超保坍混凝土在軌道交通工程中應(yīng)用
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引言
隨著北京市城市建設(shè)的不斷擴(kuò)張，交通流量居高不下，為了緩解地上車輛和人流的壓力，政府部門大力發(fā)展軌道交通建設(shè)。北京市城區(qū)內(nèi)地鐵工程的車站和隧道大多采用地下暗挖的施工工藝，有些區(qū)域條件允許下也采用地平開挖的方式施工。當(dāng)施工場(chǎng)地的使用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于結(jié)構(gòu)施工工期時(shí)，則采用蓋挖逆向法的施工工藝，該工藝對(duì)混凝土在長時(shí)間下的工作性能要求比其他工藝對(duì)混凝土的要求更高。常規(guī)混凝土的2h坍落度損失小于20mm，初凝時(shí)間8～10h，終凝時(shí)間10～12h，目前國內(nèi)研究中混凝土的凝結(jié)時(shí)間可以延長至30h以上，但很少能使混凝土坍落度延長至18h以上。本文研究強(qiáng)度等級(jí)C40的超保坍混凝土，試驗(yàn)證明，該超保坍混凝土18h后不需要二次攪拌，坍落度180mm以上，擴(kuò)展度350～450mm，初凝時(shí)間30～32h，終凝時(shí)間33～35h，在實(shí)際工程中得到了很好的應(yīng)用，為以后軌道交通建設(shè)中混凝土的應(yīng)用提供了一定參考。
1影響混凝土保坍性能的因素
（1）水泥水化速度。混凝土中水泥的用量越大其水化放熱速度就越快，對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間和坍落度保持的影響也就越大，為此在混凝土中摻入大量優(yōu)質(zhì)的粉煤灰，有利于降低膠凝材料的需水量，同時(shí)用粉煤灰取代部分水泥可延緩水泥的水化速度，有效控制混凝土的水化溫升，粉煤灰的摻入可改善混凝土的粘稠度，提升混凝土的工作性能。（2）混凝土中的含氣量。外加劑中引氣組份可以在新拌混凝土?xí)r引入一定數(shù)量氣泡，氣泡存在于水泥漿體中，水膠比越低水泥漿體越黏稠，氣泡逸出越困難，由此引起的坍落度損失較小。 （3）外加劑的選擇。聚羧酸復(fù)合型高效減水劑應(yīng)具有減水、緩凝、降低坍落度損失、引氣等作用，其中緩凝組份在水泥顆?；蚱渌锉砻娴奈揭鹚嗨泳彛娱L了混凝土凝結(jié)時(shí)間，降低混凝土的坍落度損失，同時(shí)緩凝組份也具有減水作用。
2超保坍混凝土的研究技術(shù)路線
（1）混凝土的出機(jī)狀態(tài)按照自密實(shí)混凝土狀態(tài)控制，坍落度大于220mm，擴(kuò)展度大于600mm，混凝土具有良好的和易性和包裹性。（2）通過調(diào)整混凝土中聚羧酸外加劑的引氣、緩凝、保持坍落度等組份，實(shí)現(xiàn)混凝土在長時(shí)間靜停下仍然具有良好的工作性能。（3）混凝土配合比采用低水膠比和大摻量礦物摻合料的思路，在保證強(qiáng)度的同時(shí)降低膠凝材料水泥用量，延緩水化放熱速度。
3原材料及混凝土配合比
水泥：北京金隅琉璃河水泥有限公司，P·O 42.5水泥，比表面積345m2/kg，堿含量0.54%，28d抗壓強(qiáng)度53.5MPa。粉煤灰：秦皇島熱力發(fā)電廠，F(xiàn)類Ⅰ級(jí)，細(xì)度10%，需水量比93%，燒失量1.8%，游離氧化鈣含量0.2%。礦粉：三河興達(dá)建材有限公司，S95級(jí)，比表面積441m2/kg，7d活性指數(shù)80%，28d活性指數(shù)102%。砂：北京榆構(gòu)砂石有限公司，II區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.5，含泥量2.0%，泥塊含量0.5%，含水率≤8.0%。石：北京榆構(gòu)砂石有限公司，5～25mm碎石，含泥量0.5%，泥塊含量≤0.2%，含水率≤1.0%，壓碎指標(biāo)4.3%，針片狀含量≤5%。聚羧酸減水劑：河北合眾建材有限公司，減水率28%，含氣量3.5%，初凝時(shí)間34h，終凝時(shí)間36h，混凝土坍落度損失≤20mm（以C40混凝土配合比為基準(zhǔn)）。本研究選用C40混凝土，水灰比0.37，砂率42%，具體配合比見表1。
4混凝土相關(guān)試驗(yàn)
4.1外加劑的選擇
外加劑中保坍組份和緩凝組份的配置需要通過試驗(yàn)確定，緩凝或保坍組份過多或過少都會(huì)造成混凝土的工作性能、凝結(jié)時(shí)間不能滿足要求，考慮到實(shí)際施工環(huán)境的復(fù)雜，混凝土拌合后要觀察20h后的保坍情況，試驗(yàn)選擇三種不同配方的緩凝保坍型減水劑Y1、Y2、Y3，混凝土的和易性見表2。由表2可知，三種外加劑中，Y3的坍落度滿足要求，混凝土和易性良好，觸變性正常，凝結(jié)時(shí)間滿足施工技術(shù)要求。
4.2混凝土的水化熱
在混凝土中添加超保坍減水劑，保證混凝土20h后具有一定的凝結(jié)時(shí)間、坍落度和良好的流動(dòng)性、包裹性。但配合比中的水泥用量對(duì)外加劑的保坍性能、凝結(jié)時(shí)間、水化放熱速度有一定影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩組配合比進(jìn)行（見表3）。圖1為水泥的水化放熱速度。由表3可知，添加同種外加劑Y3，改變水泥用量，當(dāng)水泥用量較小時(shí)，初凝時(shí)間較長。由圖1可知，采用大摻量礦物摻合料的配合比，混凝土拌合物的水化速度得到明顯的延長。
4.3不同季節(jié)超保坍混凝土模擬試驗(yàn)
冬季地下恒溫：在地上挖一個(gè)和樁孔尺寸相近的坑（直徑2m），生產(chǎn)6m超保坍混凝土灌注到樁孔內(nèi)，環(huán)境溫度-1～7℃，20h后在坑內(nèi)取樣檢測(cè)混凝土和易性，結(jié)果見表4。夏季高溫環(huán)境：9月份在室外支3m×2m×1m的模具，生產(chǎn)6m3超保坍混凝土灌注到模具中，環(huán)境溫度20℃～30℃，18h后在模具內(nèi)取樣檢測(cè)混凝土和易性，結(jié)果見表5。由表4和表5可知，通過采用大摻量礦物摻合料和摻加緩凝保坍型減水劑的混凝土拌合物無論是在冬季或是夏季靜停18h都依然具有良好的工作性能。
4.4混凝土強(qiáng)度
對(duì)表3配合比的混凝土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室7d、28d、56d抗壓強(qiáng)度的測(cè)試，組別2增加一次生產(chǎn)模擬中的抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見表6。由表6可知，組別2實(shí)驗(yàn)室混凝土的早期強(qiáng)度（7d）僅達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的83%，28d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度138%，56d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的176%且還在持續(xù)增長。緩凝保坍型減水劑對(duì)早期強(qiáng)度還是有些影響，但后期強(qiáng)度增長正常。
4.5超保坍混凝土質(zhì)量控制要點(diǎn)
（1）攪拌站設(shè)置專用機(jī)組對(duì)超保坍混凝土的材料進(jìn)行單獨(dú)儲(chǔ)存和生產(chǎn)；（2）嚴(yán)格控制原材料進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量，對(duì)粉料、砂子和外加劑進(jìn)行車檢，外加劑進(jìn)場(chǎng)時(shí)需要進(jìn)行與水泥的適應(yīng)性試驗(yàn)，滿足要求方可打入倉內(nèi)；（3）混凝土生產(chǎn)中安排質(zhì)量控制人員對(duì)每盤混凝土狀態(tài)進(jìn)行全程監(jiān)控，當(dāng)混凝土拌合物發(fā)生波動(dòng)時(shí)及時(shí)對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)整，保證本車混凝土拌合物質(zhì)量滿足要求；（4）混凝土開盤時(shí)對(duì)出機(jī)混凝土拌合物進(jìn)行坍落度、流動(dòng)度、含氣量等測(cè)試，使用體積不小于20L密閉容器儲(chǔ)存混凝土，待20h后查看混凝土拌合物狀態(tài)；（5）運(yùn)輸車輛必須將罐體內(nèi)部清洗干凈并將刷罐水放干凈后方可進(jìn)站裝運(yùn)混凝土，卸載完后對(duì)將罐體內(nèi)部清洗干凈再裝運(yùn)其他混凝土，罐車運(yùn)輸過程中禁止私自加水或添加外加劑；（6）混凝土生產(chǎn)完成后質(zhì)量控制人員查看罐內(nèi)混凝土拌合物在靜態(tài)下的狀態(tài)，無分層泌漿，坍落度、和易性滿足要求方可出站；（7）混凝土到場(chǎng)后，施工單位要逐車進(jìn)行混凝土坍落度試驗(yàn)，使用密閉的容器對(duì)每車混凝土進(jìn)行留樣，待鋼管柱施工時(shí)查看混凝土拌合物性能。
5工程應(yīng)用
蓋挖逆向施工法的步驟是：（1）在地面向下做基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和中間的承載樁，通常圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅做到頂板的搭接處，中間的承載樁灌注到結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高處，將預(yù)制好的鋼管柱插入到混凝土內(nèi)2m并固定，待樁基內(nèi)混凝土達(dá)到終凝后對(duì)鋼管柱外的樁基用碎石回填，所有樁-柱施工完成；（2）在地面上開挖至主體結(jié)構(gòu)頂板底面標(biāo)高并澆筑形成地下結(jié)構(gòu)的永久頂板或直接為臨時(shí)路面的蓋板，頂板的鋼筋與鋼管柱相連接，此時(shí)鋼管柱為該建筑物的結(jié)構(gòu)支撐柱；（3）后續(xù)工作都是在板頂以下進(jìn)行施工作業(yè)，自地下1層開始，按照-1、-2、-3的次序，自上而下逐層開挖，每挖一層澆筑本層底板（同時(shí)也是下一層的頂板）和邊墻，逐層建造主體結(jié)構(gòu)直至整體結(jié)構(gòu)的底板澆筑完成。北京地鐵16號(hào)線工程土建施工19合同段，木達(dá)區(qū)間盾構(gòu)接收井（含）～達(dá)宮營站（含），1站1區(qū)間，與7號(hào)線達(dá)宮營站呈“L”型換乘。車站外掛換乘廳為地下三層埋深26.1m，外掛換乘廳主體采用蓋挖逆作施工。外掛換乘廳中間柱29根，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，中柱基礎(chǔ)樁為鉆孔灌注樁Φ2000mm（如圖2所示），有效樁長有24m及25m兩種，鉆孔深度分別為28根51.22m與1根59.52m，永久立柱采用直徑900mm壁厚20mm鋼管柱，按柱頂至地面高度約為5m，永久立柱的有效長度分別為28根24.23m、1根31.53m，鋼管柱（如圖3所示）插入灌注樁連接長度2m。我公司在2015年10月為其供應(yīng)超保坍混凝土一共2500立方米，混凝土28d強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的130%以上。
6結(jié)論
（1）通過對(duì)聚羧酸減水劑的減水、緩凝、保坍和引氣等組份調(diào)配，在不同環(huán)境下可有效的控制混凝土的凝結(jié)時(shí)間和坍落度損失。（2）采用低水膠比、大摻量礦物摻合料的技術(shù)路線，使用專用外加劑可使混凝土拌合物的工作性能延長至20h以上。（3）特種混凝土在試驗(yàn)室研究成功投入實(shí)際工程應(yīng)用前必須進(jìn)行模擬試驗(yàn)；通過模擬實(shí)際施工的工藝和環(huán)境，驗(yàn)證混凝土是否能滿足工藝要求，制定混凝土質(zhì)量控制的保障方案，確保混凝土在實(shí)際工程中順利使用。
作者:劉文秀 周向東 張金鵬 張勇 單位:北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 北京榆構(gòu)有限公司
