内。如黏性过大即扩展度小于500mm时，则流经小间隙和充填模板会带来一定的困难;如果黏性太小即扩展度大于700mm后，则容易产生离析。因此，自密实混凝土要求粉体含量有足够的数量，粗骨料应采用5mm～15mm或5mm～25mm的粒径，且含量也比普通混凝土少。绝对体积应在0. 28m3～0. 33m3之间。含砂率应在50%左右。

2.良好的穩定性

浇筑前后均不离析、不泌水，粗细骨料均匀分布，保持混凝土结构的匀质性，使水泥石与骨料、混凝土与钢筋具有良好的黏结，保持混凝土的耐久性。

3.适当的水灰比

如果加大水灰比，增加用水量，虽然会增大流动度，但黏性降低。混凝土的用水量应控制在150kg/m3～200kg/m3之间。要保持混凝土的黏性和稳定性，只能依靠掺加高效减水剂来实现。采用聚羧酸类减水剂比较好，也可采用氨基磺酸盐，掺量为0.8%～1.2%。

4.控制粉体含量

要保持混凝土具有良好的稳定性，粉体含量是关键。当水泥用量较多时，可以掺用粉煤灰、矿渣粉或石灰石粉取代一部分水泥，以降低水化热量。必要时，可以采取减少水泥用量、掺用少量的增黏剂，以保持适度的黏性。

三、自密实混凝土的应用

（一）施工准备

1.技术准备

自密实混凝土施工前应根据工程结构类型和特点、工程量和材料供应情况、施工条件和进度计划等确定施工方案，并对施工作业人员进行技术交底。

2.材料准备

（1）模板

1）模板及其支架设计应符合现行国家标准《混凝土结构工程施工规范》GB50666规定;

2）成型的模板应拼装紧密，不得漏浆，应保证构件尺寸、形状。

（2）水泥

应按品种、强度等级及生产厂家分别贮存，并应防止受潮和污染;

（3）掺合料

应按品种、质量等级和产地分别贮存，并应防雨和防潮;

（4）骨料

宜采用仓储或带棚堆场贮存，不同品种、规格的骨料应分别贮存，堆料仓应设有分隔区域;

（5）外加剂

应按品种和生产厂家分别贮存，采取遮阳、防水等措施。粉状外加剂应防止受潮结块，液态外加剂应贮存在密闭容器内，并应防晒和防冻，使用前应搅拌均匀。

（二）施工要点

1.自密实混凝土搅拌

（1）隧道衬砌用自密实混凝土宜采用集中搅拌方式生产，生产过程应符合现行国家标准《预拌混凝土》 GB /T14902的规定;

（2）自密实混凝土在搅拌机中的搅拌时间不应少于60s，应比普通混凝土适当延长;

（3）高温施工时，生产自密实混凝土原材料最高人机温度应符合要求，必要时应对原材料采取温度控制措施;

（4）冬期施工时，宜对拌合水、骨料进行加热，但拌合水温度不宜超过60℃、骨料不宜超过40℃;水泥、外加剂、掺合料不得直接加热;

（5）泵送自密实轻骨料混凝土所用的轻粗骨料在使用前，宜采用浸水、洒水或加压预湿等措施进行预湿处理。

2.混凝土运输

（1）自密实混凝土运输应采用混凝土搅拌运输车，并宜采取防晒、防寒等措施。运输车在接料前应将车内残留的混凝土清洗干净，并应将车内积水排尽;

（2）自密实混凝土运输过程中，搅拌运输车的滚筒应保持匀速转动，速度应控制在3r/ min ～5r/min，并严禁向车内加水;

（3）运输车从开始接料至卸料的时间不宜大于120min;

（4）卸料前，搅拌运输车罐体宜高速旋转20s以上;

（5）自密实混凝土的供应速度应保证施工的连续性。

3.混凝土浇筑

（1）高温施工时，自密实混凝土人模温度不宜超过35℃;冬期施工时，自密实混凝土人模温度不宜低于5℃。在降雨、降雪期间，不宜在露天浇筑混凝土;

（2）大体积自密实混凝土人模温度宜控制在30℃以下;混凝土在人模温度基础上的绝热温升值不宜大于50℃，混凝土的降温速率不宜大于2.0℃/ d ;

（3）浇筑自密实混凝土时，应根据浇筑部位的结构特点及混凝土自密实性能选择机具与浇筑方法;

（4）浇筑自密实混凝土时，现场应有专人进行监控，当混凝土自密实性能不能满足要求时，可加人适量的与原配合比相同成分的外加剂，外加剂掺人后搅拌运输车滚筒应快速旋转，外加剂掺量和旋转搅拌时间应通过试验验证;

（5）自密实混凝土泵送施工应符合现行行业标准《混凝土泵送施工技术规程》 JGJ / T 10的规定;

（6）自密实混凝土泵送和浇筑过程应保持连续性;

（7）大体积自密实混凝土采用整体分层连续浇筑或推续浇筑时，应缩短间歇时间，并应在前层混凝土初凝之前况筑伏层混凝土，同时应减少分层浇筑的次数;

（8）自密实混凝土浇筑最大水平流动距离应根据施工部位具体要求确定，且不宜超过7m。布料点应根据混凝土自密实性能确定，并通过试验确定混凝土布料点的间距;

4.混凝土养护

（1）制定养护方案时，应综合考虑自密实混凝土性能、现场条件、环境温湿度、构件特点、技术要求、施工操作等因素;

（2）自密实混凝土浇筑完毕，应及时采用覆盖、蓄水、薄膜保湿、喷涂或涂刷养护剂等养护措施，养护时间不得少于14d;

（3）大体积自密实混凝土养护措施应符合设计要求，无具体要求时，应符合现行国家标准《大体积混凝土施工》的有关规定。对裂缝有严格要求的部位应适当延长养护时间;

（4）对于平面结构构件，混凝土初凝后，应及时采用塑料薄膜覆盖，并应保持塑料薄膜内有凝结水。混凝土强度达到1.2N/ mm 后，应覆盖保湿养护，条件许可时宜蓄水养护;

（5）垂直结构构件拆模后，表面宜覆盖保湿养护，也可涂刷养护剂;

（6）冬期施工时，不得向裸露部位的自密实混凝土直接浇水养护，应用保温材料和塑料薄膜进行保温、保湿养护，保温材料的厚度应经热工计算确定;

（7）采用蒸汽养护的预制构件，养护制度应通过试验确定。

（三）质量检验与验收

自密实混凝土拌合物检验项目除应符合现行国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》 GB 50204的规定外，还应检验自密实性能，并应符合下列规定：

1.混凝土自密实性能指标检验应包括坍落扩展度和扩展时间;

2.出厂检验时，坍落扩展度和扩展时间应每100m3相同配合比的混凝土至少检验1次;当一个台班相同配合比的混凝土不足100m3时，检验不得少于1次;

3.交货时坍落扩展度和扩展时间检验批次应与强度检验批饮一致;

4.实测坍落扩展度应符合设计要求，混凝土拌合物不得出现外沿泌浆和中心骨料堆积现象;

5.对掺引气型外加剂的自密实混凝土拌合物应检验其含气量，含气量应符合国家现行相关标准的规定。

随着工程建设任务的进一步发展，对自密实混凝土研发及应用会越来越重视，对于自密实混凝土在生产使用过程中出现的问题会进一步得到跟进及解决，自密实混凝土必将在建筑工程领域中发挥越来越重要的作用，也势必会推动自密实混凝土的进一步发展和应用。