隧道二次衬砌混凝土配合比的优化设计

隧道二次衬砌混凝土配合比的优化设计
摘要：介绍了采用粉煤灰和高效减水剂，同时运用正交试验设计方法，并利用正交试验结果，采用综合平衡法分析水泥混凝土各组成材料用量对混凝土各项指标的影响。

分析了掺粉煤灰和高效减水剂的大流动度泵送砼的社会效益和经济效益。

关键词：大流动度泵送砼，粉煤灰，正交试验设计
大流动度砼以其优越的流动性和良好的和易性，被广泛的用于泵送施工，在泉州晋石高速隧道二次衬砌中应用大流动度防水砼，最初设计的防水砼配合比为：水泥325 kg、水178 kg、砂767 kg、石1059 kg、粉煤灰71 kg、外加剂7.92 kg（萘系）。

由于材料消耗量大，从而造成施工成本上升，减少企业利润空间。

经过研究，决定采用掺粉煤灰和高效减水剂（聚羧酸）的技术对混凝土配合比进行优化设计。

1原材料选用和技术性能
1)粉煤灰：厦门华金龙建材有限公司F类II级粉煤灰。

2)水泥：选用漳平红狮水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。

3)粗集料：选用当地华表山隧道洞渣加工的4.75～31.5mm合成级配碎石。

经计算，掺配比例为16～31.5mm占30%、9.5～16mm占60％、4.75～9.5mm占10％，其中针片状含量5.9％、含泥量0.8％、压碎值10.8%。

4)细集料：选用华山砂场天然河砂。

细度模数2．68，中砂，Ⅱ区级配。

含泥量1.6％。

5)外加剂：为提高混凝土和易性．提高密实度和早期强度，选用湖北强达有限公司生产的QD高效减水剂，减水率≥ 25％。

2 试验方案
影响混凝土性能的因素较多，如混凝土的水胶比、粉煤灰掺率、水泥用量、粗集料的最大粒径、砂率、以及混凝土搅拌工艺和浇筑方法等。

2．1 因素与水平表
大流动度防水混凝土配合比设计应满足设计要求的抗压强度和施工要求的均匀性、和易性及抗渗等级。

根据工程的要求和材料现状．经过初步分析计算，选择粉煤灰掺率、砂率及
水胶比三项内容作为正交设计试验的影响因素．每个因素各制定3个水平．见表1
表1 正交试验的因素与水平表
2．2 正交试验设计表
根据表1，选择L9(34)正交试验设计表进行试验。

本试验中其他参数情况：高效减水剂掺量0.9％；单位用水量Wo,根据JGJ/ 55-2000《普通混凝土配合比设计规程》取211kg／m~，考虑减水剂的减水率，经试验确定=156 kg／m3(用水量是决定施工和易性的关键)。

3试验方法
混凝土配合比设计按JGJ 55-2000《普通混凝土配合比设计规程》、GBJ 146-90《粉煤灰混凝土应用技术规范》、JGJ/T10-95《混凝土泵送施工技术规程》、混凝土力学性能及拌合物性能按JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》试验方法标准。

4 试验结果及分析
试验采用SJD-60单卧轴强制式混凝土搅拌机，按规定精度进行称量。

先将碎石、砂掺拌均匀，再加入粉煤灰、水泥干拌l min，最后加入规定的水和外加剂湿拌2 min。

按JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》标准检验混合料的和易性、坍落度，制作试件，静停24h后拆模进行标准养护(温度20±2~C．湿度≥95％)，养护龄期为7 d和28 d。

采用TSY一2000液压式压力试验机对试块进行抗压破型试验，采集试验数据，试验结果见表2 。

表2 正交试验结果
试验号坍落度／mm 28d抗压强度/MPa 抗渗等级
对表3结果进行统计分析，得出表4试验结果极差分析表。

由于设计抗渗等级为S6，现每组试验的抗渗等级均大于等于S10，故抗渗结果不必极差分析。

由表4可以考核粉煤灰掺率、砂率及水胶比对混凝土的和易性、抗压强度和指标的影响程度及各种材料的最佳组合，为确定施工配合比提供依据。

表3正交试验结果的极差分析
1)和易性分析。

从表4坍落度的极差分析结果来看，影响混凝土坍落度的主次顺序为：水胶比(C) →混凝土的砂率(B) →粉煤灰掺率(A)。

其最佳组合为：C3B3A3。

也就是说在一定条件下，水胶比仍然是影响混凝土和易性的首要因素，其次就是混凝土的砂率。

水泥砂浆在混凝土拌合物中起到填空和润滑作用。

在试验中，发现胶凝材料少和砂率低的混凝土拌合物，混凝土流动度差。

因此，泵送混凝土中的砂浆量不能太少，应保持一定数量，才能保证混凝土的和易性。

2)抗压强度分析。

从表3抗压强度极差分析结果中可以看出，影响混凝土抗压强度的排序为：水胶比(C)→粉煤灰掺率(A) →混凝土的砂率(B)。

其最佳组合为：C1A1B1。

影响混凝土抗压强度的主要因素仍然是水胶比，其次是粉煤灰掺率。

5 施工配合比的确定
采用综合平衡法分析混凝土各组成材料用量对混凝土各项指标的影响．可以找出最佳配合比。

1)水胶比对各指标的影响。

由表3看出，对抗压强度和坍落度来讲，水胶比的极差都是最大的，即水胶比是最大的影响因素。

取0.40时抗压强度最好，但坍落度最低；取0．45时坍落度最高，但抗压强度最低。

综合考虑抗压强度、坍落度两项指标，选取0.43。

2)砂率对各指标的影响。

由表3看出，砂率的极差都不是最大的。

砂率取40％～45%，抗压强度及坍落度指标满足设计及施工要求。

综合考虑，砂率取40％～45％中值42％为宜。

3)粉煤灰掺率对各指标的影响。

由表3看出，粉煤灰掺率的极差也不是最大的，粉煤灰掺率取25%～30%，抗压强度及坍落度指标满足设计及施工要求。

综合考虑，粉煤灰掺率取25%～30%％中值27％为宜。

从降低成本、节约资金，同时保证工程质量的角度来说，通过各因素对3个指标影响的综合分析．得出较合理的试验方案。

结合工程设计、施工条件及材料的状况，本着保证质量，便于施工和经济合理的原则，在初步选出试验室配合比基础上，经过复验，最后确定混凝土施工配合比。

6经济分析
1）社会效益。

大流动度泵送混凝土采用掺粉煤灰，一方面，使水泥用量大幅下降，并获得较高的强度和良好的工作性，另一方面，节约了原材料，利用工业废料，减轻了污染。

2）经济效益。

以每立方米节约水泥66Kg，多使用粉煤灰25Kg计算, 每立方米混凝土节约造价0.066×500-200×0.025=28.0元。

该混凝土3万方，共节约28×30000=840000元。

聚羧酸高效减水剂代替奈系减水剂共可节约4400×0.00792×30000-6600×0.0032×30000=
411840元。

7结语
粉煤灰的掺入降低了混凝土的早期自收缩，聚羧酸高效减水剂的使用，改善了混凝土的和易性，使混凝土的各项指标得到了大幅度的提高，通过对配合比优化使用取得了良好的技术经济效果。

参考文献：
【1】陈伟，宗连喜.粉煤灰掺量对高性能混凝土强度和工作性的影响.粉煤灰综合利用，2003（5）:5-6.
【2】张明征.高性能混凝土的配制与应用[M].北京：中国计划出版社，2003:3.
【3】蔡正咏等.正交设计在混凝土中的应用[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。