港珠澳大橋人工島隧道混凝土配制技術研究

焦運攀 ，劉可心 ，高凡 ，占文

（1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040）

0 引言

港珠澳大橋隧道總長約6289 m，其中沉管隧道長約5664 m，東西人工島隧道長約625 m[1]。人工島隧道結構具有超大斷面、鋼筋密集等特點，設計要求混凝土密實無裂縫，結構耐久無滲水，使用壽命120年[2]。沉管隧道混凝土結構，采用分段工廠化預制，浮運至沉放地點拼接組裝。而人工島隧道混凝土結構要求現場澆筑，人工島所處環境較差，高溫時間較長，常年濕度較大，水蒸氣中氯離子含量較高，同時澆筑與養護條件遠不如工廠化預制優越[3-6]。但對混凝土的工作性、強度、耐久性以及體積穩定性等性能指標要求嚴格，要求混凝土結構具備高抗裂、低滲透、長壽命的特點[7-8]。

因此，根據人工島隧道的結構特點以及施工工藝要求，分析混凝土配合比中的水膠比、膠凝材料用量以及組成對混凝土各項性能的影響規律，優選混凝土配合比，配制滿足工作性、強度、耐久性的低滲透高抗裂的高性能混凝土，降低隧道混凝土的開裂風險。

1 混凝土配合比設計

1.1 混凝土性能指標要求

根據人工島隧道的結構特點和施工要求，對其混凝土的工作性、強度、氯離子擴散系數、抗滲等級等技術參數提出了相應的要求（見表1）。同時要求混凝土的水膠比（W/B）不大于0.36，膠凝材料用量為360～480 kg/m3，為防止水化熱和干燥收縮引起的混凝土開裂，要求混凝土的絕熱溫升不超過43℃，90 d干燥收縮不大于300×10-6mm/mm。

表1 港珠澳大橋暗埋段沉管混凝土的配制要求

1.2 原材料

水泥：廣西平南生產的華潤P·Ⅱ42.5水泥，比表面積318 m2/kg，C3A含量7.0%；粉煤灰：江蘇諫壁電廠Ⅰ級粉煤灰，需水量比為94%；礦粉：首鋼盾石牌S95級礦粉，比表面積420 m2/kg，7 d、28 d活性指數分別為82%、109%；細骨料：廣西西江中砂，細度模數2.75；粗骨料：廣東江門白水帶碎石，5～20 mm連續級配；外加劑：江蘇博特聚羧酸鹽高性能減水劑，減水率不低于25%。

1.3 混凝土配合比

混凝土配合比優化設計采用體積法，試驗研究過程中膠凝材料用量為380～460 kg/m3、膠凝材料中水泥所占比例C/B為35%～50%、水膠比W/B為0.30～0.36，分析研究W/B、膠凝材料用量以及C/B的變化對混凝土各項性能的影響，各組試驗配合比參數見表2。試驗中混凝土坍落度控制在（200±20）mm，含氣量控制在（2.0±0.5）%。

表2 混凝土配合比參數

1.4 試驗方法

混凝土拌和物的工作性能依據GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》進行測試，力學性能依據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行測試，抗滲性能、氯離子擴散系數和干縮試驗依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性性能試驗方法》進行測試，絕熱溫升依據SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土的工作性能

對于大體積混凝土結構，新拌混凝土具有良好的工作性能是保證其硬化后性能的前提，在混凝土配合比中W/B和膠凝材料用量是影響新拌混凝土工作性能的重要因素。

由表 2可知，3#、9#配合比的 W/B 分別為 0.32、0.30，新拌混凝土保水性良好，但粘度較大，甚至出現抓底現象，工作性能較差；4#、10#配合比的W/B增大至0.34，新拌混凝土工作性能良好，無離析或泌水現象；5#配合比的W/B為0.36時，新拌混凝土粘度雖有所降低，但是保水性能下降，出現離析和泌水現象，工作性能不良。

1#、2#配合比的膠凝材料用量分別為 380、400 kg/m3，新拌混凝土雖然無離析泌水現象，但流動性和漿體對骨料包裹性不足；11#配合比的膠凝材料用量為460 kg/m3，新拌混凝土漿體富余且有輕微泌水現象；4#、10#配合比的膠凝材料用量分別為420、440 kg/m3，新拌混凝土漿體包裹性良好，無離析或泌水現象。

綜上可知，W/B為0.34，膠凝材料用量為420～440 kg/m3時，新拌混凝土的工作性能良好。若膠凝材料用量增加，新拌混凝土中富余的漿體較多，泌水風險較大；若膠凝材料用量減少，新拌混凝土的流動性及漿體的包裹性變差。若增大W/B，混凝土易產生離析泌水，保水性降低；若降低W/B，混凝土粘度增大，流動度變差。

2.2 混凝土的力學性能

各組配合比試樣在不同齡期的抗壓強度如表3所示。

表3 各組配合比試樣在不同齡期的抗壓強度

由表3可知，各組配合比試樣的28 d、56 d抗壓強度均高于設計指標，但W/B較高的5#配合比和C/B較低的6#配合比的早期強度較低。

當W/B作為單一變量時，W/B增大，混凝土的抗壓強度降低。當膠凝材料用量為420 kg/m3，W/B小于0.34時，混凝土強度富余量過多，但是工作性能較差，施工質量不易控制；W/B大于0.34時，混凝土強度偏低，強度保證率不足；W/B為0.34時，混凝土強度富余量較為合理。

當C/B作為單一變量時，C/B在35%～50%范圍內時，混凝土抗壓強度隨著C/B的增大總體呈現上升的趨勢。當W/B為0.34、膠凝材料用量為420 kg/m3時，分析C/B的變化對混凝土抗壓強度的影響可知，C/B為40%、45%的配合比試樣，混凝土的早期強度較低，但后期強度增長迅速，56 d抗壓強度接近甚至超過C/B為50%的配合比，然而C/B為35%的配合比試樣的早期和后期強度均為最低。分析原理可認為，當C/B為40%～50%時，礦物摻合料通過參與二次水化反應，使其活性得到充分激發，雖然早起強度發育緩慢，若養護得當，后期強度發展迅速，達到甚至超過設計要求，這是由于二次水化反應后，礦物摻合料細化了混凝土內部的孔隙結構，從而降低孔隙率，增加混凝土的密實度，達到提高強度的效果。若礦物摻合料摻量過多，由于二次水化反應速率緩慢，導致混凝土強度發育長期處于比較緩慢的階段，混凝土強度偏低。

2.3 混凝土的耐久性

各組配合比試樣的抗氯離子滲透和抗水滲試驗結果如表4所示。

由表4可知，各組配合比試樣在各齡期的氯離子擴散系數均符合配制要求，但W/B、膠凝材料用量、C/B等因素的變化對混凝土氯離子擴散系數的影響規律各不相同。

由表4中3#、4#、5#配合比的試驗結果可知，氯離子擴散系數隨著W/B增大而增大，雖然混凝土的28 d、56 d氯離子擴散系數符合設計要求，但是5#配合比試樣的28 d氯離子擴散系數增加至5.2×10-12m2/s，是3#配合比試樣的1.55倍，抗氯離子滲透性能顯著降低。由此可見，水膠比增大，水化反應后混凝土內部大孔數量增加，從而降低混凝土的抗氯離子滲透性能。因此，為確?；炷恋目孤入x子滲透性能，W/B不應大于0.34。

由表 4 中 1#、2#、4#、10#、11#配合比的試驗結果還可以發現，隨著膠凝材料用量增加，混凝土的氯離子擴散系數先降低后升高。分析原因可知，當膠凝材料用量較少時，漿體對骨料的包裹性不足，水化反應過后混凝土內部會產生較多大孔，便于氯離子擴散；隨著膠材用量增多，漿體對骨料的包裹性改善，水化后混凝土中大孔減少，使其更密實，氯離子擴散系數減??；膠凝材料用量繼續增加，導致漿體富余過多，雖然混凝土內部大孔數量減少，但是毛細孔數量較多，氯離子擴散系數增大。因此，膠凝材料的用量在420～440 kg/m3時，混凝土的抗氯離子滲透性能較好。

由表4中6#、4#、7#、8#配合比的試驗結果同樣可以發現，隨著C/B增加，混凝土氯離子擴散系數增大。這是因為礦物摻合料比例增加，混凝土內部的空隙不斷得到細化或填充，混凝土抗氯離子滲透性能增強。具體分析可以認為，礦渣粉具有一定的潛在活性，水化產物可以切斷混凝土內部的毛細孔隙，使之不能互相連通，從而阻礙氯離子擴散。而粉煤灰的活性相對較低，在改善孔隙結構能力方面不如礦渣粉，但可以提高混凝土的工作性，使混凝土具有較好的流動性，填充粗大空隙，提高混凝土的密實度，混凝土的抗氯離子滲透性能提高。因此，C/B在40%～50%時，混凝土的抗氯離子滲透性能較好。

表4 混凝土的氯離子擴散系數與抗水壓滲透等級

各組配合比試樣28 d的抗水壓滲透等級均大于P12，抗水壓滲透性能良好，滿足設計要求，W/B、膠凝材料用量和C/B的變化對混凝土抗水壓滲透等級影響不明顯。

2.4 混凝土的體積穩定性

各組配合比試樣在90 d的干燥收縮值和7 d的絕熱溫升如表5所示。

表5 混凝土的干燥收縮值與絕熱溫升

由表5可知，混凝土的干縮值隨著W/B、膠凝材料用量和C/B的增加而增大；膠凝材料用量為420～460 kg/m3時，膠凝材料用量的變化對混凝土干縮值的影響幅度最大，W/B次之，C/B最小。其中膠凝材料用量為460 kg/m3的配合比試樣90 d干縮值更是超過了300×10-6mm/mm。因此，在要求低水膠比、高摻量礦物摻合料的條件下，設計人工島隧道混凝土配合比過程中，應把膠凝材料用量作為控制混凝土干燥收縮主要因素，控制膠凝材料用量不超過420 kg/m3。

混凝土的絕熱溫升是水泥水化反應產生的熱量轉化而成。因此，水泥用量是影響混凝土絕熱溫升的主要因素。由表5可知，當膠凝材料用量大于420 kg/m3或C/B超過45%時，混凝土的絕熱溫升超過43℃，為控制混凝土的絕熱溫升，降低溫度應力引起的混凝土開裂的風險，應控制膠凝材料的用量小于420 kg/m3、C/B低于45%。

2.5 配合比優選

在港珠澳大橋人工島隧道工程的大體積混凝土配合比設計指標要求的條件下，綜合分析W/B、膠凝材料用量以及C/B等因素的變化對混凝土各項性能的影響，優選出兼顧工作性、力學性能、耐久性以及體積穩定性的最佳配合比，為4#配合比，該組配合比混凝土絕熱溫升與干燥收縮值較低，可降低水化熱和干燥收縮引起的混凝土開裂風險。

3 結論

（1）混凝土的工作性能受W/B和膠凝材料用量的影響，當W/B為0.34、膠凝材料用量為420～440 kg/m3時，新拌混凝土的工作性能最佳。

（2）混凝土的抗壓強度隨W/B降低和C/B增大而提高，當W/B為0.34，C/B為40%～50%時，混凝土的抗壓強度最為理想。

（3）W/B、膠凝材料用量以及C/B的變化都會影響混凝土的抗氯離子滲透性，當W/B不大于0.34、膠凝材料用量為420～440 kg/m3、C/B為40%～45%時，混凝土的抗氯離子滲透性能最佳；以上3種因素對高摻量礦物摻合料和低水膠比的混凝土抗水滲性能影響較小。

（4）水泥用量是影響高摻量礦物摻合料、低水膠比混凝土體積穩定性的主要因素，控制膠凝材料用量不大于420 kg/m3、C/B低于45%，可以保證混凝土具有良好的體積穩定性。

（5）綜合分析水膠比、膠凝材料用量、膠凝材料組成對人工島隧道混凝土工作性、力學性、耐久性和體積穩定性的影響，確定混凝土配合比的最佳水膠比為0.34，膠凝材料用量為420 kg/m3，膠凝材料組成為40%水泥+30%粉煤灰+30%礦粉。

[1] 孟凡超.港珠澳大橋主體工程總體設計[C]//中國土木工程學會橋梁及結構工程分會，上海市城鄉建設和交通委員會.第十九屆全國橋梁學術會議論文集（上冊）.上海，2010：57-77.

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