C60_混凝土配合比方法在隧道工程中的应用

2024/03总第577期
C60混凝土配合比方法在隧道工程中的应用
刘平，陈秋月
（中交四航局第三工程有限公司，广东湛江 524022）
［摘要］高性能混凝土因其良好的综合性能被广泛用于对使用性能要求严格的建筑领域。

根据隧道
工程实际应用的需求，通过原料甄选、混凝土配合比设计、试验验证等手段研究了一种适用于隧道工程
实际应用的C60高性能混凝土材料。

实验结果证明，采用478kg水泥、58kg矿渣粉、9kg硅灰、5.7kg外加剂、662kg砂、1104kg石子、158kg水这一比例混合而成的混凝土材料，28d强度达到90MPa以上，完全满
足隧道工程强度需要。

［关键词］C60高性能混凝土；配合比；隧道
［中图分类号］TU528.31 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2024）03-0137-04
Application of C60 concrete mix proportion method in tunnel engineering
LIU Ping，CHEN Qiu-yue
随着建设需求的提高，普通混凝土的配合比对于一些施工要求较高的建筑结构已然不再适用，需要针对建设需求、施工条件及自然环境等研制出适用的高性能混凝土。

根据我国工程建设标准《高性能混凝土应用技术规程》（CECS207：2006），采用常规材料和工艺生产的能保证混凝土结构所要求的各项力学性能，并具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土即为高性能混凝土［1］。

依据其强度等级，高性能混凝土可以划分为C40、C50、C60、C80等不同级别。

高性能混凝土作为当今各国研究的热门问题之一，在国内外的实际工程中有着广泛的应用。

早在1988年我国上海金茂大厦就采用了双掺技术研制高性能混凝土，采用C60与C50混凝土对关键部位进行浇筑。

在珠江新城的广州东塔的设计上，结合不同高度处的建设要求，分别采用C60、C70、C80级别的混凝土［2］。

在国外土木工程的应用上，美国芝加哥水塔大厦所采用的混凝土的最高强度等级达到了C75，加拿大多伦多Nova Scotia广场中心大厦所用的混凝土等级达到了C80，美国修建的西雅图双联广场所用的混凝土更是达到了C135［3］。

近些年来，随着我国城市化进程以及西部地区基础设施工程的不断发展，各种公路、铁路隧道、水电隧道、越江跨海隧道等隧道工程陆续投入建设，成为国家经济发展的利器。

然而，由于隧道地质条件复杂且对混凝土的要求较高，隧道混凝土及其施工质量控制都是建筑施工的重点卡控项目。

在隧道建设中，一方面需要保证混凝土的自身强度，另一方面需要尽可能减小混凝土裂缝的发生率。

这就需要以隧道建设需求为导向，做好混凝土原材优选，并针对性的设计高性能混凝土的配合比。

南京过江隧道混凝土箱梁、盾构管片均选用C60高性能混凝土作为建筑用材［4，5］。

本文基于隧道工程中的应用需求开展C60混凝土的配合比研究。

首先优选混凝土原材，其次优化C60混凝土的配合比方法，最后开展试验研究，验证C60配合比方法的合理性。

技术路线如图1 所示。

1 原材料及其技术参数
基于隧道工程要求的耐久性、强度以及经济性，C60混凝土选取的原材料主要为胶凝材料、砂子以及石子。

DOI:10.14189/ki.cm1981.2024.03.021
［收稿日期］2023-10-23
［通讯地址］刘平，广东省湛江市乐山路23号
CONSTRUCTION MACHINERY137
138 建筑机械设计计算
DESIGN & CALCULATION
图1 技术路线图
1.1 胶凝材料
胶凝材料是配置C60混凝土最主要的原材料，其主要组分包括水泥、矿渣粉以及硅灰。

其中，水泥通过水化反应生成水泥石，将集料胶结在一起。

一方面，水泥是影响混凝土强度、硬化后的抗渗性及耐久性等各方面性能的重要因素，另一方面，水泥的选择直接关系到经济成本。

考虑水泥的强度、流变性能、颗粒组成及经济性等方面，华新PO52.2水泥可以很好的满足需求，其技术参数如表1所示。

表1 水泥技术参数表
名称强度 /MPa 密度 /（kg/m 3）比表面积
/（kg/m 2）
需水量 /%P052.5水泥
55.6
3050
350
27
同时，为了得到水泥质量强度比，制备水泥胶砂，并进行了测量。

其中，水泥胶砂的质量为2025g ，体积为0.873m 3，各组分材料用量及体积如表2所示。

从表2中，可以计算出水泥在砂浆中的体积比例为
327MPa
0.170σ==3
027305011002124kg/m 30502711000100ρ⎛⎫⨯+ ⎪
⎝⎭==+⨯302124 6.5kg/(MPa m )
327C
ρR σ
===⋅010%5980.1
58kg 1.04K
C K
α⨯⨯===010%
5980.1
C ⨯⨯表2 水泥检测材料名称用量/kg 密度/（kg/m 3）体积/m 3
水泥45030500.148砂135027001000
水
22510000.225之后，根据表1中的内容，可确定标准稠度水
泥浆体强度以及密度分别为0.1480.1700.873C V ==3302124 6.5kg/(MPa m )327C ρR σ===⋅010%5980.19kg 6.6C Si u ⨯⨯===2747858190.98100
147kg B W =+⨯+⨯⨯=()()12113321 14714710.8233 107kg B B W W W W M =⨯+⨯⨯-=⨯+⨯⨯-=34785890.181m 305028002600V =++=25500.239662kg 10.08S ⨯==-0.1480.1700.873
C V ==σ=302124 6.5kg/(MPa m )327C ρR σ
===⋅010%5980.19kg 6.6
C Si u ⨯⨯===2747858190.98100 147kg B
W =+⨯+⨯⨯=()()121133
21 14714710.8233 107kg B B W W W W M =⨯+⨯⨯-=⨯+⨯⨯-=34785890.181m 305028002600V =++=25500.239662kg 10.08
S ⨯==-最终，可以得到水泥的质量强度比为C V =30502711000100+⨯010%5980.158kg 1.04K
K α⨯===010%5980.19kg 6.6C Si u ⨯⨯===2747858190.98100 147kg B
W =+⨯+⨯⨯=()()12113321 14714710.8233 107kg B B W W W W M =⨯+⨯⨯-=⨯+⨯⨯-=3
4785890.181m 305028002600V =++=25500.239662kg 10.08S ⨯==-矿物掺合料作为胶凝材料的组成部分，其掺入可以有效改善胶凝材料的颗粒级分配，提高其抗渗性能，并且在减小用水量的同时抑制混凝土早期的水化反应，减少混凝土收缩和徐变。

很早Wittmann 教授就认为利用硅粉、微填充料等填充水泥粒子间的空隙，通过一定压力作用可使混凝土达到高性能。

这里掺入的矿物掺合料为S105级矿渣粉及硅粉的复合掺和料。

矿渣粉是由炼钢高炉渣所制得的水硬性胶凝材料，其主要组成为铝硅酸钙和硅酸钙，可以提高混凝土后期强度、改善泌水性能、增强粘聚性。

S105级矿渣粉的技术参数如表3所示。

其中，根据其活性指数可求得活性系数αK 为1.04。

表3 S105级矿渣粉技术参数表名称活性指数密度 /（kg/m 3）比表面积 /（kg/m 2
）
需水量
/%S105级矿
渣粉
102
2800
400
1
硅粉则是铁合金在冶炼硅铁和金属硅时，产
生出挥发性气体与空气迅速氧化冷凝沉淀而成的物质，其主要成分为二氧化硅，细度和比表面积能够达到水泥颗粒的几十倍，既可以填充水泥颗粒间的孔隙，又可以形成水化凝胶体使混凝土结构更致密。

硅灰的技术参数如表4所示。

其中，硅灰的填
充系数u 为6.6。

1.2 砂、石及水
在砂子的选取上，需要根据工程需求中的复
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合因素选择最佳的级配。

砂子细度模数较小会导致
混凝土的流动性变差，较粗的砂子则导致其保水性
能较差。

最终，依据《建筑用砂》（GB/T 14684-
2011）选取细度模数适中的洁净中砂，通过现场检
测其技术参数如表5所示。

表4 S105级矿渣粉技术参数表
名称
密度
/（kg/m3）
比表面积
/（kg/m2）
需水量
/%
硅灰2600180000.98
表5 中砂技术参数表
名称细度模数含石率/%含水率/%
表观密度/（kg/m3）
中砂 2.7802550
在石子的选取上，天然石子的强度就可以满足C60混凝土的需求，更多需要考虑的是石子的粒形及清洁程度。

C60混凝土相对于普通混凝土对于界面强度更为敏感，碎石的粒径较小，可以有效提高过渡区的强度。

因此，依据《建筑用卵石和碎石》（GB/T 14685-2011），这里选取洁净的碎石，通过现场检测其技术参数如表6所示。

表6 碎石技术参数表
名称粒级/mm空隙率/%吸水率/%
表观密度/（kg/m3）
碎石5～251212672
C60混凝土用水主要用于搅拌混凝土，其质量对混凝土的耐久性有着较大影响，所用水质不得含有对混凝土本身以及内部钢筋有害的物质。

在节约用水、保护资源的原则下，主要采用自来水作为C60混凝土用水。

2 C60混凝土配合比
对于可应用于隧道工程的混凝土，其强度是尤为重要的一个方面，同时需要兼顾各材料的比例。

C60混凝土的配制强度要求如下
f cuo≥60×1.15=69MPa
需要注意的是，为了保证实际得到的强度，这里我们预设的配制强度为92MPa。

接下来，针对不同的材料，给出了详细的配合比计算步骤。

2.1 胶凝材料用量及其用水量
根据预设的配制强度以及水泥强度质量比R C可以确定基准水泥用量为
C
=f cuo×R C =598kg 其中，水泥、矿粉以及硅灰的用量比为8∶1∶1，可以分别确定其用量为
C=C
×80%=598×0.8=478kg
0.1480.170
0.873
C
V
==
55.6327MPa
0.170
σ
==
3
27
30501
1002124kg/m
305027
1
1000100
ρ
⎛⎫
⨯+
⎪
⎝⎭
==
+⨯
3
2124 6.5kg/(MPa m)
327
C
ρ
R
σ
===⋅
10%598
C⨯⨯
==
4785819
100
147kg
=+⨯+
=
2
33
107kg
=
3
4785890.181m
305028002600
V=++=
0.1480.170
0.873
C
V
==
55.6327MPa
0.170
σ
==
3
27
30501
1002124kg/m
305027
1
1000100
ρ
⎛⎫
⨯+
⎪
⎝⎭
==
+⨯
3
2124)
ρ
=
1.04
K
α
47858190.98
100
147kg
B
W=+⨯+⨯⨯
=
(
147
33
107kg
+⨯⨯
=
3
478589
根据其中各材料的需水量可以确定胶凝材料的标准稠度用水量为
0.1480.170
0.873
C
V
==
55.6327MPa
0.170
σ
==
27
30501
100
⎛⎫
⨯+
⎪
⎝
2124 6.5kg/(MPa
327
ρ
σ==
1.04
K
α
10%5980.19kg
6.6
C
Si
u
⨯⨯
===
()
1
211
33
21
B B W
W W W M
=⨯+⨯⨯-
25500.239
10.08
-
根据其泌水系数M W为0.82，可以确定胶凝材料拌和用水量为
0.1480.170
0.873
C
V
==
55.6327MPa
0.170
=
3
100
305027
⎝⎭
=
2124 6.5kg/(MPa m)
327
C
ρ
σ
===
10%5980.1
1.04
C
α
⨯⨯
==
47858190.98
100
147kg
B
W=+⨯+⨯⨯
=
3
4785890.181m
305028002600
V=++=
之后，根据各材料密度可以确定胶凝材料的体积如下
0.148
327MPa
0.170
=
100
305027
1
1000100
⎝⎭
+⨯
2124
ρ
1.04
α
10%5980.19kg
6.6
C
Si
u
⨯⨯
===
()
21
14714710.82
33
107kg
=⨯+⨯⨯-
=
25500.239662kg
10.08
S⨯
==
-
2.2 砂子用量及用水量
根据胶凝材料体积，可以确定砂子体积为0.239m3，之后，基于砂子的表观密度和含石率可以确定砂子的用量为
0.170
0.873
C
V
==
55.6327MPa
0.170
σ
==
3
305027
1000100
3
2124 6.5kg/(MPa m)
327
C
ρ
R
σ
===⋅
27
478
100
147kg
B
W=+⨯+⨯⨯
=
()
14714710.82
33
107kg
=⨯+⨯⨯-
=
3
4785890.181m
305028002600
V=++=
CONSTRUCTION MACHINERY139
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建筑机械
其中，结合砂子的含水率可以得到砂子的用
水量为
W 2=662×（6%-0%）=40kg 之后，根据胶凝材料、砂子、胶凝材料拌和用水量及砂子的用水量，可以确定水泥混合砂浆的体积V 砂浆为0.567m 3。

2.3 石子用量及用水量根据水泥混合砂浆的体积以及砂子的含石率，最终可以确定石子的用量为6.5kg/(MPa m )
C
R ===⋅27
47858190.98100
147kg B
W =+⨯+⨯⨯
=()
()121
13321 14714710.8233
107kg
B B W W W W M =⨯+⨯⨯-=⨯+⨯⨯-=3
478589
0.181m 305028002600
V =++=25500.239
662kg
10.08
S ⨯==-()10.56726726620.08 1104kg
G =-⨯-⨯=
此时，可以确定石子的用水量为
W 3=1104×1%=11kg
2.4 总用水量
根据各材料的用水量，可以确定总用水量如下
W =W 1+W 2+W 3=158kg
2.5 C60混凝土配合比
根据各材料的用量，最终可以得到C60混凝土的配合比如表7所示。

表7 C60混凝土配合比
名称水泥矿渣粉硅灰砂石子水用量/kg
478
58
9
662
1104
158
3 试配工艺及强度分析
基于给出的C60混凝土配合比开展试配工艺及混凝土强度分析。

3.1 外加剂调整试验
首先开展外加剂调整试验，称取水泥478g 、矿渣粉58g 、硅灰9g 和水147g 进行外加剂掺量调整试验。

在控制混凝土拌和物坍落度在100±30mm 时，外加剂掺量1%。

3.2 试配工艺
首先将胶凝材料和砂子按照配合比用量计量后加入搅拌机，将外加剂加入水中混合均匀，开启搅拌机，边加水边搅拌。

待水泥混合砂混合料搅拌均匀且浆体表面有光泽时停止搅拌，加入石子继续
搅拌均匀即可。

测量坍落度控制在100±30mm 。

3.3 C60混凝土强度分析
成型的混凝土养护达到龄期后，对其强度进行验证。

为了保证数据结果的准确性，开展了3组重复试验，其试验各原料用量如表8所示，试验结果如表9所示。

根据表9可以看出，3次重复试验的C60混凝土28d 强度均到达了90MPa 以上，其中2号试验的结果甚至达到了97.5MPa ，可以看出完全满足C60混凝土的强度要求与隧道用混凝土强度的 需要。

表8 原材料用量
名称水泥矿渣粉硅灰砂石子水外加剂用量/kg
478
58
9
662
1104
158
5.7
表9 C60混凝土强度试验结果试验编号
28d 强度/MPa
190.8297.53
93.6
4 结束语
（1）通过计算，C60高性能混凝土材料拟采用混合比为：478kg 水泥、58kg 矿渣粉、9kg 硅灰、5.7kg 外加剂、662kg 砂、1104kg 石子、158kg 水。

（2）采用合理混合比配置而成的高性能混凝土材料，28d 强度可达90MPa ，完全满足隧道实际应用的需求。

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