超保坍混凝土在轨道交通工程中应用

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引言

随着北京市城市建设的不断扩张，交通流量居高不下，为了缓解地上车辆和人流的压力，政府部门大力发展轨道交通建设。北京市城区内地铁工程的车站和隧道大多采用地下暗挖的施工工艺，有些区域条件允许下也采用地平开挖的方式施工。当施工场地的使用时间远远短于结构施工工期时，则采用盖挖逆向法的施工工艺，该工艺对混凝土在长时间下的工作性能要求比其他工艺对混凝土的要求更高。常规混凝土的2h坍落度损失小于20mm，初凝时间8～10h，终凝时间10～12h，目前国内研究中混凝土的凝结时间可以延长至30h以上，但很少能使混凝土坍落度延长至18h以上。本文研究强度等级C40的超保坍混凝土，试验证明，该超保坍混凝土18h后不需要二次搅拌，坍落度180mm以上，扩展度350～450mm，初凝时间30～32h，终凝时间33～35h，在实际工程中得到了很好的应用，为以后轨道交通建设中混凝土的应用提供了一定参考。

1影响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热速度就越快，对混凝土凝结时间和坍落度保持的影响也就越大，为此在混凝土中掺入大量优质的粉煤灰，有利于降低胶凝材料的需水量，同时用粉煤灰取代部分水泥可延缓水泥的水化速度，有效控制混凝土的水化温升，粉煤灰的掺入可改善混凝土的粘稠度，提升混凝土的工作性能。（2）混凝土中的含气量。外加剂中引气组份可以在新拌混凝土时引入一定数量气泡，气泡存在于水泥浆体中，水胶比越低水泥浆体越黏稠，气泡逸出越困难，由此引起的坍落度损失较小。 （3）外加剂的选择。聚羧酸复合型高效减水剂应具有减水、缓凝、降低坍落度损失、引气等作用，其中缓凝组份在水泥颗粒或其水化物表面的吸附引起水泥水化延缓，延长了混凝土凝结时间，降低混凝土的坍落度损失，同时缓凝组份也具有减水作用。

2超保坍混凝土的研究技术路线

（1）混凝土的出机状态按照自密实混凝土状态控制，坍落度大于220mm，扩展度大于600mm，混凝土具有良好的和易性和包裹性。（2）通过调整混凝土中聚羧酸外加剂的引气、缓凝、保持坍落度等组份，实现混凝土在长时间静停下仍然具有良好的工作性能。（3）混凝土配合比采用低水胶比和大掺量矿物掺合料的思路，在保证强度的同时降低胶凝材料水泥用量，延缓水化放热速度。

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，比表面积345m2/kg，碱含量0.54%，28d抗压强度53.5MPa。粉煤灰：秦皇岛热力发电厂，F类Ⅰ级，细度10%，需水量比93%，烧失量1.8%，游离氧化钙含量0.2%。矿粉：三河兴达建材有限公司，S95级，比表面积441m2/kg，7d活性指数80%，28d活性指数102%。砂：北京榆构砂石有限公司，II区中砂，细度模数2.5，含泥量2.0%，泥块含量0.5%，含水率≤8.0%。石：北京榆构砂石有限公司，5～25mm碎石，含泥量0.5%，泥块含量≤0.2%，含水率≤1.0%，压碎指标4.3%，针片状含量≤5%。聚羧酸减水剂：河北合众建材有限公司，减水率28%，含气量3.5%，初凝时间34h，终凝时间36h，混凝土坍落度损失≤20mm（以C40混凝土配合比为基准）。本研究选用C40混凝土，水灰比0.37，砂率42%，具体配合比见表1。

4混凝土相关试验

4.1外加剂的选择

外加剂中保坍组份和缓凝组份的配置需要通过试验确定，缓凝或保坍组份过多或过少都会造成混凝土的工作性能、凝结时间不能满足要求，考虑到实际施工环境的复杂，混凝土拌合后要观察20h后的保坍情况，试验选择三种不同配方的缓凝保坍型减水剂Y1、Y2、Y3，混凝土的和易性见表2。由表2可知，三种外加剂中，Y3的坍落度满足要求，混凝土和易性良好，触变性正常，凝结时间满足施工技术要求。

4.2混凝土的水化热

在混凝土中添加超保坍减水剂，保证混凝土20h后具有一定的凝结时间、坍落度和良好的流动性、包裹性。但配合比中的水泥用量对外加剂的保坍性能、凝结时间、水化放热速度有一定影响。试验设计两组配合比进行（见表3）。图1为水泥的水化放热速度。由表3可知，添加同种外加剂Y3，改变水泥用量，当水泥用量较小时，初凝时间较长。由图1可知，采用大掺量矿物掺合料的配合比，混凝土拌合物的水化速度得到明显的延长。

4.3不同季节超保坍混凝土模拟试验

冬季地下恒温：在地上挖一个和桩孔尺寸相近的坑（直径2m），生产6m超保坍混凝土灌注到桩孔内，环境温度-1～7℃，20h后在坑内取样检测混凝土和易性，结果见表4。夏季高温环境：9月份在室外支3m×2m×1m的模具，生产6m3超保坍混凝土灌注到模具中，环境温度20℃～30℃，18h后在模具内取样检测混凝土和易性，结果见表5。由表4和表5可知，通过采用大掺量矿物掺合料和掺加缓凝保坍型减水剂的混凝土拌合物无论是在冬季或是夏季静停18h都依然具有良好的工作性能。

4.4混凝土强度

对表3配合比的混凝土进行实验室7d、28d、56d抗压强度的测试，组别2增加一次生产模拟中的抗压强度测试，结果见表6。由表6可知，组别2实验室混凝土的早期强度（7d）仅达到设计强度的83%，28d强度达到设计强度138%，56d强度达到设计强度的176%且还在持续增长。缓凝保坍型减水剂对早期强度还是有些影响，但后期强度增长正常。

4.5超保坍混凝土质量控制要点

（1）搅拌站设置专用机组对超保坍混凝土的材料进行单独储存和生产；（2）严格控制原材料进场质量，对粉料、砂子和外加剂进行车检，外加剂进场时需要进行与水泥的适应性试验，满足要求方可打入仓内；（3）混凝土生产中安排质量控制人员对每盘混凝土状态进行全程监控，当混凝土拌合物发生波动时及时对配合比进行调整，保证本车混凝土拌合物质量满足要求；（4）混凝土开盘时对出机混凝土拌合物进行坍落度、流动度、含气量等测试，使用体积不小于20L密闭容器储存混凝土，待20h后查看混凝土拌合物状态；（5）运输车辆必须将罐体内部清洗干净并将刷罐水放干净后方可进站装运混凝土，卸载完后对将罐体内部清洗干净再装运其他混凝土，罐车运输过程中禁止私自加水或添加外加剂；（6）混凝土生产完成后质量控制人员查看罐内混凝土拌合物在静态下的状态，无分层泌浆，坍落度、和易性满足要求方可出站；（7）混凝土到场后，施工单位要逐车进行混凝土坍落度试验，使用密闭的容器对每车混凝土进行留样，待钢管柱施工时查看混凝土拌合物性能。

5工程应用

盖挖逆向施工法的步骤是：（1）在地面向下做基坑的围护结构和中间的承载桩，通常围护结构仅做到顶板的搭接处，中间的承载桩灌注到结构底板标高处，将预制好的钢管柱插入到混凝土内2m并固定，待桩基内混凝土达到终凝后对钢管柱外的桩基用碎石回填，所有桩-柱施工完成；（2）在地面上开挖至主体结构顶板底面标高并浇筑形成地下结构的永久顶板或直接为临时路面的盖板，顶板的钢筋与钢管柱相连接，此时钢管柱为该建筑物的结构支撑柱；（3）后续工作都是在板顶以下进行施工作业，自地下1层开始，按照-1、-2、-3的次序，自上而下逐层开挖，每挖一层浇筑本层底板（同时也是下一层的顶板）和边墙，逐层建造主体结构直至整体结构的底板浇筑完成。北京地铁16号线工程土建施工19合同段，木达区间盾构接收井（含）～达宫营站（含），1站1区间，与7号线达宫营站呈“L”型换乘。车站外挂换乘厅为地下三层埋深26.1m，外挂换乘厅主体采用盖挖逆作施工。外挂换乘厅中间柱29根，混凝土强度等级C40，中柱基础桩为钻孔灌注桩Φ2000mm（如图2所示），有效桩长有24m及25m两种，钻孔深度分别为28根51.22m与1根59.52m，永久立柱采用直径900mm壁厚20mm钢管柱，按柱顶至地面高度约为5m，永久立柱的有效长度分别为28根24.23m、1根31.53m，钢管柱（如图3所示）插入灌注桩连接长度2m。我公司在2015年10月为其供应超保坍混凝土一共2500立方米，混凝土28d强度均达到设计强度的130%以上。

6结论

（1）通过对聚羧酸减水剂的减水、缓凝、保坍和引气等组份调配，在不同环境下可有效的控制混凝土的凝结时间和坍落度损失。（2）采用低水胶比、大掺量矿物掺合料的技术路线，使用专用外加剂可使混凝土拌合物的工作性能延长至20h以上。（3）特种混凝土在试验室研究成功投入实际工程应用前必须进行模拟试验；通过模拟实际施工的工艺和环境，验证混凝土是否能满足工艺要求，制定混凝土质量控制的保障方案，确保混凝土在实际工程中顺利使用。

作者:刘文秀 周向东 张金鹏 张勇 单位:北京市轨道交通建设管理有限公司 北京榆构有限公司