水泥类型对隧道混凝土基本性能影响试验研究

于淑程

(沈阳市水务事务服务与行政执法中心，辽宁 沈阳 110013)

当前，国内外长距离隧道建设越来越多，混凝土结构裂缝问题十分普遍，其成因非常复杂，不仅与混凝土配合比有关，还与施工工艺方法、外部环境因素等有关。目前，我国正大规模进行隧道工程建设，改善结构混凝土的耐久性十分紧迫。本文重点结合大伙房输水工程三段隧道施工一标1#隧洞施工，从混凝土的生命周期源头出发，重点研究水泥类型普适性和砂细度模数对混凝土性能影响规律，在严控施工工艺方法基础上，研究不同水泥类型对工程结构的影响，具有重大实践意义。

水泥基材料最核心的组分是水泥。熟料矿物主要有C3S、C2S、C3A、C4AF，加水拌和发生化学反应。C3S是主要强度矿物，其水化速率快、放热量大，生成硅酸钙难溶于水，后期发展成为强度很高的网状结构，C3S在混凝土增长的早期与后期强度均较高；同C3S相比，C2S水化速率慢、放热量小，早期强度低，约365d后其强度可与C3S相当；4种矿物中的C3A水化速率最快、放热量最大，是混凝土早强的主要矿物，但其水化生成的晶体强度较低，后期可能产生强度变小现象；C4AF水化放热中等而水化速率快，生成晶体强度低[1- 3]。

C3S和C3A水化速率均较快、放热量均较大且集中，使得混凝土成型早期极易产生温度裂缝，水化后层间水的蒸发以及水化产物形成过程中体积收缩而变小。尤其C3A的高水化速率、高水化热，使得混凝土在凝结硬化早期温度变形增大、收缩增大，极易产生内部或表面裂缝，C3A量的大小对混凝土抗裂性能具有重要影响[4- 5]。若减少C4AF比例而增大C3A比例，会增加硬化水泥浆体微裂缝和水泥的干缩率，还会降低水泥耐磨性、抗折强度和抗冲击韧性[6]。

大型引调水隧道工程对混凝土强度、耐久性、抗裂性等性能要求越来越高，这就导致水泥细度在不断增大[7]。大量研究表明，适量增加水泥细颗粒组成比例，可提高水泥基材料混凝土早期强度。虽然提高水泥细度对提高混凝土早期强度很有帮助，但其也有弊端，如初始流动度降低，与减水剂相容性变差，加剧混凝土干湿循环损伤，抗冻循环次数下降，因干燥引起开裂程度加重，进而影响混凝土结构耐久性[8- 10]。

1 工程应用

1.1 概述

大伙房输水工程三段隧道施工一标1#洞二次衬砌：隧道全长3362m。通过室内原材料试验，将复掺矿物混凝土基本力学性能及抗裂性能、耐久性能进行分析研究，并将此试验结果应用于实际工程。

(1)工程沿线不仅有隧洞工程，还有长距离PCCP输水管线，工程施工中会用到大量的混凝土原材料，这就使得原材料来源不固定、不稳定。给混凝土质量控制增大难度，研究水泥类型对混凝土基本性能的影响，并对复掺矿物混凝土进行长达365d的跟踪测试，研究混凝土龄期与其基本力学性能的相互关系，考虑龄期对混凝土抗压强度和抗劈裂强度的影响。

(2)通过对比不同配合比的复掺矿物混凝土与常规基准混凝土，得出混凝土基本力学性能、抗裂性能和抗渗性能之间差异，进而找出降低隧道二次衬砌混凝土裂缝的源头控制方案。

1.2 试验研究

本试验研究项目为大伙房输水工程三段隧洞施工一标1#洞复掺矿物混凝土基本力学性能，施工中使用泵送混凝土，本试验使用原材料与三段隧洞施工一标隧道衬砌混凝土原材料相同，细骨料选用大清河上游貂皮屯河砂。

施工现场选用细度模数为2.19和2.62的河砂作为试验细骨料，经过试验确定细度模数为2.62时，满足施工技术要求，细度模数为2.19时，发现试验仓混凝土和易性差，不能满足现场施工质量要求，通过对原始配合比调整，使其满足施工技术要求及混凝土基本力学性能要求。1#隧道衬砌用混凝土原始基准配合比与复掺矿物配合比对比见表1。

1.2.1试验用原材料

为了研究不同类型的水泥在输水隧道衬砌混凝土中应用的普适性及其对混凝土基本性能的影响，同时结合工程建设地区混凝土用料特色，选用3种不同类型的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥作为研究对象，其中3#普通硅酸盐水泥也是全国范围内普遍使用的42.5的水泥类型。3种不同类型水泥化学成分含量见表2。

1#、2#、3#普通硅酸盐水泥的胶砂强度试验结果见表3。

1.2.2混凝土配合比

本段输水隧洞二次衬砌混凝土抗压强度设计等级为C30，浇筑完成1d龄期强度需要达到5MPa，设计抗冻等级为F200，设计抗渗等级为W4，为了满足泵送混凝土施工技术要求，混凝土坍落度需要控制在200mm±20mm范围内，当施工现场河砂的细度模数由2.62调整为2.19时，即按照表1的复掺配合比时，衬砌混凝土基本力学性能不达标，因此需要对其进行调整，使其满足工程技术要求，试验确定针对河砂细度模数为2.19的混凝土配合比设计见表4。

对复掺调整配合比拌制混凝土进行基本力学和混凝土抗压试验，试验结果见表5—6。

表1 C30F200W4混凝土配合比参数对比表

表2 不同类型42.5水泥的化学组成和水泥的细度对比表(W/%)

表3 不同水泥类型胶砂强度试验结果对比表单位：MPa

表4 细度模数为2.19河砂配制混凝土配合比参数表

表5 混凝土基本性能试验结果统计表

表6 混凝土抗压强度试验结果统计表 单位：MPa

从表5可以看出复掺(调整)配合比的初始坍落度为200mm，满足泵送混凝土对初始坍落度的要求，即混凝土坍落度需要控制在200mm±20mm范围内。从表6可以看出复掺(调整)配合比的1d抗压强度5.9MPa，满足1d强度大于5MPa的强度要求，28d抗压强度为36.5MPa，也满足C30混凝土28d抗压强度设计要求。

1.2.3最终确定混凝土配合比

表4给出了细度模数为2.19时的河砂配合比，结合表1给出的配合比，得出本工程试验研究的最终配合比，详见表7。

1.2.4立方体抗压强度

通过液压式万能试验机对不同龄期混凝土试块进行抗压试验，试验所得原始数据经过SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》换算，得到各龄期试块抗压强度详见表8。

从图1—2结合表8可以看出原始基准和1# A类型配合比混凝土抗压强度增长趋势。数据分析可以得出：7d以前1# A类型配合比均小于原始基准混凝土配合比的抗压强度，3d时原始基准、1# A类型的抗压强度分别占28d抗压强度的60.3%和42.8%，1d到3d，原始基准混凝土配合比抗压强度增长了35.0%，大于1# A类型1d到3d增长的24.1%；而3d到7d，原始基准混凝土配合比抗压强度增长了18.0%，小于1# A类型3d到7d增长的27.0%，这表明复掺矿物配合比对抗压强度在1d到3d没有原始基准配合比对抗压强度贡献大，而3d到7d，复掺矿物配合比对混凝土抗压强度贡献较大，这主要是因为早期混凝土拌合物中的粉煤灰和矿粉的活性没有被激发出来，水化物相对较少，所以3d内强度相对较低，在14d时，1# A类型抗压强度为39.2MPa，大于原始基准抗压强度的36.5MPa，尤其是在120d测试时，1# A类型抗压强度达到51.6MPa，比28d抗压强度增长了22.0%，而原始基准抗压强度为47.6MPa，比28d抗压强度增长了14.2%。

表7 C30F200W4混凝土配合比参数表

表8 不同配合比混凝土各龄期抗压强度对比表

图1 365d混凝土抗压强度增长趋势

图2 28d砼抗压强度增长趋势

这表明复掺矿物配合比在混凝土强度增长后期起到了积极的推动作用。二次水化反映生成了较多的硅酸钙物质和稳定性更好、强度更好的低碱活性硅酸钙，同时二次水化反应改善了混凝土细微结构，混凝土孔隙率降低，粗骨料与水泥石黏结力加强，进而提高了混凝土的后期强度。另外粉煤灰和矿物成分颗粒组分比水泥细，比较面积更大，胶凝材料的紧密程度得到提高，因此1# A类型混凝土配合比后期强度要高于原始基准混凝土后期强度。

1.2.5经济效益对比

本工程试验复掺粉煤灰和矿粉混凝土，保证混凝土基本力学性能的基础上，改进了其抗裂性能和耐久性，减少了水泥用量，兼顾了经济合理性，降低了工程造价。各种原材料以2018年12月份辽宁地区市场行情为准(不计运输成本)。1m3混凝土用原材价格对比详见表9。

从表9可以看出，应用复掺配合比和复掺(调整)配合比的单方混凝土原材料造价均比基准原始配合比低，复掺和复掺(调整)单方配合比混凝土原材造价比基准原始配合比混凝土原材造价分别低23.1元和43.2元，节约资金比例分别为6.8%和12.8%。

因此，合理应用粉煤灰和矿物等复掺材料作为混凝土拌和原材，不仅对提高混凝土基本力学性能有保障，而且对降低工程造价很有帮助，经济合理。

2 结论与建议

试验主要对五种水泥类型配合比基本力学性能进行长达365d跟踪测试，研究混凝土基本力学性能随龄期发展变化规律。

(1)1#水泥中砂、1#水泥细砂、2#水泥细砂、3#水泥细砂的坍落度和拓展度随时间延长逐渐降低。对比1#水泥中砂和1#水泥细砂，其坍落度和拓展度基本相同，表明初始坍落度基本相同情况下，二者和易性基本相同。

(2)5种水泥类型混凝土抗压强度增长规律基本相同。即前期增长速率较快、后期增长速率缓慢。前期原始基准混凝土抗压强度增长较快，但3d后，复掺矿物混凝土抗压强度增长较快，1#水泥中砂各龄期均比1#水泥细砂高，但都在设计等级范围内。1#水泥细砂、2#水泥细砂和3#水泥细砂各龄期混凝土抗压强度差别不大，表明水泥类型对混凝土抗压强度影响不大。

表9 1m3混凝土用原材价格对比表

(3)本文主要从宏观上研究了水泥类型、砂细度模数对复掺矿物掺合料混凝土的和易性、基本力学性能的影响，而没有从微观上给予详细解释，在今后的研究工作中有必要从微观角度予以分析解释。