高强薄壁预应力内衬混凝土配合比优化及性能研究

王俊礼,谢小辉,姚楚康,唐欣薇,余青山,焦石磊

(1.广东粤海珠三角供水有限公司,广州,511458;2.广东水电二局股份有限公司,广州,511340;3.华南理工大学,广州,510641;4.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广州,510635)

1 概述

水工隧洞是水利水电工程中最常见的引水建筑物之一,通常采用圆形断面,并大多设置衬砌,衬砌与围岩联合工作,共同承受各种内外压力。随着施工技术及建筑材料的不断发展创新,近年来又出现了高压固结灌浆混凝土衬砌[1]和预应力混凝土衬砌[2]。预应力混凝土衬砌通过张拉混凝土衬砌内的环向锚索使衬砌产生预应力,可以有效弥补混凝土抗拉强度低和延展性能低的缺点,可使衬砌厚度减薄,节省材料和开挖量,显著降低工程造价。双层复合衬砌结构[3-4]是一种新型隧洞衬砌结构形式,其外衬承受外部水土压力,内衬承受内水压力,体现了“结构联合、功能独立”的新型输水隧洞设计理念。外衬为预制混凝土管片,内衬为现浇混凝土。隧洞衬砌混凝土裂缝[5-7]形成原因较为复杂,通常是多种不利因素综合作用的结果。裂缝形成机理主要是衬砌混凝土浇筑后,由于水泥水化热作用,混凝土内部温度快速升高,形成较大的内外温差,在混凝土降温过程中,体积收缩受到外衬管片(或基岩)的约束作用,产生较大的温度应力,当局部应力集中超过强度薄弱域点混凝土即抗拉强度时,就会开裂并延伸形成裂缝[8-9]。温度应力的大小与温差成正比,混凝土内外温差越大、外衬管片(或基岩)的弹性模量越高,衬砌厚度越薄,则越容易产生裂缝[10]。因此,隧洞内衬预应力混凝土温度裂缝防控是一个巨大的挑战。

国内外大量研究实践表明,矿物掺合料可替代部分水泥,降低混凝土温升峰值,延迟峰值发生时间,从而降低混凝土早期温度裂缝。粉煤灰及粒化高炉矿渣粉(简称:矿渣粉)是目前最常用的混凝土掺合料,粉煤灰、矿渣粉中的活性Al2O3和SiO2,可与水泥水化形成的Ca(OH)2反应,生成胶凝性的水化铝/硅酸钙,掺合料的微集料填充作用和二次水化作用,可优化混凝土孔结构,增加后期强度,提高抗渗性能、抗化学侵蚀等耐久性能,抑制碱骨料反应的不良影响。粉煤灰、矿渣粉替代部分水泥作为水泥混合料或混凝土掺合料使用,还有助于降低生产成本和工程造价。

优质粉煤灰中含有较多的球状和海绵状玻璃体,吸水率较低,球状颗粒在混凝土中可起到“滚珠润滑作用”,可改善新拌混凝土的工作性能,减少离析泌水,减少坍落度经时损失,便于泵送、浇筑、振捣;粉煤灰的活性比水泥低,可降低水化热峰值,延迟峰值发生时间,从而抑制大体积混凝土温度裂缝的形成与发展等;虽然粉煤灰的掺入对混凝土早期强度有一定的不利影响,但后期强度增长较大,甚至可能超过普通水泥混凝土。矿渣粉的掺入可明显改善混凝土的抗氯盐性能[11-12],但是对于大流动性泵送混凝土,单掺大量矿渣粉易引起泌水、离析、板结[13],利用粉煤灰与矿渣、硅灰复掺,可以实现优势互补。

因此,项目基于工程现状,拟通过提高粉煤灰和矿渣粉掺量,降低混凝土的水泥用量,优化内衬预应力混凝土配合比,降低混凝土绝热温升,从而减小混凝土温度应力,避免混凝土早期温度裂缝。

2 工程概况

某工程盾构隧洞外衬采用预制管片,外径8.3m,内径7.5m,衬砌管片厚0.4m,衬砌环宽1.6m,衬砌管片通过螺栓连接。内衬采用现浇后张预应力混凝土结构,采用C50W12F50预应力混凝土,厚度0.55m,环向预应力锚索布置间距0.5m,锚具槽左右交错布置,单束为8根无粘结预应力钢绞线组成,双层双圈布置,单个标准段共布置23束。

3 预应力混凝土配合比优化

3.1 混凝土设计性能指标

隧洞内衬预应力混凝土设计性能等级为C50W12F50;混凝土工作性能满足泵送施工要求,设计坍落度170mm～230mm;为满足结构耐久性要求,设计要求混凝土及其原材料满足以下要求:混凝土总碱含量小于2.5kg/m3,最大氯离子含量小于0.06%(设计年限100a),最大水胶比不大于0.40。标养28d混凝土试件氯离子扩散系数(RCM法)小于等于7.0×10-12m2/s。

3.2 试验研究方法

根据《水工混凝土试验规程》(SL/T 352-2020)标准进行室内试验,通过内衬预应力混凝土配合比优化试验及工作性能、力学性能、耐久性能及绝热温升等性能指标的研究,优选适宜配合比,并温控防裂仿真分析验证混凝土配合比及工程措施的可行性。

3.3 原材料

配合比优化试验用混凝土原材料各项性能指标均满足国家行业相关规范和设计要求。其中,水泥采用P·O52.5水泥,比表面积355m2/kg,氯离子含量0.024%,碱含量0.51%,3d、28d抗折强度5.8MPa、8.1MPa,3d、28d抗压强度32.5MPa、58.8MPa;粉煤灰采用F类Ⅱ级,活性指数78%,氯离子含量0.009%,碱含量0.84%;试验用矿渣粉第1批矿渣粉,比表面积519m2/kg,S95级,氯离子含量0.03%,碱含量0.30%,28d活性指数96%;第2批矿渣粉,比表面积412m2/kg,S95级,28d活性指数95%;外加剂采用B0Z-300型高性能聚羧酸减水剂(缓凝型),减水率27%,氯离子含量0.02%,碱含量1.64%,28d天抗压强度比159%;细骨料采用天然河砂,细度模数2.9,属Ⅱ区中砂,氯离子含量0.00%,属非碱活性骨料;粗骨料采用5mm～20mm人工碎石,压碎指标6.2%,属非碱活性骨料。

3.4 配合比优化设计

工程预应力内衬C50W12F50混凝土原施工配合比见表1“B3-0”,其胶凝材料用量454kg/m3,掺合料(单掺Ⅱ级粉煤灰)掺量15%,由于掺合料掺量偏低,水泥用量较高,混凝土早期水化热较高。

表1 隧洞内衬C50W12F50预应力混凝土配合比

为满足工程混凝土温控防裂要求,在外加剂缓凝组分调整的基础上,主要通过复掺粉煤灰、矿渣粉掺合料,提高掺合料掺量,以降低水泥用量,降低混凝土绝热温升,尤其是早龄期绝热温升。

根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011),预应力混凝土(水胶比≤0.40)采用普通硅酸盐水泥配制时,单掺粉煤灰最大掺量不超过30%,单掺矿渣粉最大掺量不超过45%,复掺掺合料最大掺量不超过45%。

在满足《水工混凝土试验规程》(SL/T 352-2020)、《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)等规程规范要求的基础上,设计了B3-1～B3-4 四种不同掺合料方案(试验配合比见表1),B3-1～B3-4复掺为粉煤灰分别为15%、15%、20%、20%,矿渣粉分别为0%、15%、20%、25%,总掺合料掺量15%～45%,满足规范最大掺量不超过45%的要求。通过研究不同掺合料掺量对混凝土绝热温升、力学性能及耐久性能等性能指标的影响,以优选出既能满足设计、施工要求,又能有效降低绝热温升的内衬预应力混凝土配合比。为了研究矿渣粉细度对混凝土绝热温升的影响,选择了两种不同细度的矿渣粉进行同配合比比对试验,见配合比B3-3与B3-3(A),外加剂掺量按工作性调整。

为了尽可能降低水化热和混凝土绝热温升,在满足泵送混凝土工作性能及设计性能指标要求的基础上,尽可能降低混凝土胶凝材料。为确保混凝土抗压强度、工作性能满足设计指标及泵送施工要求,配合比优化试验时,根据粉煤灰、矿渣粉性能特点,微调胶凝材料用量和水胶比,保证混凝土抗压强度满足设计要求(混凝土配制强度59.0MPa);通过调整外加剂掺量,控制混凝土坍落度基本一致,满足泵送施工要求。

3.5 混凝土性能

3.5.1 混凝土工作性能

隧洞内衬C50W12F50预应力混凝土工作性能见表2,各混凝土配合比均满足泵送施工工作性能要求。由表2对比可知,随着胶凝材料总量降低,需增加水胶比、大幅增加外加剂掺量,以保证混凝土工作性能满足要求。这也说明,混凝土胶凝材料454kg/m3时,单方混凝土胶凝材料已接近泵送混凝土工作性能要求所需的临界点;胶凝材料降低至438kg/m3以下,混凝土骨料之间缺少足够浆液填充润滑,将无法满足泵送要求。对比B3-3与B3-3(A)可知,在配合比相同时,降低矿渣粉比表面积,混凝土达到工作性(坍落度)所需减水剂掺量降低。

表2 混凝土工作性能

3.5.2 混凝土力学性能

隧洞内衬C50W12F50预应力混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度及静压弹性模量见表3。

表3 混凝土力学性能

由表3可知,混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、静压弹性模量均随复掺掺合料总掺量的增加、水泥用量降低呈下降趋势,早龄期(7d)下降趋势较明显,28d、56d、90d强度下降趋势减缓;混凝土抗压强度之间的规律与劈裂抗拉强度、静压弹性模量的规律基本一致。总体而言,对后期强度影响较小。

相比单掺15%粉煤灰的B3-1,B3-2～B3-4中水泥掺量逐渐减少,掺合料复掺掺量逐渐增加,即使水胶比略有降低,抗压强度早期龄期仍有所降低,降低约3.3%～6.3%,这是因为矿渣粉、粉煤灰的28d活性通常低于水泥。但B3-2～B3-4与B3-1的后期抗压强度差距逐渐缩小,甚至90d时超过B3-1,这是由于粉煤灰、矿渣粉中的微细颗粒能充分填充水泥、骨料堆积体系中的部分孔隙,粉煤灰、矿渣粉中的活性二氧化硅、氧化铝与水泥水化产物中的硅酸钙、氢氧化钙等发生二次水化反应,生成硅酸钙、硫铝酸钙等,进一步填充混凝土中存留的孔隙而增加密实度,改善孔结构,因此可保证混凝土后期强度的发展。B3-1～B3-2混凝土的28d抗压强度即可达到配制强度,B3-3混凝土的56d抗压强度达到配制强度,而B3-4混凝土60d～90d龄期方可达到配制强度。混凝土中掺合料超过一定范围时,宜采用56d或90d龄期强度进行设计,以充分利用掺矿物掺合料混凝土的后期强度。

对比B3-3与B3-3(A)可知,矿渣粉比表面积从519m2/kg降低至412m2/kg,混凝土早期(7d)抗压强度下降10.8%,28d～90d抗压强度相差不大。

3.5.3 混凝土耐久性能

隧洞内衬C50W12F50预应力混凝土的抗渗等级、抗冻等级、氯离子扩散系数及混凝土碱含量、氯离子含量等耐久性相关性能指标结果见表4。

表4 混凝土耐久性能相关指标

由表4可知,各配合比28d、56d抗渗等级,28d抗冻等级均达到了C50W12F50预应力混凝土设计性能指标要求,其中B3-1～B3-4 56d龄期抗渗试验后检测平均渗水高度分别为:17mm、17mm、18mm和16mm。混凝土碱含量小于2.5kg/m3,总氯离子含量小于0.06%(设计年限100a),均满足设计要求。

B3-0、B3-2和B3-3混凝土28d龄期混凝土氯离子扩散系数(RCM法)均小于等于7.0×10-12m2/s,均满足设计要求。对比可知,相比原配合比B3-0,B3-2、B3-3混凝土复掺适量的粉煤灰、矿渣粉,其氯离子扩散系数显著降低,这是由于粉煤灰、矿渣粉在混凝土中起到填充作用和二次水化作用,可降低混凝土的孔隙率,改善孔结构,有效提高混凝土密实度,进而提高混凝土耐久性能。氯离子扩散系数是混凝土耐久性重要指标之一,混凝土氯离子扩散系数的显著降低,可从侧面体现混凝土抗渗性能的改善。

另外,混凝土中掺入一定量的粉煤灰、矿渣粉,降低水泥用量,混凝土总碱含量、氯离子含量均有所降低,对长期处于潮湿环境下的内衬预应力混凝土结构耐久性能有利。

3.6 混凝土绝热温升

隧洞内衬C50W12F50预应力混凝土各配合比对应的绝热温升试验结果见表5。采用最小二乘法按绝热温升双曲线式对绝热温升试验结果进行拟合,绝热温升θ的双曲线表达式:θ(τ)=θ0·τ/(n+τ),式中,θ0为混凝土最终绝热温升,τ为混凝土龄期,n为待定常数。得到拟合结果见表5,可知,拟合优度(R2)结果非常接近1,双曲线式的计算结果与试验值吻合良好。

表5 预应力C50W12F50混凝土绝热温升试验结果

由表5可知,相比单掺粉煤灰15%的原设计配合比B3-0,B3-1～B3-4及B3-3(A)混凝土的1d龄期绝热温升值均降低显著,这可能与混凝土外加剂缓凝组分的调整有关,部分外加剂缓凝组分能延长水化诱导期,抑制水泥早期水化,使混凝土初凝时间的延长、早期水化热降低。

从表5、图1中B3-1～B3-4绝热温升试验结果可知,在总胶凝材料用量略有增加或不变的前提下,随着掺合料总掺量的增加(15%、30%、40%、45%),水泥用量降低,混凝土绝热温升呈下降趋势,B3-4混凝土绝热温升最低;早期绝热温升值降低幅度较大,而后期绝热温升降低值逐渐减小。相比B3-1,B3-4对应混凝土1d、10d龄期绝热温升试验值降低5.2℃、3.6℃,绝热温升拟合终值降低约1.7℃。这说明采用粉煤灰、矿渣粉的替代水泥作为掺合料可以一定程度上降低混凝土绝热温升,但对后期绝热温升影响较小。

图1 不同掺合料掺量混凝土绝热温升值

从表5、图2中B3-3与B3-3(A)绝热温升试验结果可知,矿渣粉比表面积从约520m2/kg降低至约410m2/kg,混凝土1d、10d绝热温升均有所下降1.1℃、0.8℃,拟合终值降低约0.5℃,说明降低矿渣粉比表面积对降低早期绝热温升有一定作用。考虑到比表面积降低,矿渣粉活性下降,混凝土抗压强度等力学性能降低,比表面积增大还会增加混凝土早期的自收缩。因此,综合考虑矿渣粉细度的利弊,工程实际应用时矿渣粉细度宜控制在(450±30)m2/kg,这样既有利于降低混凝土早期水化热又有利于充分利用矿物掺合料的后期强度。

图2 不同矿渣粉细度混凝土绝热温升值

4 推荐预应力内衬混凝土施工配合比

试验结果表明,随着复掺粉煤灰、矿渣粉掺量的增加,水泥用量的降低,混凝土早期绝热温升及抗压强度、劈裂抗拉强度等力学性能均呈降低趋势,虽然后期混凝土绝热温升及力学性能之间差异缩小,但鉴于早期劈裂抗拉强度降低对混凝土早期裂缝防治不利,而隧洞内衬预应力混凝土开裂主要出现在早期,因此,需要综合考虑早期强度及混凝土绝热温升对温控防裂的影响。

B3-2混凝土28d抗压强度满足配制强度、B3-3混凝土56d抗压强度满足配制强度,混凝土工作性能、耐久性能等指标均满足设计要求,综合考虑混凝土设计龄期、力学性能、耐久性能、绝热温升及经济性等各项指标,初步确定B3-2和B3-3为较优配合比。温控防裂仿真分析结果表明,采用B3-2或B3-3混凝土配合比,综合采取控制混凝土浇筑温度小于27℃,喷水养护不少于28d(养护水温40℃～32℃阶梯式控制),隧洞腰线以下手孔封堵、铺设土工布降低约束等工程措施,混凝土抗裂系数有一定富余,满足温控防裂要求。

虽然B3-2和B3-3中矿物掺合料掺量均符合《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)中的规定,但《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》(DL/T 5055-2007)规定,预应力混凝土采用普通硅酸盐水泥配制时,F类粉煤灰最大掺量不超过15%;根据B3-2和B3-3在初步确定温控防裂方案下的仿真计算分析结果,相比B3-3,B3-2早期强度更高,早期开裂风险更低,因此,建议采用粉煤灰、矿渣粉掺量各15%的B3-2作为推荐混凝土配合比。

5 结语

通过优化预应力混凝土配合比,掺入一定量的粉煤灰、矿渣粉,减少水泥用量,可降低早期混凝土绝热温升,同时对长期处于潮湿环境下的内衬预应力混凝土结构耐久性能有利。超过一定范围时,宜采用56d或90d龄期强度进行设计,以充分利用掺矿物掺合料混凝土的后期强度。