建筑技术丨C40大体积自密实混凝土在盾构井侧墙中的应用研究

北京市东六环（京哈高速–潞苑北大街）改造工程全线分为直接加宽段和入地改造段，全长16 km，起点位于京哈高速以南约2 km，起点至京津公路南侧为直接加宽段，采用双侧加宽形式，标准断面由双向四车道加宽至双向六车道；在京津公路南至潞苑二街北采用入地改造形式，隧道段一般布置于六环路西侧绿化带内，入地改造线位图如图1所示。

图1 北京市东六环入地改造线路及盾构井布置（计算机截图）

南侧盾构井采用明挖顺作法施工，盾构工作井基坑围护结构为地下连续墙，盾构工作井段基坑尺寸为25 m×49.3 m×26.4 m，主体为四层结构，分9次浇筑，共设3道混凝土支撑+2道钢支撑，第1, 2, 3, 4道腰梁兼做环框梁。主体侧墙设计为C40P10混凝土，墙高6 m，厚1.2 m。由于侧墙墙体位于起支撑作用的上下环框梁之间，侧墙墙体合模后因环框梁阻挡无法振捣，经与设计方、施工方协商，在环框梁施工时预埋  200 PVC管，作为后续侧墙混凝土浇筑入口和辅助振捣插入口（图2）。

图2 环框梁之间侧墙浇筑示意

1 混凝土技术路线选择

1.1 大体积混凝土技术路线

本工程墙体厚度超过1 m，属大体积混凝土范畴，故按大体积混凝土进行设计，采取60 d强度验收方式,充分利用粉煤灰和矿渣粉的后期强度，适当减少水泥用量，以控制水化热引起的温升裂缝风险。

1.2 自密实混凝土技术路线

考虑到侧墙结构无法充分振捣，需采用C40SCC混凝土，要求扩展度达650~700 mm，以保证流动填充性良好；考虑自密实混凝土浇筑对侧模板的压力，浇筑速度不应过快；考虑运距和施工方便，确定自密实混凝土出机2 h保持足够流动性。应充分利用混凝土全级配理论配制自密实混凝土，合理搭配砂石等原材料比例组合，使用优质I级粉煤灰和复配自密实专用外加剂，以取得良好的流动性和抗离析性。

1.3 防裂混凝土技术路线

地下盾构井基坑深23 m，主体结构要求防水防裂,结构防水达到P10级且不得出现渗水裂缝，故掺入I级粉煤灰降低用水量以及水化热，并摒弃自密实混凝土采用5~10 mm碎石的常规做法，采用5~20 mm连续级配的山碎石，通过大掺量粉煤灰、多级配砂石使混凝土结构密实、稳定，减少收缩开裂风险。

2 混凝土原材料优选

（1）采用普通硅酸盐P·O42.5水泥，其用量参照大体积混凝土规范，突破冬期混凝土施工规程和地下防水混凝土规范的水泥限量要求，以降低水泥水化热、提高混凝土的抗裂能力，确定使用唐山泓泰水泥P·O42.5低碱低比表面积水泥，水化热指标Q_3d=200 kJ/kg, Q_7d=243 kJ/kg。（2）采用天然中砂与机制砂按最佳比例搭配，经试验确定天然中砂和机制砂最佳比例为2∶8，级配曲线满足JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》中Ⅱ区中砂级配曲线要求。（3）采用导热性好、线膨胀系数小、级配合理的粗骨料，减少混凝土温度应力。选择合理的最大粒径（自密实混凝土选择5~10 mm和10~20 mm二级配）按最佳比例3∶7搭配，满足5~20 mm连续级配要求，颗粒洁净，严格控制针片状含量小于7%。（4）采用I级F类优质粉煤灰，严格控制粉煤灰需水量比小于95%,设置专用仓储单独存放。（5）掺入质量稳定的大型立磨生产粒化高炉矿渣粉，满足S95标准要求。（6）采用优化设计的复合型自密实专用高性能减水剂，减水率应大于25%，掺量2.0%~2.5%。

3 C40大体积自密实混凝土试验

3.1 配合比设计

3.1.1 优化砂石骨料级配

（1）采用天然中砂、机制砂按最佳比例2∶8，搭配出符合标准曲线区间的Ⅱ区混合中砂，石粉含量控制在5%以内。

（2）采用线膨胀系数小的山碎石，为增加混凝土弹性模量、减少收缩，摒弃常规自密实混凝土多采用5~10 mm碎石的做法，采用5~10 mm碎石与10~20 mm碎石，按最大堆积密度的方法确定二者比例为3∶7，碎石级配满足5~20 mm连续级配，表面洁净，粒型良好，针片状含量控制在7%以内。

3.1.2 充分发挥优质I级粉煤灰的作用

（1）在混凝土中掺入优质I级粉煤灰取代25%水泥，利用粉煤灰颗粒呈球状具有滚动效应起润滑作用的特性改善拌合物的流动性、粘聚性及保水性；粉煤灰28 d后与水泥水化生成的新生态Ca(OH)₂发生二次水化反应可增加混凝土密实度，提高后期强度，实现28~60 d乃至长龄期强度持续发展。

（2）考虑到本工程属大体积混凝土结构，通过掺入25%掺量的粉煤灰，以减少水泥用量，可大幅降低水化热和水化温升峰值；同时因I级粉煤灰需水量比低于95%，可减少混凝土单方用水量，在相同水胶比条件下减少胶凝材料用量，增加骨料用量，增强混凝土的体积稳定性。

3.1.3 配制自密实专用的复合型聚羧酸高性能减水剂

按弱分散、高饱和掺量、延时缓释、适量引气、适宜的粘度改性剂以降低敏感性的技术思路，通过试验优选复合型高性能聚羧酸减水剂，根据气温变化复配缓凝组分，掺加适宜比例的保坍组分及其他组分，满足自密实混凝土流动性和保水性等要求，使混凝土拌合物既能像水一样流淌，又可在高流动性状态下不离析、不泌水，具有良好的和易性和自密实状态。

3.1.4 设计系列混凝土配合比

C40大体积自密实系列混凝土配合比及普通混凝土配合比见表1。

      表1 C40大体积自密实系列混凝土配合比及普通混凝土配合比  kg/m³

3.2 混凝土配合比性能指标

混凝土配合比性能指标见表2。

表2 C40大体积自密实混凝土系列配合比性能指标

根据以上试验结果，综合JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》中表4.3.1混凝土拌合物自密实性能指标和表4.1.4混凝土自密实性能指标范围，A基准的扩展度2 h经时损失、J环扩展度、间隙通过性优于A1和A2，综合考虑工作性能要求和经济成本等因素选用A基准配合比较适宜。

3.3 水化热试验

使用“混凝土热物理参数测定仪”对混凝土的绝热温升进行检测。在混凝土配合比设计时，不但可按GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》进行热工计算，还可对实际配合比的绝热温升进行检测。

使用绝热温升测定仪测定混凝土温升，依据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》4.18混凝土绝热温升试验方法中计算绝热温升值的公式进行计算，测定混凝土6 d绝热温升值，满足大体积混凝土施工规范要求（表3）。

                                  表3 绝热温升实测值                              ℃

注：混凝土环境温度为10℃。

水化绝热温升曲线显示，A基准配合比峰值在52 h出现，峰值为42.76 ℃；作为对比的C40普通混凝土配合比峰值在40 h出现，峰值为46.05 ℃。A基准混凝土温升峰值出现推迟了12 h，峰值降低了3.29 ℃，降低温升效果明显。

4 工程应用

4.1 温度监测与养护、拆模时机的选择

（1）根据混凝土搅拌前后总热量相等原理，混凝土的出机温度与原材料的温度成正比，为此有必要对原材料采取温控措施。在高温季节控制混凝土出机温度低于30 ℃，以降低入模温度。必要时适当加入冰水，拌合水的温度宜控制在10 ℃以下；在冬季施工期间提高混凝土拌合物温度，混凝土入泵温度不低于10 ℃，入模温度不低于5 ℃。

（2）选择适宜气温浇筑大体积混凝土，以延缓混凝土升温速度。

（3）加强测温和温度监测与管理，实行信息化控制。混凝土内外温差控制在25 ℃以内，基础表面温度与底面温度均控制在20 ℃以内。及时调整保温及养护措施，使混凝土的温度梯度和湿度不至于过大。按施工方案控制混凝土水化热降温速度，减少结构内外温差，以防因温度应力过大而产生温度裂缝。

4.2 节水保湿养护膜技术

考虑到侧墙等竖向混凝土结构保温保湿养护难度较大，故拆模后采用节水保湿养护膜贴合覆盖表面，并立即沿上部缝隙处补充同等温度的养护水，使养护膜充分吸水，并使用胶带粘合固定接缝及边缘，将养护膜与结构间尽量贴合紧密。

节水保湿养护膜技术是在塑料薄膜上附有高分子可吸水树脂颗粒，将其覆盖到混凝土表面后一次补水使树脂颗粒充分吸水，该颗粒吸收自身重量200倍的水分变为透明的晶体，将液态水变为固态水，再通过毛细管作用源源不断地向养护面渗透，同时又不断吸收养护体在混凝土水化热过程中的蒸发水。因此在一个14 d以上养护期内该养护膜能保证养护体表面保持湿润，相对湿度不小于90％。本工程侧墙对覆盖节水保湿养护膜与覆盖土工布（定期喷水）部位的回弹检测结果见图3所示，覆盖养护膜的结构回弹强度平均高5~7 MPa。采用节水保湿养护膜技术可使混凝土拆模后保持足够的湿度，避免裸露蒸发带来的湿度梯度剧烈变化引起开裂和碳化，对减少早期干燥收缩裂缝、提高结构表面致密性有明显效果。

图3 不同养护方式对混凝土结构强度的影响

拆模后墙体表面无裂纹、蜂窝孔洞，整体外观整齐光滑、无气泡。60 d龄期回弹强度为56 MPa，标准养护强度达64 MPa，满足设计要求。

5 结束语

（1）采用大掺量I级粉煤灰、多级配砂石和自密实专用高性能聚羧酸减水剂是配制大体积自密实混凝土的技术关键，使用粒径为5~20 mm的碎石可提高抗收缩防裂能力。

（2）本工程C40大体积自密实混凝土采取大体积技术路线结合自密实混凝土技术路线，设计满足盾构井侧墙结构施工要求的配合比，解决了施工难题。

（3）大体积混凝土结构采取测温控温技术和新型水养护膜技术进行施工温度控制和结构实体补水养护，成为提高混凝土结构质量的保证。

（4）采用优质原材料，结合结构特点进行量体裁衣式的配合比设计、优选技术路线和精心施工，解决了本工程复杂混凝土结构的施工难题。