CN110540393B

CN110540393B - 一种抗裂自防水的混凝土及其配制方法

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Publication number: CN110540393B
Application number: CN201910945488.8A
Authority: CN
Inventors: 刘荣岗; 张涛; 蔡杰; 朱成; 蔡悦; 于方; 旷明智; 方钊佳; 曾军飞; 林晓越; 刘轩源; 孔炼英
Original assignee: CCCC Fourth Harbor Engineering Co Ltd
Current assignee: CCCC Fourth Harbor Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: CN110540393A

Abstract

本发明公开了一种抗裂自防水混凝土，所述混凝土采用以下配方制成：胶凝材料390‑410 kg/m³、水胶比0.38‑0.40、用水量150‑160kg/m³、外加剂3‑6 kg/m³、细骨料705‑735 kg/m³、粗骨料1066‑1075kg/m³；所述胶凝材料包括水泥、粉煤灰和矿渣粉，水泥在胶凝材料中占比≥50%。本发明混凝土通过各种组分的合理搭配，实现低热、低收缩的高耐久性，配制应用在钢壳沉管工程中，可以满足严格的抗渗与抗裂性能要求，最终形成密实、渗透性低、宏观缺陷少，体积稳定以及离散程度低的混凝土材料。

Description

一种抗裂自防水的混凝土及其配制方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土配方，特别涉及一种抗裂自防水的混凝土及其配制方法，属于建筑技术领域。

背景技术

沉管隧道按照管身材料可分为钢筋混凝土沉管与钢壳沉管两种类型，其中前者在欧洲、韩国以及我国得到广泛应用，而后者只是在日本有应用。钢壳沉管无论外观还是内在，均与目前国内采用的钢筋混凝土沉管结构有着显著的差异。钢壳沉管相比于常规的沉管结构而言，其主要的差异点可以归纳概括如下：

1、就混凝土材料而言，沉管需要混凝土具备一定的流动性，通过振捣均匀填充沉管模板，针对大体积混凝土沉管，在温控、混凝土干燥收缩裂缝的控制、混凝土容重精度控制方便有较高要求。

2、沉管管节作为隧道工程的主要组成部分，其抗裂、防水、抗渗在不同侵蚀条件下；有着极为苛刻的要求，结构形式较复杂又属于大体积混凝土构件。管节在浇筑过程中由于水化热与干燥收缩等原因，使其制作过程中、裂缝控制难以达到理想效果；沉管管节的重量不宜过轻，亦不宜过重；轻则无法下沉对接，重则不便起浮浮运。

现有常用的沉管混凝土配方直接应用于沉管浇筑，存在抗裂性较差，防水性能也不好。造成这一问题的主要原因在于：(1)沉管混凝土结构体积大、截面复杂，导致结构自约束大，在温度形变作用下，混凝土极易出现裂缝；(2)在长期水压条件下，表面裂缝可能连通、延伸，成为渗水通道，导致其自身抗渗能力降低，加速氯盐侵蚀。同时，沉管混凝土结构长埋于水下，结构无法修复，一旦出现腐蚀将极大影响结构使用寿命。因此，管节混凝土裂缝控制是确保混凝土耐久性的关键。

针对沉管管节分析发现，其结构特点包括：沉管管段是大体积混凝土构件且结构形式较为复杂，由于浇筑过程中混凝土水化热的原因，管段制作过程中的温度裂缝控制比较难，削弱了混凝土管段的抗裂、抗渗和耐久性。所以，沉管管段大体积混凝土所面临的主要问题是裂缝、渗漏和耐久性问题。国内的几条沉管隧道管段设计工程人员，也针对此问题开展过相关研究，但从工程的实践看，效果并不理想。

针对现有技术中存在的钢壳沉管结构建造过程中面对严峻的挑战，必须自主研发一种适用于沉管管节的抗裂自防水混凝土配方，在兼顾混凝土的其它性能的前提下，实现沉管混凝土所必须的低热、低收缩、高耐久性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的常规混凝土水化热、自收缩、防水等性能不满足钢壳沉管管节要求的不足，提供一种抗裂自防水的混凝土。本发明抗裂自防水混凝土具有良好的低收缩、低水化热、防水等优良特性，能够很好的满足钢壳沉管管节的浇筑施工要求。

本发明的另一目的是提供一种所述抗裂自防水混凝土的配制方法，实现该混凝土配方的搅拌配制工程。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种抗裂自防水混凝土，所述混凝土采用以下配方制成：胶凝材料390-410kg/m³、水胶比0.38-0.40、用水量150-160kg/m³、外加剂3-6kg/m³、细骨料705-735kg/m³、粗骨料1066-1075kg/m³；

所述胶凝材料包括水泥、粉煤灰和矿渣粉，水泥在胶凝材料中占比≥50％。

本发明抗裂自防水混凝土配方能够很好的改善现有沉管结构浇筑用混凝土存在的水化热高、抗裂性能不佳的缺陷，使用该抗裂自防水混凝土可以很好的实现钢壳沉管管节结构的稳定性、可靠性提升，满足特殊工程中的水下结构的稳定性要求。本发明混凝土配合比更加科学，混凝土28d抗压强度和干燥收缩性能优良，在兼顾混凝土的各项性能的前提下，可以很好的实现提高混凝土抗裂、抗渗沉管防水渗透效果。

进一步，所述胶凝材料中，重量份比例为水泥：粉煤灰：矿渣粉＝55-60:18-22:20-25。优选地，三者重量比例为水泥：粉煤灰：矿渣粉＝57.5:20:22.5。

优选地，所述胶凝材料包括：水泥205-215kg/m³、粉煤灰75-85kg/m³、矿渣粉105-115kg/m³。

通过上述优选的胶凝材料成分及配比关系，可以有效避免粉煤灰品质存在波动问题，以及防止因为矿粉掺量较大混凝土发黏影响工作性能等情况，优选上述胶凝材料的成分及配比，保证混凝土强度，提升混凝土综合性能表现。

进一步，所述外加剂是减水剂。

进一步，所述混凝土采用以下配方制成：胶凝材料395-405kg/m³、水胶比0.385-0.395、用水量151-160kg/m³、减水剂4.5-5.5kg/m³、细骨料710-732kg/m³、粗骨料1070-1095kg/m³。

优选地，所述胶凝材料包括：水泥205-220kg/m³、粉煤灰75-85kg/m³、矿渣粉105-116kg/m³。

进一步，所述混凝土采用以下配方制成：胶凝材料400kg/m³、水胶比0.39、用水量156kg/m³、减水剂4.8kg/m³、细骨料722kg/m³、粗骨料1084kg/m³。

优选地，所述胶凝材料包括：水泥210kg/m³、粉煤灰80kg/m³、矿渣粉110kg/m³。

进一步，所述水泥是P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥。

优选地，所述水泥的比表面积≥375m²/kg。

优选地，所述水泥的初凝时间139min，终凝时间209min。

优选地，3d抗压强度≥30MPa，28d抗压强度≥50MPa。优选为3d抗压强度33.2MPa，28d抗压强度53.2MPa。

例如，采用华润水泥(平南)有限公司，标号为P·Ⅱ42.5R的水泥。

进一步，所述粉煤灰是Ⅱ级粉煤灰。优选地，所述粉煤灰是F类Ⅱ级粉煤灰。

优选地，所述粉煤灰过45μm方孔筛筛余26.2％。优选地，所述粉煤灰需水量≤100％。

例如，可以采用广州运宏粉煤灰综合开发有限公司，F类Ⅱ级粉煤灰。

进一步，所述矿渣粉是S95级别矿渣粉。矿渣粉是粒化高炉矿渣粉的简称，由符合GB/T203标准的粒化高炉矿渣，经干燥、粉磨，达到相当细度且符合相当活性指数的粉体。矿渣粉符合国标GB/T18046-2000标准，具有细度小，比面积适宜、早强快硬、水泥强度与混凝土强度相关性好，耐侵蚀。例如，可以采用鞍钢钢铁集团公司鲅鱼圈分公司，S95矿渣粉。

进一步，所述细骨料是中砂。优选地，所述中砂含泥量＜0.7％。优选地，所述中砂细度模数2.6-2.8。例如，可以采用东江中砂，表观密度2.57g/cm³，含泥量0.6％，泥块含量0.2％，细度模数2.7。

进一步，所述粗骨料包括小石和大石，小石是指粒径5～10mm的石头；大石是指粒径5～25mm的石头。

进一步，所述粗骨料包括小石和大石，两者的用量如下：小石用量205-225kg/m³、大石用量860-875kg/m³。优选地，所述粗骨料包括小石217kg/m³、大石867kg/m³。

优选地，所述粗骨料针片状含量＜5％，压碎指标值＜6％。

优选地，所述粗骨料特性如下：表观密度2.64g/cm³，针片状含量4％，压碎指标值5％，含泥量0.8％，泥块含量0.1％。例如可以采用惠州博罗金业石场的粒径范围5～10mm的碎石作为小石原料。可以采用惠州博罗金业石场的粒径范围5～25mm的碎石作为大石原料。

进一步，所述外加剂是聚羧酸减水剂。优选地，所述减水剂含固量14-15％。例如可以采用苏博特聚羧酸减水剂，密度为1.043g/cm3，碱含量2.3％，含固量14.5％，减水率27％(掺量2％)，氯离子含量0.008％，pH为5.3。

本发明还提供一种制备所述混凝土的方法，包括以下步骤：

(1)将胶凝材料水泥、粉煤灰和矿渣粉混合，搅拌10-120s，加入细骨料，搅拌10-120s，加入粗骨料，继续搅拌10-120s。

(2)加水，搅拌30-120s，加入外加剂，继续搅拌10-60s，得到抗裂自防水混凝土。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明混凝土配方填补了国内缺少适用于钢壳沉管的预制混凝土的空白，具有抗裂性能及自防水性能高的优点，是一种抗裂自防水混凝土，满足特殊工程施工应用需要。

2、本发明混凝土中各个成分的应用关系经过优化，砂率、水胶比、外加剂、大小石比例等应用量相互协调配合，达到最优化的混凝土流动性能。其中，粗集料和细集料的应用比例配合关系良好，混凝土整体的流动性较一般的混凝土表现更佳优秀，更加适合钢壳沉管管节的浇筑施工。

3、本发明混凝土配方的力学性能和容重经过同步优化，即可以很好的保证构件的承载能力，又满足混凝土浇筑施工以及浮运安放的需求。沉管混凝土具有较高力学性能、良好的工作性能以及精准的容重控制范围。

4、本发明混凝土设计过程中，兼顾考虑市场供应情况，确保获取大量质量稳定的材料，对于粉煤灰需水量比、矿粉活性指标、骨料粒形差级配等做协调，通过调整配合比设计、合理搭配，实现低热、低收缩的高耐久性，配制应用在钢壳沉管工程中，可以满足严格的抗渗与抗裂性能要求，最终形成密实、渗透性低、宏观缺陷少，体积稳定以及离散程度低的混凝土材料。

5、本发明沉管混凝土的配制优选原材料，根据沉管所处的环境特征、原材料特性以及耐久性设计要求，配制各种类型的混凝土，研究胶凝材料组成、水胶比、胶凝材料用量、龄期等因素对混凝土各项性能的影响规律，提出满足设计指标要求的低热低收缩高耐久性混凝土配合比。

6、本发明混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能和体积稳定性等性能经过测试能够很好的满足钢壳沉管管节浇筑混凝土的特性要求，具有良好的抗裂缝性、自防水性能，对于提升钢壳沉管管节性能表现具有重要意义。

7、本发明混凝土配方还通过有限元模拟计算分析发热温升情况，可以很好的保证混凝土浇筑后自约束应力与外约束应力的抗裂安全系数均大于1.15，混凝土出现温度收缩和干燥收缩裂缝的概率较小。

附图说明：

图1是CHG2配合比的混凝土拌合物性能检测情况(坍落度210mm，扩展度495mm)。

图2是CHG2配合比的混凝土拌合物性能1h经时变化情况(坍落度210mm，扩展度495mm)。

图3是凝结时间的情况。

图4是钢壳沉管试块的沉箱三维图和剖面图。

图5是混凝土工作性照片，显示混凝土工作性良好。

图6是原材料及混凝土温度。

图7是承台平面大样图。

图8是环境温度变化情况。

图9是隧道沉管砼有限元模型。

图10是沉管混凝土浇筑后内部达到温峰时温度场分布图。

图11是沉管混凝土无冷却水管时中心温度、表面温度和内表温差。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

<实施例1>

沉管低热低收缩混凝土配制：

沉管混凝土具有严格的抗渗与抗裂性能要求，配制低热低收缩的高耐久性混凝土材料是沉管混凝土配合比设计的出发点。此外，为保证构件的承载能力并满足混凝土浇筑施工以及浮运安放的需求，沉管混凝土还应该具有较高力学性能、良好的工作性能以及精准的容重控制范围。

1.沉管混凝土性能要求

沉管混凝土配制就是要设计出满足设计指标要求的低热低收缩高耐久性混凝土，主要考虑的就是混凝土的抗氯离子渗透性、抗裂性、抗水压渗透性、工作性、不同龄期的力学性能以及混凝土容重精度控制。施工图设计阶段对沉管混凝土具体的性能指标要求如表1所示。

表1沉管低热低收缩高耐久性混凝土性能指标

①水泥用量、②考虑泵送时，混凝土的砂率可放大到45％。

2.沉管配合比初步设计

采用混掺矿物掺合料的低水化、低开裂敏感性胶凝材料体系，根据沉管构造形式及其施工工艺对混凝土的具体要求，以满足混凝土的力学性能、耐久性要求为出发点，围绕提高混凝土抗裂性能这个核心要求，配制出无附加措施的、具有良好施工性能的低热低收缩沉管混凝土。

在沉管混凝土配合比初探设计阶段，按照配合比设计体积法，在380～420kg/m³胶凝材料用量，35％～55％的矿物掺合料用量，0.33～0.39水胶比范围配制沉管混凝土，共设计了14组混凝土，研究原材料及成分变化对混凝土性能的影响。沉管混凝土基准配合比和初探配合比如表2-3所示。

表2沉管混凝土基准配合比

表3沉管混凝土初探配合比

(1)编号为CB6、CB7和CB8的三组配合比为胶凝材料用量380～420kg/m³，矿物掺合料用量为50％，水胶比为0.39的混凝土配合比。用于研究胶凝材料用量对混凝土力学性能、耐久性能、工作性能以及体积稳定性能的变化规律。

(2)编号为CB2、CB5和CB6的3组配合比为400kg/m³胶凝材料用量，矿物掺合料用量为50％，砂率为38％，水胶比为0.33～0.39的混凝土配合比。用于研究水胶比对混凝土力学性能、耐久性能、工作性能以及体积稳定性能的变化规律。

(3)编号为CB1、CB3、CB4、CB6的四组配合比为400kg/m³胶凝材料用量，砂率为38％，水胶比为0.39，矿物掺合料用量为35％～55％的混凝土配合比。用于研究矿物掺合料用量对混凝土力学性能、耐久性能、工作性能以及体积稳定性能的变化规律。

(4)编号为CHG1、CHG4、CHG2的三组配合比为400kg/m³胶凝材料用量，水胶比为0.39，水泥用量为52.5％～65％的混凝土配合比。用于研究水泥用量对混凝土力学性能、耐久性能、工作性能以及体积稳定性能的变化规律。

在配合比初步设计的基础上，通过工作性能、力学性能、耐久性能和体积稳定性等性能的测试，对配合比进行进一步的优化。

2.3沉管配合比优化设计

在满足混凝土工作性能、力学性能以及耐久性能要求的前提下，对混凝土的组分进行调整，评估混凝土的抗裂性能，优选出抗裂性能最佳的混凝土配合比用于现场模型试验。混凝土原料配方比例如表4所示。制备方法如下：将胶凝材料水泥、粉煤灰和矿渣粉混合，搅拌20s，加入细骨料，搅拌20s，加入粗骨料，继续搅拌30s。加水，搅拌50s，加入外加剂，继续搅拌30s，得到抗裂自防水混凝土。设计配合比的性能试验结果如表5所示。

对于制备的多个不同的配合比例的混凝土配方进行性能测试分析研究。

1)抗压强度

不同胶凝材料用量下混凝土的抗压强度见表4所示。

表4不同胶凝材料用量下混凝土的抗压强度

从表6中可见，不同胶材材料用量下，混凝土的28d抗压强度均能达到50MPa以上。但是考虑400kg/m³胶凝材料用量的混凝土配比状态最好，因此选择胶凝材料用量为400kg/m³。

表5不同水胶比下混凝土的抗压强度

从表7中可见，随着水胶比的增大，3d、7d抗压强度逐渐降低，0.36水胶比和0.39水胶比的两个配比28d抗压强度相当。考虑施工时骨料含水率等影响因素，选择0.39的水胶比。

表6在不同矿物掺合料用量下混凝土的抗压强度

从表8中可以看出，不同矿物掺合料比例下各配合比28天抗压强度均能达到50MPa以上。但是考虑到粉煤灰的品质波动问题，以及矿粉掺量较大时混凝土发黏、混凝土的强度保证等问题，选择粉煤灰掺量为20％的CB3配比。

2)耐久性能

各配合比的耐久性能见表7所示。

表7各配合比耐久性能

设计文件未对抗氯离子渗透性能提出要求。而抗水压渗透性均能满足要求。

3)干燥收缩性能

C1、CB1、CB5、CHG1和CHG2的28d干缩试验结果如表8所示。

表8各配合比的收缩性能

C1、CB1、CB5、CHG1和CHG2的28d干缩值均能控制在320μξ以下。但C1、CB1和CHG2的相对收缩值较小。

根据以上试验结果，C1、CB1、CB5、CHG2和CHG1五个配比基本能满足本试验的要求。但考虑到现场施工控制问题，应选用0.39水胶比的配比。为了确保混凝土强度满足要求，水泥用量不宜过低。因此，CHG2为推荐配合比，如表9-12所示。

表9沉管混凝土优选配合比(CHG2)

编号

胶材

水胶比

水泥

粉煤灰

矿渣粉

砂率

减水剂

首选

CHG2

400

0.39

210

80

110

40％

1.2％

表10本混凝土的原料配比。

表11本混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能和体积稳定性等性能的测试情况

CHG2配合比的混凝土拌合物性能检测情况(坍落度210mm，扩展度495mm)

CHG2配合比的混凝土拌合物性能1h经时变化情况(坍落度210mm，扩展度495mm)。

表12凝结时间的情况

<实施例2>

在上述实施例1制备得到不同性能的混凝土并确定最佳混凝土配方的基础上，进行混凝土模型浇筑实验研究。

通过模拟实验测试；把小沉箱和塔吊基础承台作为模型试验，沉箱验证混凝土浇筑工艺、工作性能、力学性能、混凝土外观等性能的测试，承台验证混凝土的内部温度变化和变形情况对承台模型施工期的温度和应变进行监测，经过模拟为进行车陂沉管混凝土结构有限元仿真分析参数选取和温度控制指标的确定。

1、本实验模型采用小沉箱混凝土，尺寸为4m长(含趾)×2.96m宽×4m高×0.25m厚，三维图和剖面图如图4所示。

为检验本工程沉管混凝土配合比的工作性能、力学性能、体积稳定性能，验证试验室优选出的沉管混凝土配合比的工作性能、力学性能、耐久性能及体积稳定性能，检验混凝土的施工性能等情况、配合比工作性能测试结果汇总如表15、表16所示，混凝土状态如图5所示：。

表13配合比性能测试

表14混凝土工作性良好

2.本实验模型采用塔吊基础，尺寸为5m长×5m宽×1.7m高，剖面图见图7所示。

为检验本工程沉管混凝土配合比的结构的温度发展情况，采用塔吊基础进行大体积混凝土的模型试验，实时监测入模温度、混凝土中心温度、表面温度、内表温差、环境温度等数据，明确沉管混凝土结构中的温度应力场分布。

2.1混凝土绝热温升

表15矿物掺合料水化热调整系数

表16不同入模温度对m的影响值

表17不同硅酸盐水泥的修正系数

常见P·Ⅱ42.5R水泥水化热总量Q0＝330.0kJ/kg，作为有限元模拟计算用值。当胶凝材料总用量为400kg/m³时，按照表17取掺合料水化热调整系数k1＝0.95和k2＝0.9225进行计算，得到混凝土的胶凝材料水化热总量为287.93kJ/kg，并由此计算得到水泥加掺粉煤灰的该混凝土在不同龄期下的绝热温升，结果如表20所示。

表18混凝土绝热温升计算结果

2.2环境温度

根据当地天气预报信息，工程所在的夏季环境温度介于24～31℃范围。本分析中采用正弦函数模拟当地环境温度，结果见图8所示。

2.3温度场模拟计算

根据沉管节段实际浇筑尺寸建立有限元模型，见图9，进行网格划分和有限元计算，参数取值见表21所示，根据有限元计算得到混凝土浇筑后0～7d内，构件内部温度分布云图见图10所示。

表19计算参数取值

(1)计算得到沉管混凝土浇筑后达到内部温峰时的温度场分布云图，如图10所示：

每一层沉管混凝土在不同龄期中心温度、表面温度、内表温差见图11所示。

经过模拟可以看出，沉管混凝土的中心温度在54h达到峰值，峰值为67.9℃，内表温差在66h达到最大，最大值为24.9℃。

通过几次模拟实验测试对混凝土力学性能、耐久性能、工作性能以及体积稳定性能的变化规律；本次研究效果可以达到混凝土各项指标要求。

混凝土配方设计过程中，多项原料成分的选择及配合比例对于混凝土的综合性能都会产生巨大影响，当需要设计满足工程应用要求的混凝土的时候，往往需要从多方面限制因素进行考虑。通过大量的创造性实验劳动进行研究分析，确定最佳的混凝土原料成分选择配合比例关系，并结合实际模型浇筑分析研究，只有这样才能够获得相应的满足工程应用要求的混凝土。

Claims

1. 一种抗裂自防水混凝土，其特征在于，所述混凝土采用以下配方制成：胶凝材料390-410 kg/m³、水胶比0.38-0.40、用水量150-160kg/m³、外加剂3-6 kg/m³、细骨料705-735kg/m³、粗骨料1066-1075kg/m³；

所述胶凝材料包括水泥、粉煤灰和矿渣粉，水泥在胶凝材料中占比≥50%，所述胶凝材料包括：水泥205-215 kg/m³、粉煤灰75-85 kg/m³、矿渣粉105-115 kg/m³，所述水泥是P·Ⅱ42.5R 硅酸盐水泥；

所述细骨料是中砂；所述粗骨料包括小石和大石，小石是指粒径5~10mm的石头；大石是指粒径5~25mm的石头，所述粗骨料包括：小石205-225 kg/m³、大石860-875 kg/m³。

2.如权利要求1所述抗裂自防水混凝土，其特征在于，所述粉煤灰是Ⅱ级粉煤灰。

3.如权利要求1所述抗裂自防水混凝土，其特征在于，所述混凝土3d抗压强度≥30MPa，28d抗压强度≥50MPa。

4.一种如权利要求1-3任意一项所述抗裂自防水混凝土的制备方法，包括以下步骤：

（1）将胶凝材料水泥、粉煤灰和矿渣粉混合，搅拌10-120s，加入细骨料，搅拌10-120s，加入粗骨料，继续搅拌10-120s；

（2）加水，搅拌30-120s，加入外加剂，继续搅拌10-60s，得到抗裂自防水混凝土。