自密實混凝土在預制綜合管廊生產中的實踐

吳成浩 ，解建光 ，李進 ，周利睿 ，邢士波 ，李可可 ，耿飛

（1.南京航空航天大學 土木工程系，江蘇 南京 210016；2.山東龍泉管道股份有限公司，山東 淄博 255000；3.江蘇方洋科技投資發展有限公司，江蘇 連云港 222066）

0 引言

綜合管廊是建設于城市地下用于容納二類及以上城市工程管線的建筑物及附屬設施，不僅緩解了城市交通擁堵問題，還極大方便了電力、通信、燃氣、供排水等市政設施的維護和檢修，是21世紀新型城市市政基礎設施建設現代化的重要標志之一，是城市發展的趨勢和潮流[1]，是充分利用地下空間的有效手段，已在全國范圍內推廣建設[2-3]。

根據工程規模、地質環境和使用功能（給水、污水、電力、通信等）的要求，綜合管廊的建設主要分為現澆和預制兩類[4]。工廠預制綜合管廊通常采用塑性混凝土澆筑，施工全程需要強力振動，極易導致混凝土過振，不僅使得管廊底板上表面形成較大直徑的凹坑，而且上頂板漿骨分離，形成10 cm厚的砂漿層；此外，持續振搗會帶來噪聲污染，還會讓模具產生變形、難以拼裝，增加生產成本。因此，采用高性能自密實混凝土，無需振搗，實現均勻密實地填充預制管廊，提高綜合管廊的質量和耐久性。

本文進行了預制管廊用C50自密實混凝土的制備，測試分析了水膠比、摻合料與砂率對其工作性能的影響，并在工廠進行了試生產，探討了預制管廊的表面質量以及質量缺陷的原因，為自密實混凝土在預制綜合管廊中的應用提供了理論參考和實踐經驗。

1 試驗

1.1 原材料

膠凝材料：水泥，當地產的P·Ⅱ42.5R水泥，性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；粉煤灰，Ⅱ級灰，細度16.5%，需水量比為101%；礦粉，S95級，流動度比為96%，7 d和28 d的活性指數分別為87%和105%。

集料：砂，河砂，細度模數3.3，含泥量1.0%；石，5～10 mm和10～20 mm的石子按1∶2的質量比摻配而成（符合5～20 mm連續級配要求），含泥量0.4%，大石子扁平狀略多，針片狀含量為14.8%，壓碎值為9.5%。

減水劑：江蘇某公司生產的固含量為40%的醚類聚羧酸型減水劑復配相容性較好的0.01%聚醚類消泡劑和0.003%脂肪醇類引氣劑而成。當減水劑摻量為0.3%時，水灰比0.29的水泥凈漿流動度為240 mm。

1.2 試驗方案和測試方法

由于綜合管廊尺寸較大、配筋密集，自密實混凝土應具有4個特性：在大落差與大流動性下保持不離析不泌水、自密實性能經時損失小、管廊表面氣孔少、蒸養后強度不損失。結合CCES 202：2004《自密實混凝土設計與施工指南》、GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》關于混凝土性能的相關要求，預制綜合管廊用自密實混凝土應達到以下設計指標：

（1）工作性能：混凝土自密實性能等級為二級，坍落擴展度為600～650 mm，T500擴展時間為2～12 s；

（2）力學性能：抗壓強度等級達到C50，28 d配制強度宜控制在60～65 MPa；

（3）表面質量：管廊表面不得出現直徑大于10 mm的氣孔。

自密實性能包括填充性、間隙通過性與抗離析性，不僅與混凝土的施工性能密切相關，也影響混凝土微觀結構的發展和勻質性，從而影響到混凝土的耐久性與變形性能。本文在基準配合比（見表 1）的基礎上，研究了水膠比（0.26、0.29、0.32）、砂率（0.38、0.42、0.46）以及礦粉摻合料（15%、20%、25%）3個因素對自密實混凝土工作性的影響，優化和完善預制管廊用自密實混凝土的配合比。

表1 預制管廊用自密實混凝土的基準配合比 kg/m3

新拌混凝土的自密實性能按照JGJ/T283—2012《自密實混凝土應用技術規程》和JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應用技術規程》進行測試。測試坍落擴展度時，應一次性使混凝土拌合物均勻填滿坍落度筒，且不得振搗。硬化混凝土強度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 水膠比對自密實混凝土工作性能的影響

在自密實、大流態混凝土的配比設計中，高效減水劑等使得混凝土的工作性能對單位用水量非常敏感[5-6]，研究水膠比對預制管廊用自密實混凝土工作性能的影響，結果見表2，不同水膠比下自密實混凝土的狀態如圖1所示。

表2 水膠比對自密實混凝土工作性能的影響

圖1 不同水膠比下自密實混凝土的狀態

由表2和圖1可見，對于C50自密實混凝土，水膠比為 0.26時，混凝土T500擴展時間較長，擴展度較??；水膠比為0.32時，雖然T500擴展時間較短，但是漿體粘聚性較差，出現輕微離析現象。分析原因可能是水膠比變?。磫挝挥盟繙p少）后，漿體粘聚性增大，導致拌合物的流動性、填充性與間隙通過性能變差；當水膠比過大時，漿體的粘聚性減小、流動性增加，導致混凝土拌合物的抗離析性下降、工作性能變差。因此，在其它配比參數與試驗條件相同的情況下，水膠比為0.29時混凝土的自密實性能較好。

2.2 砂率對自密實混凝土工作性能的影響

固定其它參數不變，研究砂率對預制管廊用自密實混凝土工作性能的影響，結果如表3所示，不同砂率下自密實混凝土的狀態如圖2所示。

表3 砂率對自密實混凝土工作性能的影響。

圖2 不同砂率下自密實混凝土的狀態

從表3和圖2可以看出，隨著砂率從0.38增大到0.46，混凝土拌合物的擴展度越來越大，T500擴展時間越來越短，說明在一定范圍內，增加砂率可以改善漿體的自密實性能。這是因為砂率對漿體的流變性能存在著雙重效應：（1）在一定范圍內，砂主要起圓形顆粒的滾動減水效應，可以在一定程度上改善流變性能；（2）若砂率超過一定范圍，隨著砂的總表面積增大，需要更多的自由水潤濕表面，導致漿體變得粘稠、流動性能變差[7]。此外，砂率過大會減小自密實混凝土的彈性模量，削弱抵抗變形的能力。因此，綜合考慮工作性能與彈性模量，選取砂率為0.42時自密實混凝土的工作性能較優。

2.3 摻合料對自密實混凝土工作性能的影響

自密實混凝土使用了大量的膠凝材料，若僅用水泥作為膠凝材料，容易導致混凝土早期水化熱多、硬化收縮大以及耐久性差等缺陷。在自密實混凝土中添加礦物摻合料，合理搭配膠凝材料，不僅能夠改善其工作性能，還可以發揮礦物摻合料的物理效應、填充效應和火山灰效應，形成密實均勻的結構，并提高自密實混凝土的耐久性能[8-9]。固定其它參數不變，研究粉煤灰與礦粉2種摻合料按1∶1的質量比雙摻時，摻合料總用量對預制管廊用自密實混凝土工作性能的影響，結果如表4所示，不同摻合料用量自密實混凝土的狀態如圖3所示。

表4 摻合料總用量對自密實混凝土工作性能的影響

圖3 不同摻合料用量時自密實混凝土的狀態

由表4和圖3可以看出，摻合料總用量從15%增加到25%時，自密實混凝土的工作性能越來越好。這是因為粉煤灰與礦粉按1∶1的質量比雙摻時，可以在水泥基材料中發揮出“疊加效應”和“超疊加效應”，且優于單摻粉煤灰或礦粉的性能[9]。但是，摻合料是低活性材料，用量過多會導致混凝土的早期抗壓強度降低，影響預制管廊的脫模與吊裝。綜合考慮，摻合料總用量為20%（其中粉煤灰與礦粉各摻10%）時，自密實混凝土的工作性能較優。

3 工程應用

3.1 自密實混凝土管廊制備

工廠預制管廊為單倉管廊，規格為（B×H×L）2600 mm×3000 mm×2000 mm，壁厚為250 mm。試生產時，按照施工工藝，進行各種原材料的計量、混合攪拌，生產配合比見表5，單位用水量根據原材料狀態可進行適當調整。配制的混凝土自密實性較好，物理力學性能如表6所示，滿足設計要求。

表5 城市地下綜合管廊用C50自密實混凝土的配合比 kg/m3

地下管廊的制備工藝流程如圖4和圖5所示。

圖4 自密實混凝土地下綜合管廊制備工藝流程

圖5 自密實混凝土綜合管廊的制備過程

澆筑時，為保證自密實混凝土的工作性能，配備2個料斗（每斗約 3.2 m3）從鋼模上方進行澆筑[見圖 5（a）]，先從模具一側立面正上方開始澆筑，使得鋼模下部充滿混凝土。待混凝土達到頂面后換至另一側立面正上方進行澆筑，兩側立面澆滿混凝土后緩慢移動料斗持續澆筑，直至澆筑完成。最后刮除多余混凝土并抹平[見圖5（b）]，靜置 5 h后進行 8 h蒸汽養護[見圖 5（c）]，養護完成后拆除模具并放置于沙地存放[見圖 5（d）]。

料斗出料速度由施工人員手動控制，澆筑時料斗要左右擺動，以便澆筑均勻。澆筑過程中要進行輔助振動，每澆1 m3的料要輔助振動，每次振動約20 s左右。

3.2 自密實混凝土管廊表面質量

管廊混凝土靜置5 h后開始蒸汽養護，8 h后脫模，發現自密實混凝土澆筑的預制管廊也存在一些表面質量問題，主要有以下幾點：

（1）預制管廊底板上表面存在很多微小氣孔[見圖6（a）]，與普通混凝土澆筑的綜合管廊相比，氣孔直徑較小，而普通混凝土澆筑的管廊局部凹坑直徑可達120 mm；（2）預制管廊外立面局部缺漿、石子裸露[見圖 6（b）]，有 4～5 處出現此情況；（3）預制管廊出現多處水紋以及起砂的情況[見圖6（c）]。

自密實混凝土預制管廊質量缺陷產生的原因主要有以下幾點：（1）管廊結構比較復雜，整體布筋較密，容易導致石子堵塞，影響混凝土的流動和填充密實；同時，管廊高度達3 m，澆筑落差大，易出現漿骨分離的情況。（2）在原材料上，骨料級配較差，大石子中扁平狀居多。（3）兩次料澆筑時間間隔較長，會導致第一斗料的流動性和自密實性損失，以致在第二斗料澆筑時難以保證第一斗料的流動和重新填充模板。（4）進行輔助振動時，只有鋼模外表面有振動器，內表面則沒有，局部氣孔難以排除。

自密實混凝土預制管廊質量缺陷的改善措施：（1）宜采用5～20 mm連續級配的石子（針片狀含量不大于8%，含泥量不大于1.0%）；（2）在減水劑中復配增粘組分，可改善漿體的粘聚性，減少泌水；（3）2斗料澆筑的時間間隔應小于10 min，并盡可能短。

圖6 預制管廊的表面質量缺陷

4 結語

（1）原材料與配比參數顯著影響自密實混凝土的工作性能。隨著水膠比增大，混凝土的流動性增加，離析泌水傾向加大；當砂率從0.38增至0.46時，拌合物的擴展度增大、T500擴展時間縮短；摻合料總用量從15%增加到25%時，自密實混凝土的工作性能變好，但早期抗壓強度降低，影響預制管廊的脫模與吊裝。

（2）進行工程應用時，需要綜合考慮自密實混凝土的工作性能、物理力學性能以及表觀質量等。除了嚴格控制原材料性能和配合比參數等，還可以改變澆注工藝來提高產品質量，如保證澆注過程的連續性，進行短時輔助振搗等。

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