CN111474330A - 一种隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于混凝土测试技术领域，公开了一种隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，包括中高流动性混凝土的含义、坍落度值测定以及坍落扩展度值测定以及扩展时间测定，然后对测定的试验结果与拟定的标准值进行比较，来判断中高流动性混凝土工作性能的优劣。本发明的隧道衬砌用中高流动混凝土评价方法，有利于提高隧道衬砌拱顶的密实性和科学、客观的评价混凝土的工作性，使得拌和的中高流动性混凝土适应隧道的施工特点和经济性要求，为今后需同时满足经济性和高质量要求的工程项目提供参考借鉴和基础依据。
Description
技术领域
本发明属于混凝土测试技术领域，尤其涉及一种隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法。
背景技术
近年来，混凝土拌合物强度方面已出现了超高强度混凝土，而在流动性方面也出现了超流态混凝土、高流动性混凝土，即超流态混凝土和高流动性混凝土是拌合料坍落度值大于200mm的混凝土。现阶段超流态混凝土主要应用于桩基工程中，高流动混凝土主要于高层建筑、桥梁、地下连续墙、大型复杂的薄壁结构及钢管混凝土结构中应用。国际上超流态混凝土的强度已经出现150MPa以上了，在国内也有C100强度等级的混凝土，一般把强度等级为C60及其以上的混凝土称为高强混凝土，C100强度等级以上的混凝土称为超高强混凝土。
当前，我国隧道衬砌混凝土配合比设计相对单一，存在一定适应性，针对不同条件的隧道衬砌、不同浇筑部位、不同振捣方式等相关要求，单一配比易造成混凝土匀质性差、强度离散大、易发生不密实、空洞和脱空等缺陷现象。理论上自密实混凝土工作性能良好，可以减少衬砌混凝土密实度和流动性，但自密实混凝土成本单价过高，现有条件不适合大规模推广使用。为了解决衬砌混凝土自身不密实的问题，以往以降低混凝土流动和成本的前提下，解决和改善衬砌混凝土的密实程度。因此，隧道衬砌中混凝土配合比设计中需引入中高流动混凝土新概念，研究和应用中高流动混凝土显得十分必要。
中高流动混凝土是拌合物坍落度值大于160mm的混凝土，中高流动混凝土主要用于隧道衬砌混凝土结构，为解决和减少泵送混凝土不宜出现堵泵现象，针对衬砌结构不同部位对粗骨料粒径要求不同，并增加混凝土工作性能指标要求。因此，隧道衬砌宜采用中高流动混凝土较为合适，确保隧道拱顶混凝土工作性能和最佳密实度。
对于中高流动性混凝土而言，由于其粘性大，与普通混凝土相比，达到相同的坍落度条件下所需的时间长，不同配比的混凝土，即使最终坍落度值相同，其坍落速度和过程往往呈现较大的差别。所以，用单一的坍落值已不能全面反映中高流动混凝土的工作特性，对于高粘性混凝土至少需用屈服剪应力和塑性粘度两个参数来表达其流变性能，而在实际工作中采用中高流动混凝土变形能力和变形速度两个指标来反映更为合理。一是中高流动性混凝土是拌合物的坍落度不小于160mm的混凝土，用传统的坍落度试验，是评价混凝土流动性能的标准方法，但在中高流动性混凝土试验中发现，隧道衬砌引入扩展度和扩展时间概念，能更准确定量地反映、评价混凝土的流动性。二是由于当前地材质量不稳定，采用普通混凝土原材产品质波动较大，受现场工艺工装条件限制，存在泵送堵管、强度降低等不确定因素，采用中高流动混凝土可以解决和减少混凝土流动性问题。三是一般混凝土是采用5～40mm粒径的碎石，细石混凝土是一般不大于20mm粒径，而中高流动性混凝土的坍落度值宜不小于160mm，粗骨料最大公称粒径不超过31.5mm。
一般混凝土中的砂石骨料约占混凝土总体积的70％以上，在混凝土中起着骨架作用，是混凝土中的主要材料。根据铁路混凝土配合比设计规范、铁路混凝土结构耐久性设计相关规范要求，所选用骨料的最大粒径不宜超过混凝土保护层厚度的2/3(在严重腐蚀环境条件下不宜超过1/2)，配制强度等级C50及以上混凝土时，粗骨料的最大公称粒径不宜超过25㎜。大多衬砌混凝土保护层为5cm，按保护层厚度的2/3计算，最大粒径为3.3cm，考虑到骨料的粒径、粗骨料的种类、细骨料的粗细程度、水泥用量及泵送施工等因素影响，探索研究调整骨料的最大粒径显得很重要，中高流动混凝土宜采用最大公称粒径不大于31.5mm较为合理，同时，不同部位的隧道边墙、拱腰和封顶部位的混凝土配合比需给出不同要求，边墙混凝土骨料的最大公称粒径不宜大于31.5mm，拱腰和封顶混凝土骨料的最大公称粒径不宜大于25mm。
国内外相关文献中，缺乏对隧道衬砌混凝土的流动性深入细化研究。隧道拱部衬砌混凝土主要通过以下三种措施来保证施工工作性：一是水胶比不变增加水泥浆来增加混凝土流动性的操作方法；二是减少拱部混凝土粗骨料来增加混凝土流动性；三是加大隧道衬砌混凝土的坍落度，保证了混凝土流动性，但是增大了混凝土的强度和耐久的离散性。因此，对我国隧道衬砌中高流动混凝土的探索和研究显得非常有必要，对衬砌混凝土研究具有现实意义。
当前隧道衬砌混凝土配合比设计存在评价指标单一，除了以立方体抗压强度为代表的力学性能外，以电通量为代表的耐久性指标缺少对混凝土拌合物流动性能指标要求。
自隧道衬砌混凝土设计引入高性能混凝土概念以来，配合比设计中混凝土性能评价由单一的力学性能即立方体抗压强度，也增加了耐久性能指标要求，这些评价指标为高性能混凝土的设计提供了参考依据，但是高性能混凝土施工性能重要的一环，即流动性的评价一直比较单一；目前仍是以坍落度值为主要评价指标，但在实际施工中，由于高性能外加剂和矿物掺合料的大量使用，混凝土往往会出现异常粘稠的状态，带来的后果就是混凝土初始坍落度很大(180mm以上)，但坍落度损失很快，流动性很差，特别是造成带有钢筋的衬砌混凝土很难密实，存在脱洞等风险。因此，在隧道衬砌中高流动性混凝土配合比设计中引入混凝土流动性的评价体系很有必要。
国内外评价混凝土工作性能特别是流动性能的试验项目众多，需选择简便、易操作、可靠性好、适合隧道衬砌中高流动性混凝土配合比设计的方法。
一般对混凝土拌合物的工作度定义，只是定性而不是定量的判定。但是在实际混凝土配合比设计、施工过程，则需对混凝土拌合物的工作度定量进行评价。为此首先要明确工作度的概念(新拌混凝土在浇筑时性能)，其次引进流变学理论，建立流变学模型，用物理参数将混凝土拌合物自身性质定量化，最后将诸多概念与物理参数联系起来，以综合评价混凝土拌合物的工作度。
混凝土拌合物的流动性与抗分离性是相互矛盾的，对于高流动性混凝土来说，矛盾更为突出。国外还出现坍落度为200mm的高流动性混凝土拌合物的流动速度比坍落度100mm的普通混凝土拌合物的流动速度还要小，但是对于混凝土通过疏密钢筋间隙时，高流动性混凝土与同坍落度普通混凝土拌合物的流动速度并没有明显差异。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)因之前没有采用中高流动性混凝土进行隧道衬砌施工的先例，而现有隧道衬砌混凝土工作性能试验方法不能全面反映中高流动性混凝土工作性能，为了对采用中高流动性混凝土进行施工的隧道，开展有效的衬砌质量控制，需要对隧道衬砌混凝土的流动性评价指标进行深入细化研究。
(2)隧道衬砌工程常常因泵送混凝土可泵性差、振捣不密实、混凝土离散性差、强度波动性大、内部钢筋疏密、模板工作窗制约等因素，很难达到要求的工作性能和工作度。
解决上述技术问题的难度：需要选择简便、适宜的试验方法对中高流动能混凝土的工作性能进行客观、全面的评价，在大量比选、测试工作的基础上，选择的试验方法既要根据隧道施工的特点，满足方便现场操作的要求，又要使混凝土的工作性能优劣通过该系列测试得到充分反映，即试验方法的选择要同时满足：充分、必要，测试结果标准值的制定要科学合理。
解决上述技术问题的意义：选用坍落度、扩展度作为主要控制指标，拱部混凝土增加扩展时间作为辅助控制指标后，可以对中高流动性混凝土的工作性进行客观、有效的评价，使得采用中高流动性混凝土施做的隧道衬砌密实度有了明显改善，为新型智能台车等配套工艺工装的推广，提供了技术保障和技术支撑。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法。
本发明是这样实现的，一种隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，所述隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法包括以下步骤：
步骤一，为保证取样均匀，应采用多次采样的方法，在同一盘混凝土或同一车混凝土中的1/4处、1/2处和3/4处分别进行坍落度和扩展度混凝土拌合物的取样，并搅拌均匀，取样量不小于20L；第一次取样和最后一次取样的时间间隔不超过15min；并在取样后5min内开始测试坍落度和扩展度；
步骤二，测试时为保证不产生砂浆损失和装置组合的稳定，测试前，湿润坍落度筒及底板，且坍落度筒内壁和底板上无明水；底板放置在坚实水平面上，把坍落度筒放在底板中心；踩住两边的脚踏板，坍落度筒在装料时保持固定的位置；
步骤三，测试时为有效排除混凝土装料时引入的空气，应将取得的混凝土试样用小铲分3层均匀地装入筒内，每装一层混凝土拌合物，用捣棒由边缘到中心按螺旋形均匀插捣25次，捣实后每层混凝土拌合物试样的高度约为筒高的1/3；插捣底层时，捣棒贯穿整个深度，插捣第二层和顶层时，捣棒插透本层至下一层的表面；顶层混凝土拌合物装料高出筒口，插捣过程中，混凝土拌合物低于筒口，则随时添加；顶层插捣完后，取下装料漏斗，刮去多余的混凝土，并沿筒口抹平。坍落度为(210±10)mm的混凝土，分两层装料，每层装入高度为筒高的一半，每层用插捣棒插捣15次；
步骤四，为保证测试数据的再现性和重复性，对如下过程进行规定：清除筒边底板上的混凝土后，垂直平稳地提起坍落度筒，并轻放于试样旁边；当试样不再继续坍落或坍落时间达30s时，用钢尺测量出筒高与坍后混凝土试体最高点之间的高度差，作为该混凝土拌合物的坍落度值；当混凝土拌合物物不再扩散或扩散时间已达到50s时，用钢尺测量混凝土拌合物展开扩展面的最大直径以及与最大直径垂直方向的直径；坍落度筒的提离过程在3～7s内完成；不间断地进行开始装料到提坍落度筒的整个过程，且在150s内完成；
步骤五，几种可能现象的处理方法如下：坍落度筒提离后，当混凝土发生崩坍或一边剪坏现象，则重新取样另行测定；若第二次测试仍出现混凝土发生崩坍或一边剪坏现象，则记录备查；混凝土拌合物扩展度两直径之差小于50mm时，取其算术平均值作为扩展度试验结果；当两直径之差不小于50mm时，重新取样另行测定；若粗骨料在中央堆集或边缘有浆体析出时，记录说明；
步骤六，数据的计算。用钢尺测量混凝土扩展后最终的最大直径和最小直径，在这两个直径之差小于50mm的条件下，用其算术平均值作为坍落扩展度值；否则，此次测试无效；若粗骨料在中央集堆或边缘有水泥浆析出，则表示混凝土拌合物抗离析性不好，记录说明；
步骤七，需要测定扩展时间的情形及测定要求。当混凝土用于隧道衬砌拱顶时，应在测定扩展度时，同时测定混凝土的扩展时间。扩展时间指自坍落度筒提离地面时开始，至扩展开的混凝土拌合物外缘初触平板上所绘直径500mm的圆周为止。
进一步，步骤二中，所述底板具体包括：
底板应采用平面尺寸不小于800mm×800mm、最大挠度不大于3mm的钢板，并应在平板表面标出坍落度筒的中心位置和直径分别为200mm、300mm、500mm、600mm、700mm的同心圆。
进一步，混凝土拌合物坍落度和坍落扩展度值单位mm，测量精确至1mm，结果表达修至5mm。扩展时间的测量单位为s，结果精确至0.1s。
本发明的另一目的在于提供一种应用于所述隧道衬砌中高流动性混凝土配合比设计方法，所述混凝土配合比设计方法具体包括：
(1)根据混凝土拌和物性能、设计强度和耐久性指标要求，结合所选水泥的性能、外加剂的性能以及相关标准，初步确定胶凝材料总用量、矿物掺合料的种类及掺量、外加剂的掺量、水胶比和砂率，并计算出单位体积混凝土的水泥用量、矿物掺合料用量、用水量以及外加剂的用量；中高流动性混凝土在满足工作性的条件下，应降低用水量，河砂混凝土不大于160kg/m3，机制砂、混合砂混凝土不大于170kg/m3。
(2)利用体积法计算配合比，同时对每立方米混凝土的总碱含量、总氯离子含量、总三氧化硫含量和混凝土的浆体比(体积法)进行核算，其是否符合相关标准要求的规定；
(3)按照工作性能优良、力学性能和耐久性能满足要求、经济合理的原则，从步骤(2)中得到的3个配合比中选择合适的配合比，测试相应混凝土的表观密度；根据测定的表观密度计算校正系数，并将混凝土的各种原材料用量乘以校正系数，即得混凝土的设计配合比。
进一步，步骤(2)中，所述体积法计算配合比具体包括：
首先采用下式计算每立方米混凝土中砂石的总体积：
式中：Vs，g表示每立方米混凝土中砂石总体积，单位m3；V表示混凝土总体积，为1m3；mw表示每m3混凝土中水用量，单位kg；mc表示每m3混凝土中水泥的用量，单位kg；mp1表示每m3混凝土中掺和料1用量，单位kg；mp2表示每m3混凝土中掺和料2用量，单位kg；mα表示每m3混凝土中外加剂的用量，单位kg；α表示每m3混凝土所含空气体积设计值，单位m3；ρw表示水的密度，单位kg/m3；ρc表示水泥的密度，单位kg/m3；ρp1表示掺合料1的密度，单位kg/m3；ρp2表示掺合料2的密度，单位kg/m3；ρα表示外加剂的密度，单位kg/m3。
其次，采用下式计算每立方米混凝土中砂子的用量：
ms＝Vs，gSvρs；
式中：ms表示每m3混凝土中砂子的用量，单位kg；Sv表示体积砂率；ρs表示砂子的表观密度，单位kg/m3；
再次，采用下式计算m3混凝土中石子的用量：
mg＝Vs，g(1-Sv)ρg；
式中：mg表示每m3混凝土中石子的用量，单位kg；ρg表示石子的表观密度，单位kg/m3。
进一步，步骤(2)中，所述配合比核算具体包括：
a.核算每立方米混凝土的总碱含量，总氯离子含量、总三氧化硫含量和混凝土的浆体比是否符合规定；若否则重新选择原材料，并重新对混凝土的总碱含量、总氯离子含量、总三氧化硫含量和浆体比进行核算，直至满足要求；
b.在试验室试拌混凝土并测试混凝土的拌和物性能；若测试值不满足设计要求，调整混凝土的砂率和外加剂用量，重新搅拌、测试混凝土的拌和物性能，并对混凝土的总碱含量、总氯离子含量和总三氧化硫含量进行核算，直至满足要求；试拌时，每盘混凝土的最小搅拌量在20L以上，且不少于搅拌机容量的1/3；
c.对混凝土的胶凝材料用量、矿物掺合料掺量、砂率和水胶比上下略作调整，重新按上述步骤计算、试拌并调配出拌和物性能、总碱含量、总氯离子含量、总三氧化硫含量和浆体比满足设计和本要求的3个配合比，并对相应混凝土的力学性能进行试验；选择力学性能满足要求的混凝土进行耐久性能和长期性能试验。
进一步，步骤(3)中，所述校正系数计算公式为：
式中：δ表示校正系数；ρct表示混凝土拌和物的表观密度实测值，单位kg/m3；ρce表示混凝土拌和物的表观密度计算值或假定值，单位kg/m3。
在铁路某隧道项目衬砌C35混凝土施作27组衬砌验证试验，按每组长12m统计，采用HBT-60型混凝土输送泵(60m3/h)，中高流动性混凝土与普通混凝土强度对比，衬砌强度及无损检测结果统计见下表。
隧道衬砌强度对比表
注：每组衬砌钻三根芯样，根据现行规范，强度取最低值作为该组衬砌强度代表值。
某铁路工程隧道衬砌质量无损检测中间结果(中高流动性混凝土及工作性能评价方法)统计表
某铁路工程隧道衬砌质量无损检测中间结果(普通方法)统计表
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的隧道衬砌结构混凝土测试采用中高流动性混凝土及其工作性能评价方法，有利于提高混凝土的工作性和保障拱顶混凝土填充密实，本发明通过对比，在混凝土强度方面，同为C35段落的混凝土，中高流动性混凝土及其工作性能评价方法施做的混凝土强度平均值为43.1MPa，普通方法施做的混凝土强度平均值为38.5MPa，中高流动性混凝土及其工作性能评价方法的强度较普通提高11.9％。在质量缺陷方面按百分比计算，中高流动性混凝土及其工作性能评价方法相比普通方法施做的二次衬砌，厚度不足减少了83.33％，不密实减少了88.89％。由此可见，中高流动性混凝土及其工作性能评价方法可显著提高衬砌混凝土的密实度和强度，减少衬砌的不密实等缺陷，具有匀质性好，强度高等优点，因此，中高流动性混凝土及其工作性能评价方，适宜在隧道衬砌中推广应用，适应隧道特殊环境施工要求，为今后隧道参考借鉴提供基础依据。
附图说明
图1是本发明实施例提供的铁路隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法流程图。
图2是本发明实施例提供的混凝土扩展度试验示例图。
图3是本发明实施例提供的混凝土扩展度底板示意图。
图4是本发明实施例提供的混凝土试验结果汇总示意图。
图5是本发明实施例提供的混凝土配合比设计流程图。
图6是本发明实施例提供的混凝土强度对比雷达图。
图7是本发明实施例提供的混凝土强度对比折线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的技术方案与技术效果做详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供的隧道衬砌中高流动性混凝土及工作性能评价方法包括以下步骤：
S101，采用多次采样的方法，在同一盘混凝土或同一车混凝土中的1/4处、1/2处和3/4处分别进行坍落度和扩展度混凝土拌合物的取样，并搅拌均匀，取样量不小于20L；第一次取样和最后一次取样的时间间隔不超过15min；并在取样后5min内开始测试坍落度和扩展度。
S102，测试前，湿润坍落度筒及底板，且坍落度筒内壁和底板上无明水；底板放置在坚实水平面上，把坍落度筒放在底板中心；踩住两边的脚踏板，坍落度筒在装料时保持固定的位置。
S103，将取得的混凝土试样用小铲分3层均匀地装入筒内，每装一层混凝土拌合物，用捣棒由边缘到中心按螺旋形均匀插捣25次，捣实后每层混凝土拌合物试样的高度约为筒高的1/3；插捣底层时，捣棒贯穿整个深度，插捣第二层和顶层时，捣棒插透本层至下一层的表面；顶层混凝土拌合物装料高出筒口，插捣过程中，混凝土拌合物低于筒口，则随时添加；顶层插捣完后，取下装料漏斗，刮去多余的混凝土，并沿筒口抹平。坍落度为(210±10)mm的混凝土，分两层装料，每层装入高度为筒高的一半，每层用插捣棒插捣15次。
S104，清除筒边底板上的混凝土后，垂直平稳地提起坍落度筒，并轻放于试样旁边；当试样不再继续坍落或坍落时间达30s时，用钢尺测量出筒高与坍后混凝土试体最高点之间的高度差，作为该混凝土拌合物的坍落度值；当混凝土拌合物物不再扩散或扩散时间已达到50s时，用钢尺测量混凝土拌合物展开扩展面的最大直径以及与最大直径垂直方向的直径；坍落度筒的提离过程在3～7s内完成；不间断地进行开始装料到提坍落度筒的整个过程，且在150s内完成。
S105，坍落度筒提离后，当混凝土发生崩坍或一边剪坏现象，则重新取样另行测定；若第二次测试仍出现混凝土发生崩坍或一边剪坏现象，则记录备查；混凝土拌合物扩展度两直径之差小于50mm时，取其算术平均值作为扩展度试验结果；当两直径之差不小于50mm时，重新取样另行测定；若粗骨料在中央堆集或边缘有浆体析出时，记录说明。
S106，当混凝土拌合物的坍落度大于220mm时，用钢尺测量混凝土扩展后最终的最大直径和最小直径，在这两个直径之差小于50mm的条件下，用其算术平均值作为坍落扩展度值；否则，此次测试无效；若粗骨料在中央集堆或边缘有水泥浆析出，则表示此混凝土拌合物抗离析性不好，记录说明。
S107，当混凝土用于隧道衬砌拱顶时，应在测定扩展度时，同时测定混凝土的扩展时间。扩展时间指自坍落度筒提离地面时开始，至扩展开的混凝土拌合物外缘初触平板上所绘直径500mm的圆周为止。
步骤S102中，本发明实施例提供的底板具体包括：
底板应采用平面尺寸不小于1000mm×1000mm、最大挠度不大于3mm的钢板，并应在平板表面标出坍落度筒的中心位置和直径分别为200mm、300mm、500mm、600mm、700mm、800mm、900mm的同心圆。
本发明实施例提供的混凝土拌合物坍落度和坍落扩展度值单位mm，测量精确至1mm，结果表达修约至5mm。扩展时间的测量单位为s，结果精确至0.1s。
如图5所示，本发明实施例提供的混凝土配合比设计方法具体包括：
(1)根据混凝土拌和物性能、设计强度和耐久性指标要求，结合所选水泥的性能、外加剂的性能以及相关标准，初步确定胶凝材料总用量、矿物掺合料的种类及掺量、外加剂的掺量、水胶比和砂率，并计算出单位体积混凝土的水泥用量、矿物掺合料用量、用水量以及外加剂的用量。
(2)利用体积法计算配合比，同时对每立方米混凝土的总碱含量、总氯离子含量、总三氧化硫含量和混凝土的浆体比(体积法)进行核算，其是否符合相关标准要求的规定；
(3)按照工作性能优良、力学性能和耐久性能满足要求、经济合理的原则，从步骤(2)中得到的3个配合比中选择合适的配合比，测试相应混凝土的表观密度；当表观密度实测值与计算值或假定值之差超过20kg/m3时按下式计算校正系数，将混凝土的各种原材料用量乘以校正系数，即得混凝土的设计配合比。
式中：δ表示校正系数，ρct表示混凝土拌和物的表观密度实测值，kg/m3，ρce表示混凝土拌和物的表观密度计算值或假定值，kg/m3。
步骤(2)中，本发明实施例提供的体积法计算配合比具体包括：
首先采用下式计算每立方米混凝土中砂石的总体积：
式中：Vs，g表示每立方米混凝土中砂石总体积，单位m3；V表示混凝土总体积，为1m3；mw表示每m3混凝土中水用量，单位kg；mc表示每m3混凝土中水泥的用量，单位kg；mp1表示每m3混凝土中掺和料1用量，单位kg；mp2表示每m3混凝土中掺和料2用量，单位kg；mα表示每m3混凝土中外加剂的用量，单位kg；α表示每m3混凝土所含空气体积设计值，单位m3；ρw表示水的密度，单位kg/m3；ρc表示水泥的密度，单位kg/m3；ρp1表示掺合料1的密度，单位kg/m3；ρp2表示掺合料2的密度，单位kg/m3；ρα表示外加剂的密度，单位kg/m3。
其次，采用下式计算每立方米混凝土中砂子的用量：
ms＝Vs，gSvρs；
式中：ms表示每m3混凝土中砂子的用量，单位kg；Sv表示体积砂率；ρs表示砂子的表观密度，单位kg/m3。
再次，采用下式计算m3混凝土中石子的用量：
mg＝Vs，g(1-Sv)ρg；
式中：mg表示每m3混凝土中石子的用量，单位kg；ρg表示石子的表观密度，单位kg/m3。
步骤(2)中，本发明实施例提供的配合比核算具体包括：
a.核算每立方米混凝土的总碱含量，总氯离子含量、总三氧化硫含量和混凝土的浆体比是否符合规定；若否则重新选择原材料，并重新对混凝土的总碱含量、总氯离子含量、总三氧化硫含量和浆体比进行核算，直至满足要求。
b.在试验室试拌混凝土并测试混凝土的拌和物性能；若测试值不满足设计要求，调整混凝土的砂率和外加剂用量，重新搅拌、测试混凝土的拌和物性能，并对混凝土的总碱含量、总氯离子含量和总三氧化硫含量进行核算，直至满足要求；试拌时，每盘混凝土的最小搅拌量在20L以上，且不少于搅拌机容量的1/3。
c.对混凝土的胶凝材料用量、矿物掺合料掺量、砂率和水胶比上下略作调整，重新按上述步骤计算、试拌并调配出拌和物性能、总碱含量、总氯离子含量、总三氧化硫含量和浆体比满足设计和本要求的3个配合比，并对相应混凝土的力学性能进行试验；选择力学性能满足要求的混凝土进行耐久性能和长期性能试验。
步骤(3)中，本发明实施例提供的校正系数计算公式为：
式中：δ表示校正系数；ρct表示混凝土拌和物的表观密度实测值，单位kg/m3；ρce表示混凝土拌和物的表观密度计算值或假定值，单位kg/m3。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案与技术效果做进一步说明。
实施例1：
1、混凝土参数
1.1试验原材料
①水泥：冀东海天水泥闻喜有限责任公司，P.042.5，密度3.10g/cm3，比表面积337m2/kg，28d抗折强度8.0MPa，抗压强度44.7MPa。
②粉煤灰：大唐发电有限责任公司，F类Ⅰ级，烧失量3.43％，细度5.6％，需水量比95％。
③细骨料：南天砂石有限公司，河砂，细度模数2.7。
④粗骨料：正佳建材有限公司，5～31.5mm碎石，其中5～10mm：10～20mm：16～31.5mm＝2：5：3。
⑤外加剂：世纪海马新型建材有限公司，HM-SP聚羧酸高性能减水剂，减水率30％，含气量2.6％，泌水率比14％，压力泌水率比47％，28d抗压强度比152％。混凝土原材料必须符合相关验收及试验标准要求。
1.2试验方法
①坍落度：按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080-2016进行。
②扩展度：测量混凝土坍落度后用钢尺测量混凝土拌合物展开扩展面的最大直径以及与最大直径呈垂直方向的直径，当两直径之差小于50mm时，取其算术平均值作为扩展度结果，见图1。
③扩展时间T500：测定扩展度时，自坍落度筒提离地面时开始，至扩展开的混凝土拌合物外缘接触平板上所绘直径500mm的圆周为止，见图2。
④倒置坍落度筒排空试验：将坍落度筒倒置放于台架上，坍落度筒中轴线垂直于地面，混凝土拌合物装入坍落度筒内，打开密封盖，用秒表测量自开盖至坍落度筒内混凝土拌合物全部排空的时间，见图3。
⑤间隙通过性试验：
试验采用J环模拟衬砌模板中的钢筋。J环由钢或不锈钢制成，圆环中心直径应为300mm，厚度应为25mm；并应用螺母和垫圈将16跟圆钢锁在圆环上，圆钢直径16mm，高度100mm；圆钢中心间距58.9mm，见图4。
试验时，坍落度筒正向放置在底板中心，与J环同心，将混凝土拌合物一次性填充至满，垂直平稳地向上提起坍落度筒后，测量展开扩展面的最大直径以及与最大直径呈垂直方向的直径，求平均值。混凝土扩展度与J环扩展度的差值作为混凝土间隙通过性性能指标结果。
1.3试验模型
按照正交设计方法，采用正交试验表L16(45)(见表1)，选择水胶比、粉煤灰掺量、砂率等三个混凝土配合比设计中重要参数作为影响因素(见表2)，每个因素确定4个水平值，考察混凝土在坍落度在160mm～220mm范围内，混凝土扩展度、扩展时间T500、倒置坍落度筒排空时间和间隙通过性等指标的控制数据，试验结果见图7。
表1正交试验表L16(45)
表2正交试验参数表
1.4试验结果
1)当混凝土流动性能良好时，混凝土坍落度基本上在180mm以上，扩展度应在500mm以上。
2)扩展时间(T500)是混凝土的抗离析性和填充性综合指标，同时，可以来评价流动速率。流动时间较长，混凝土表现出良好的触变性能，有利于减轻模板压力或提高抗离析，但容易使混凝土表面形成孔洞，堵塞，阻碍连续泵送。流动时间较短，则混凝土具有良好的填充性能和流动性能，使混凝土能获得良好的表观性能，一般适合于配筋密集的结构或要求流动性有良好表观的混凝土，但是混凝土拌和物易泌水和离析。结合自密实混凝土相关规程，建议扩展度流动时间宜控制在2s～9s范围内。
3)试验研究和工程实践表明，受高性能外加剂的影响，混凝土拌合物性能黏性较大，流动速度也较慢，对泵送施工不利。因此，本次试验倒置坍落度筒流出时间指标的设置，有利于将拌和物黏度控制在可顺利泵送施工的水平。该试验方法可用于检验评价混凝土拌和物的流动速度和输送管壁的黏滞性。对于混凝土拌和物，排空时间越短，拌和物与输送管壁的黏滞性就越小，流动速度也越大，有利于混凝土的泵送施工。从试验结果看出倒置坍落度筒排空时间在5s～20s范围内为宜。
4)间隙通过性用来描述新拌混凝土流过具有狭口的有限空间，而不会出现分离、失去黏性或者堵塞的情况。因此，在定义间隙通过性的时候，应考虑加筋的几何形状、密度、混凝土填充性、骨料最大粒径。混凝土可以连续填满模板的最小间隔为限定尺寸。这个间隔常和加筋间隔有关。从试验结果看出间隙通过性在100mm范围内为宜。
综合目前的研究成果，本发明在中高流动性混凝土配合比设计中，混凝土拌合物的物理性能应满足表3要求。
表3中高流动性混凝土拌合物性能表
2、中高流动混凝土应用
为验证中高流动性混凝土的使用效果，通过于铁路某隧道项目衬砌C35混凝土施作27组衬砌验证试验，按每组长12m统计，采用HBT-60型混凝土输送泵(60m3/h)，中高流动性混凝土与普通混凝土强度对比，衬砌强度统见表6。
表4隧道衬砌强度对比表
注：每组衬砌钻三根芯样，根据现行规范，强度取最低值作为该组衬砌强度代表值。
根据强度对比可知，经试验同强度等级混凝土强度评定，采用中高流动混凝土施作的强度平均值为43.1MPa，采用普通混凝土施作的强度平均值为38.5MPa，中高流动混凝土较普通混凝土的强度提高11.9％。见图6、图7。
由此可见，中高流动混凝土可显著提高衬砌混凝土的密实度和强度，减少衬砌的不密实等缺陷，具有匀质性好，强度高等优点，因此，中高流动混凝适宜在隧道衬砌中推广应用。
4、结论及建议
①根据试验结果，当混凝土流动性能良好时，混凝土坍落度180mm以上，扩展度应500mm以上。
②扩展时间(T500)是混凝土的抗离析性和填充性综合指标，同时，可以来评价流动速率。流动时间较长，混凝土表现出良好的触变性能，流动时间较短，则混凝土具有良好的填充性能和流动性能。结合自密实混凝土相关规范，建议扩展度流动时间宜控制在2s～9s范围内。
③倒置坍落度筒排空试验，排空时间越短，混凝土拌和物与输送管壁的黏滞性就越小，流动速度也越大，有利于混凝土的泵送施工。根据试验结果，倒置坍落度筒排空时间在5s～20s范围内为宜。
④间隙通过性用来描述新拌混凝土流过具有狭口的有限空间，而不会出现分离、失去黏性或者堵塞的情况。根据试验结果，间隙通过性在100mm范围内为宜。
上述①～④中的试验参数能够客观、科学的反映了中高流动性混凝土的性能，为方便在施工过程中控制，同时满足对中高流动性混凝土的功能性鉴定要求，可选用坍落度、扩展度作为主要控制指标，拱部混凝土增加扩展时间作为辅助控制指标。
通过理论分析及室内试验，同时考虑施工现场的可操作性、易用性，得出结论为：隧道衬砌边墙及拱腰混凝土的性能要求坍落度宜为160mm～200mm，扩展度为≥450mm，扩展时间2s～8s。结合浇筑边墙时混凝土易于流动和振捣密实的特点，拱顶或封顶(隧道衬砌拱顶部90°范围)混凝土可适当增加混凝土流动性要求，即拱顶混凝土坍落度宜为180mm～220mm，扩展度为≥500mm，扩展时间3s～9s。
隧道衬砌采用中高流动混凝土施工，边墙及拱腰素混凝土时，建议粗骨料最大公称粒径37.5mm，边墙及拱腰钢筋混凝土31.5mm，封顶混凝土25mm较为合适。
中高流动性混凝土的原材料要选择质量合格、品质稳定的产品；混凝土从生产至浇筑时间时隔不宜过长，控制好各个工序的衔接，尽量紧密。
通过现场实践证明，采用中高流动混凝土应用于隧道衬砌有明显优势，说明中高流动混凝土适用于隧道衬砌边墙、拱顶、有钢筋混凝土衬砌段等难以填充的部位，采用该混凝土可以显著提高衬砌混凝土的密实性和工作性，有效减少衬砌混凝土的不密实。中高流动混凝土具有匀质性好，强度保证率高的优点，可适宜于隧道衬砌广泛推广应用。
以往高流态、高流动性混凝土已有很多研究，包括工作性和流变性等参数，如今作为隧道衬砌混凝土采用中高流动混凝土，有利于拱顶填充密实和提高工作性，适应隧道特殊环境施工要求，中高流动混凝土技术研究为今后隧道参考借鉴提供基础依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，其特征在于，所述隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法包括以下步骤：
步骤一，采用多次采样的方法，在同一盘混凝土或同一车混凝土中进行坍落度和扩展度混凝土拌合物的取样，并搅拌均匀；并在取样后开始测试坍落度和扩展度；
步骤二，测试前，湿润坍落度筒及底板，且坍落度筒内壁和底板上无明水；底板放置在坚实水平面上，把坍落度筒放在底板中心；踩住两边的脚踏板，坍落度筒在装料时保持固定的位置；
步骤三，将取得的混凝土试样用小铲均匀地装入筒内，每装一层混凝土拌合物，用捣棒由边缘到中心按螺旋形均匀插捣；插捣底层时，捣棒贯穿整个深度，插捣第二层和顶层时，捣棒插透本层至下一层的表面；顶层混凝土拌合物装料高出筒口，插捣过程中，混凝土拌合物低于筒口，则随时添加；顶层插捣完后，取下装料漏斗，刮去多余的混凝土，并沿筒口抹平；
步骤四，清除筒边底板上的混凝土后，垂直平稳地提起坍落度筒，并轻放于试样旁边；当试样不再继续坍落或坍落时间达30s时，用钢尺测量出筒高与坍后混凝土试体最高点之间的高度差，作为该混凝土拌合物的坍落度值；当混凝土拌合物物不再扩散时，用钢尺测量混凝土拌合物展开扩展面的最大直径以及与最大直径垂直方向的直径；不间断地进行开始装料到提坍落度筒的整个过程；
步骤五，坍落度筒提离后，当混凝土发生崩坍或一边剪坏现象，则重新取样另行测定；若第二次测试仍出现混凝土发生崩坍或一边剪坏现象，则记录备查；
步骤六，用钢尺测量混凝土扩展后最终的最大直径和最小直径，用其算术平均值作为坍落扩展度值；否则，此次测试无效；若粗骨料在中央集堆或边缘有水泥浆析出，则表示混凝土拌合物抗离析性不好，记录说明；
步骤七，当混凝土用于隧道衬砌拱顶时，应在测定扩展度时，同时测定混凝土的扩展时间，扩展时间指自坍落度筒提离地面时开始，至扩展开的混凝土拌合物外缘初触平板上所绘直径的圆周为止。
2.如权利要求1所述的隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，其特征在于，步骤一中，采用多次采样的方法，在同一盘混凝土或同一车混凝土中的1/4处、1/2处和3/4处分别进行坍落度和扩展度混凝土拌合物的取样，并搅拌均匀，取样量不小于20L；第一次取样和最后一次取样的时间间隔不超过15min；并在取样后5min内开始测试坍落度和扩展度。
3.如权利要求1所述的隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，其特征在于，步骤二中，所述底板具体包括：底板应采用平面尺寸不小于1000mm×1000mm、最大挠度不大于3mm的钢板，并应在平板表面标出坍落度筒的中心位置和直径分别为200mm、300mm、500mm、600mm、700mm、800mm、900mm的同心圆。
4.如权利要求1所述的隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，其特征在于，步骤三中，将取得的混凝土试样用小铲分3层均匀地装入筒内，每装一层混凝土拌合物，用捣棒由边缘到中心按螺旋形均匀插捣25次，捣实后每层混凝土拌合物试样的高度为筒高的1/3；坍落度为210±10mm的混凝土，分两层装料，每层装入高度为筒高的一半，每层用插捣棒插捣15次；
步骤四中，当试样不再继续坍落或坍落时间达30s时，用钢尺测量出筒高与坍后混凝土试体最高点之间的高度差，作为该混凝土拌合物的坍落度值；当混凝土拌合物物不再扩散或扩散时间已达到50s时，用钢尺测量混凝土拌合物展开扩展面的最大直径以及与最大直径垂直方向的直径；坍落度筒的提离过程在3～7s内完成；不间断地进行开始装料到提坍落度筒的整个过程，且在150s内完成。
5.如权利要求1所述的隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，其特征在于，步骤五中，坍落度筒提离后，当混凝土发生崩坍或一边剪坏现象，则重新取样另行测定；若第二次测试仍出现混凝土发生崩坍或一边剪坏现象，则记录备查；混凝土拌合物扩展度两直径之差小于50mm时，取其算术平均值作为扩展度试验结果；当两直径之差不小于50mm时，重新取样另行测定；若粗骨料在中央堆集或边缘有浆体析出时，记录说明；
步骤六中，用钢尺测量混凝土扩展后最终的最大直径和最小直径，在这两个直径之差小于50mm的条件下，用其算术平均值作为坍落扩展度值；否则，此次测试无效；若粗骨料在中央集堆或边缘有水泥浆析出，则表示混凝土拌合物抗离析性不好，记录说明；
步骤七中，扩展时间指自坍落度筒提离地面时开始，至扩展开的混凝土拌合物外缘初触平板上所绘直径500mm的圆周为止。
6.如权利要求1所述的隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，其特征在于，所述混凝土拌合物坍落度和坍落扩展度值单位mm，测量精确至1mm，结果表达修至5mm，扩展时间的测量单位为s，结果精确至0.1s。
7.如权利要求1所述的隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，其特征在于，所述混凝土配合比设计方法具体包括：
(1)根据混凝土拌和物性能、设计强度和耐久性指标要求，结合所选水泥的性能、外加剂的性能以及相关标准，初步确定胶凝材料总用量、矿物掺合料的种类及掺量、外加剂的掺量、水胶比和砂率，并计算出单位体积混凝土的水泥用量、矿物掺合料用量、用水量以及外加剂的用量；中高流动性混凝土在满足工作性的条件下，应降低用水量，河砂混凝土不大于160kg/m3，机制砂、混合砂混凝土不大于170kg/m3；
(2)利用体积法计算配合比，同时对每立方米混凝土的总碱含量、总氯离子含量、总三氧化硫含量和混凝土的浆体比进行核算，其是否符合相关标准要求的规定；
(3)按照工作性能优良、力学性能和耐久性能满足要求、经济合理的原则，从步骤(2)中得到的3个配合比中选择合适的配合比，测试相应混凝土的表观密度；当表观密度实测值与计算值或假定值之差超过20kg/m3时按下式计算校正系数，将混凝土的各种原材料用量乘以校正系数，即得混凝土的设计配合比：
式中：δ表示校正系数，ρct表示混凝土拌和物的表观密度实测值，kg/m3，ρce表示混凝土拌和物的表观密度计算值或假定值，kg/m3。
8.如权利要求7所述的隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，其特征在于，步骤(2)中，所述体积法计算配合比具体包括：
首先采用下式计算每立方米混凝土中砂石的总体积：
式中：Vs，g表示每立方米混凝土中砂石总体积，单位m3；V表示混凝土总体积，为1m3；mw表示每m3混凝土中水用量，单位kg；mc表示每m3混凝土中水泥的用量，单位kg；mp1表示每m3混凝土中掺和料1用量，单位kg；mp2表示每m3混凝土中掺和料2用量，单位kg；mα表示每m3混凝土中外加剂的用量，单位kg；α表示每m3混凝土所含空气体积设计值，单位m3；ρw表示水的密度，单位kg/m3；ρc表示水泥的密度，单位kg/m3；ρp1表示掺合料1的密度，单位kg/m3；ρp2表示掺合料2的密度，单位kg/m3；ρα表示外加剂的密度，单位kg/m3；
其次，采用下式计算每立方米混凝土中砂子的用量：
ms＝Vs，gSvρs；
式中：ms表示每m3混凝土中砂子的用量，单位kg；Sv表示体积砂率；ρs表示砂子的表观密度，单位kg/m3；
再次，采用下式计算m3混凝土中石子的用量：
mg＝Vs，g(1-Sv)ρg；
式中：mg表示每m3混凝土中石子的用量，单位kg；ρg表示石子的表观密度，单位kg/m3。
9.如权利要求7所述的隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，其特征在于，步骤(2)中，所述配合比核算具体包括：
1)核算每立方米混凝土的总碱含量，总氯离子含量、总三氧化硫含量和混凝土的浆体比是否符合规定；若否则重新选择原材料，并重新对混凝土的总碱含量、总氯离子含量、总三氧化硫含量和浆体比进行核算；
2)在试验室试拌混凝土并测试混凝土的拌和物性能；若测试值不满足设计要求，调整混凝土的砂率和外加剂用量，重新搅拌、测试混凝土的拌和物性能，并对混凝土的总碱含量、总氯离子含量和总三氧化硫含量进行核算，直至满足要求；试拌时，每盘混凝土的最小搅拌量在20L以上，且不少于搅拌机容量的1/3；
3)对混凝土的胶凝材料用量、矿物掺合料掺量、砂率和水胶比上下略作调整，重新按上述步骤计算、试拌并调配出拌和物性能、总碱含量、总氯离子含量、总三氧化硫含量和浆体比满足设计和本要求的3个配合比，并对相应混凝土的力学性能进行试验；选择力学性能满足要求的混凝土进行耐久性能和长期性能试验。
10.如权利要求7所述的隧道衬砌中高流动性混凝土的性能测定方法，其特征在于，步骤(3)中，所述校正系数计算公式为：
式中：δ表示校正系数；ρct表示混凝土拌和物的表观密度实测值，单位kg/m3；ρce表示混凝土拌和物的表观密度计算值或假定值，单位kg/m3。
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