港珠澳大桥全断面浇筑沉管低热低收缩高性能混凝土配制及优选
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【混凝土】 预拌混凝土 （2014年05期）
【作者】 李超； 王迎飞； 张宝兰； 刘行； 李士伟；
【机构】 中交四航工程研究院有限公司；
【摘要】 通针对港珠澳大桥沉管混凝土高工作性、高强度、高抗裂性以及长寿命等要求,采用混掺大掺量粉煤灰与矿渣粉胶凝材料体系配制低热、低收缩的沉管混凝土。通过配合比组成因素对混凝土工作性、强度、耐久性以及抗裂性影响的分析,结合混凝土温度应力测试以及抗裂安全系数计算,优选出满足沉管各项性能要求且具备最佳抗裂性能的低热低收缩高性能混凝土配合比,并在港珠澳大桥沉管预制中得到应用,成功避免了沉管节段早期危害性裂缝的产生。 更多还原
【关键词】 沉管； 低热低收缩高性能混凝土； 温度应力； 抗裂安全系数；
1 前言
港珠澳大桥沉管隧道是我国交通建设史上技术最复杂、标准最高的海中隧道工程，也是当今世界范围内长度最长、埋置最深、单孔跨度最宽、单节柔性管节最长、规模最大的海底公路沉管隧道之一[1~3]。大桥的沉管隧道设计使用寿命为120年，其最大埋入深度在-40m左右，混凝土结构需要长期承受高压海水作用，沉管管节混凝土不允许出现危害性裂缝，对混凝土抗裂防渗性能提出了极高要求[4]。为控制施工期危害性裂缝的产生，沉管预制采用了原材料降温、冷却水和碎冰拌合、自动喷淋水雾保温保湿养护等技术措施，但其中最重要的还是要解决如何提高混凝土材料自身抗裂性的问题[5~7]。因此，根据沉管结构的复杂性以及工厂化预制施工工艺要求，针对水化热与收缩这两个影响混凝土结构抗裂性能的主要因素，优选合适的混凝土原材料，配制满足工作性、强度、寿命要求的低热低收缩混凝土，将从根本上降低沉管混凝土结构的开裂风险。
2 混凝土配合比设计
2.1 沉管混凝土性能指标要求
港珠澳大桥预制沉管其结构安全、拆模、顶推施工等对混凝土强度的要求，120年设计使用寿命对混凝土抗氯离子渗透性要求，抵抗40m水深水压力对混凝土抗渗性要求，采用泵送方式进行全断面连续浇筑对混凝土工作性要求均如表1所示。
由于水化热与收缩是影响混凝土结构抗裂性能的关键因素，为保证沉管结构在施工期不出现危害性裂缝，沉管混凝土必须具有低热、低收缩的性能，要求混凝土的绝热温升不大于43℃，混凝土90d龄期的干燥收缩不大于300×10-6。
2.2 原材料
华润水泥（平南）P·II42.5硅酸盐水泥，比表面积为330m2/kg，其熟料C3A含量为7.5%；谏壁电厂I级风选粉煤灰，需水量比为94%；唐山盾石S95级矿渣粉，比表面积为416 m2/kg，7d、28d活性指数分别为76%、102%；新会白水带5~20mm连续级配无碱活性花岗岩碎石，紧密堆积空隙率为37%，含泥量为0.3%；广东西江细度模数为2.6~2.9的无碱活性河砂，松散堆积空隙率为42%，含泥量为0.4%；江苏博特PCA-I型缓凝型聚羧酸高性能减水剂，减水率为28%，掺减水剂混凝土的28d收缩率比为97%。
2.3 混凝土配合比
利用优选的混凝土原材料按照配合比设计体积法，在380~450kg/m3胶凝材料用量、65~50%矿物掺合料用量比例、0.33~0.37水胶比范围内配制沉管混凝土如表2所示，各组混凝土的坍落度均控制在180~220mm范围，含气量控制在1.5~2.5%范围。
2.4 试验方法
（1）混凝土抗氯离子渗透性测试：按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）中快速氯离子迁移系数法测试混凝土氯离子扩散系数。
（2）混凝土温度应力测试：利用北京航源平洋科技发展有限公司生产的HYPY-Ⅱ混凝土温度应力试验机进行温度应力测试，在100%约束条件下，控制混凝土入模温度为20~24℃，当混凝土试件达到最高温峰时保温72h，然后按照2.0±0.5℃/h的速率进行急速冷却，直至试件断裂，以最高温度与开裂温度之差的断裂温度作为评价混凝土抗裂性能的核心指标。
3 试验结果分析
3.1 混凝土工作性
由表2中可以看出胶凝材料用量为450kg/m3、水胶比为0.37的C1配合比，新拌混凝土浆体富余且有轻微泌水，水胶比为0.33的C2配合比混凝土虽然保水性明显增强，但浆体仍旧富余较多且具有一定的粘滞性、不易铲动；胶凝材料用量为420kg/m3的C3~C9这7组混凝土，水胶比为0.37的C3配合比，新拌混凝土轻微泌水，水胶比为0.33的C9配合比，混凝土无泌水现象，但混凝土流动性差、粘性大且抓底，其余5组水胶比为0.35的C4~C8配合比，新拌混凝土流动性良好，无离析、泌水，混凝土粘聚性良好；胶凝材料用量分别为400 kg/m3、380 kg/m3的C10、C11这两组混凝土，虽然混凝土无离析、泌水现象出现，但流动性以及浆体对集料的包裹性明显降低。
胶凝材料用量及水胶比是影响沉管混凝土工作性的重要因素。以420kg/m3的胶凝材料用量为基准，增大胶凝材料用量，混凝土浆体富余，易泌水且不利于降低混凝土收缩总量，但降低胶凝材料则易导致混凝土流动性及包裹性降低；以0.35水胶比为基准，在相同胶凝材料用量条件下，增大水胶比，混凝土保水性降低，降低水胶比，混凝土流动性降低、粘性增大。
3.2 混凝土强度
各组配合比不同龄期的抗压强度如表3所示。
各组配合比28d龄期的抗压强度均大于45MPa，56d龄期抗压强度均大于50MPa，但水胶比为0.37的配合比与水泥在胶凝材料中所占比例为35%的配合比3d龄期抗压强度均小于25MPa。
水胶比、水泥所占比例对沉管混凝土抗压强度影响分别如图1及图2所示。在保持胶凝材料用量以及胶凝材料组成不变的条件下，随着水胶比增大混凝土强度明显降低，水胶比增大至0.37时，混凝土3d龄期抗压强度不满足要求，28d龄期以及56d龄期抗压强度保证率迅速降低。
在胶凝材料用量以及水胶比不变的条件下，随着水泥在胶凝材料中所占比例从35%增加至50%，混凝土抗压强度随着水泥所占比例的提高而增大。水泥所占比例为45%与40%，会略微降低混凝土在3d与7d龄期的抗压强度，但28d抗压强度增长速率明显高于50%水泥的配合比，到56d龄期时以45%水泥配合比的抗压强度最高，40%水泥与50%水泥的56d龄期抗压强度接近，而35%水泥抗压强度在3~56d龄期内的抗压强度均为最低。在水泥所占比例为40~50%的环境中，可充分激发出矿物掺合料活性，参与胶凝材料水化，填充混凝土中的空隙，提高混凝土的密实度。
3.3 混凝土耐久性
各组配合比不同龄期的氯离子扩散系数及抗水压渗透性如表4所示。
随着龄期的增长，混凝土抗氯离子渗透性明显提高，各组混凝土28d、56d的氯离子扩散系数均满足设计指标要求，但各组配合比的氯离子扩散系数保证率存在明显差异，水胶比、胶凝材料组成、胶凝材料用量等因素对混凝土氯离子扩散系数变化规律的影响不尽相同。水胶比对混凝土抗氯离子渗透性影响如图3所示。在胶凝材料组成及胶凝材料用量不变的条件下，当混凝土的水胶比从0.33增大至0.37，混凝土28d龄期氯离子扩散系数增大至6.4×10-12m2/s，混凝土抗氯离子渗透性明显降低，虽然仍旧满足设计指标要求，但富余量明显降低。为确保工程中混凝土的氯离子扩散系数与设计要求相比具有较好的保证率，沉管混凝土水胶比应不大于0.35。
水泥在胶凝材料中所占比例对混凝土抗氯离子渗透性影响如图4所示。在胶凝材料用量以及水胶比不变的条件下，矿物掺合料比例的改变对混凝土氯离子扩散系数变化规律的影响比较复杂。这与矿物掺合料在混凝土中的填充作用、在碱性环境中参与水化反应的程度以及对氯离子的结合作用密切相关，在水泥所占比例为40~50%环境中能充分发挥矿物掺合料作用，确保混凝土在28d龄期及其之后均具有较低的氯离子扩散系数。
各组混凝土配合比在28d龄期的抗水压渗透等级均大于P12，具有良好的抗水压渗透性能，满足沉管抗水压渗透性的要求，说明配合比的胶凝材料用量、矿物掺合料用量比例以及水胶比在沉管配合比所述范围内改变对混凝土抗水压渗透等级无明显影响。
3.4 混凝土抗裂性能
3.4.1干燥收缩
各组配合比在90d龄期内的干燥收缩如图5所示。
除了C1、C2两组胶凝材料用量为450kg/m3的配合比在90d龄期内的干燥收缩超过了300×10-6，其余各组的干燥收缩均满足沉管混凝土的要求。对于以大掺量混掺矿物掺合料、较低水胶比为主要特征的沉管混凝土，胶凝材料用量是影响混凝土干燥收缩的主要因素，控制混凝土胶凝材料用量不超过420kg/m3就可以确保混凝土干燥收缩满足设计要求。
3.4.2绝热温升
各组配合比绝热温升如图6所示。除了C1胶凝材料用量为450kg/m3的配合比、C8水泥在胶凝材料中占50%的两组配合比外，其余各组的绝热温升均满足沉管混凝土要求。
影响沉管混凝土绝热温升的主要因素是水泥在胶凝材料中所占比例以及胶凝材料用量。在固定水胶比以及胶凝材料用量的条件下，随着混凝土胶凝材料中水泥所占比例的增加，混凝土绝热温升逐渐增大，对水泥所占比例与绝热温升关系进行回归拟合，可得相关很好的线性关系，如图7所示。在胶凝材料中水泥比例为35~50%范围内，混凝土中水泥所占比例每增加5%，混凝土的绝热温升降低1.8℃。
在固定水胶比以及胶凝材料组成的条件下，随着混凝土中胶凝材料用量的增加，混凝土的绝热温升不断增大，对混凝土中胶凝材料用量以及绝热温升进行回归拟合，也可以得到相关性很好的线性关系，如图8所示。在胶凝材料用量为380~420kg/m3的范围内，混凝土中的胶凝材料用量每增加20kg/m3，混凝土的绝热温升提高2.0℃。
3.4.3温度应力
通过温度应力试验测试混凝土抗裂指标，并计算各组混凝土的抗裂安全系数，具体如表5所示。
各配合比沉管混凝土中，胶凝材料用量不大于420kg/m3、水泥所占比例不大于45%的C4、C5、C6、C7、C10、C11六组配合比断裂温差大于50℃、抗裂安全系数大于1.4，具有较优的抗裂性能。通过温度应力测试以及抗裂安全系数计算可以发现，影响混凝土抗裂性能的显著规律性因素是胶凝材料用量以及水泥在胶凝材料中所占比例。在380~450kg/m3胶凝材料用量范围内，随着胶凝材料用量的增加，混凝土断裂温度升高，断裂温差以及抗裂安全系数下降，混凝土抗裂性能降低。在35~50%水泥比例范围，随着水泥比例的增大，混凝土断裂温度随之升高，断裂温差以及抗裂安全系数下降，混凝土抗裂性能降低。
混凝土温度应力试验的抗裂性评价显示，在沉管混凝土配合比特定的范围内，胶凝材料用量越低以及水泥所占比例越小的混凝土抗裂性能越好，但胶凝材料用量以及水泥比例分别对混凝土的工作性、强度以及抗氯离子渗透性等性能有显著影响。因此，选择沉管配合比，不能仅着重于混凝土配合比的抗裂性能。
3.5 配合比优选
综合考虑各配合比因素对混凝土性能的影响，在兼顾沉管全断面浇筑施工工作性要求、强度要求、耐久性要求前提下，优选出具有最佳抗裂性能的沉管配合比如表6所示。其中水泥占胶凝材料比例为45%的是首选配合比，水泥占胶凝材料比例为40%的是夏季高温期间施工的备用配合比，优选配合比绝热温度低于43℃、干燥收缩小于300×10-6，满足混凝土低热、低收缩性能要求。
4 结论
（1） 胶凝材料用量及水胶比是影响沉管混凝土工作性的主要因素，胶凝材料用量为420kg/m3、水胶比为0.35的配合比具有最佳工作性能。
（2） 水胶比及水泥在胶凝材料中所占比例是影响混凝土强度、抗氯离子渗透性的主要因素，水胶比不大于0.35、水泥所占比例40~50%配合比的抗压强度、氯离子扩散系数满足沉管混凝土性能要求。
（3）采用大掺量矿物掺合料、较低水胶比技术配制的高性能混凝土均满足沉管混凝土抗水压渗透等级要求。
（4） 胶凝材料用量及水泥在胶凝材料中所占比例是影响沉管混凝土抗裂性能的主要因素，胶凝材料用量不大于420kg/m3、水泥所占比例不大于45%的配合比抗裂性能满足设计要求。
（5）通过综合性能对比，优选出满足沉管工作性、强度、耐久性以及抗裂性要求的低热低收缩高性能混凝土配合比，在港珠澳大桥沉管预制的七十二个节段中成功应用，并结合各种施工控制技术措施，成功避免了沉管早期危害性裂缝的产生。
参考文献：
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[3] Ahmet Gokce, Fumio Koyama, Masahiko Tsuchiya, TurgutGencoglu. The challenges involved in concrete works of Marmaray immersed tunnelwith service life beyond 100 years[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2009(24):592-601.
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[7] 邓世汉，熊建波等. 箱型沉管抗裂混凝土的配合比优化设计[J].水运工程，2010,6:132-135.
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