深中通道大体积混凝土配合比设计

苏忠纯，陈智军，洪志军，曹忠露，2

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

深中通道是连接广东省深圳市和中山市的跨海大桥，全长24 km，是继港珠澳大桥之后又一世界级超大“隧、岛、桥”集群工程。西人工岛岛上段隧道起止里程K12+065—K12+540，长475 m，总体分为暗埋段及敞开段，其中暗埋段东侧与沉管隧道相接，实现岛隧转换，敞开段隧道与非通航孔桥连接，实现桥梁与人工岛衔接。西人工岛暗埋段隧道长175 m，采用单箱双室一管廊结构，结构宽度46.0～58.96 m，底板厚度1.5 m，顶板厚度1.6 m，钢筋配筋率约0.24 t/m3，具有结构断面尺寸大、钢筋配筋率高的特点，属典型的大体积混凝土结构。根据混凝土结构特点，混凝土配合比设计在满足混凝土的工作性、强度和耐久性的前提下，尽可能降低混凝土中胶凝材料用量，增加矿物掺合料的比例，以降低混凝土的水化放热量，延缓水化放热速率，降低混凝土裂缝产生的风险，保证混凝土结构达到设计使用年限100 a的要求[1-7]。

1 混凝土配合比设计

1.1 混凝土技术要求

暗埋段隧道混凝土强度等级为56 d C50（28 d C45），设计使用年限为100 a，结构安全等级为一级，抗渗等级P10，28 d氯离子扩散系数≤6.0×10-12m2/s，环境作用等级Ⅲ-D、Ⅲ-E，由于本工程混凝土浇筑方式为泵送，根据规范和施工要求，混凝土坍落度设计为200 mm±20 mm。

1.2 原材料

水泥：英德海螺P.Ⅱ42.5硅酸盐水泥和P.O42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰（FA）：镇江华源F类I级粉煤灰。

矿粉（SL）：唐山曹妃甸S95级矿粉。

细骨料：西江中砂，细度模数2.6。

粗骨料：德庆九市5～20 mm碎石（由5～10 mm占20%、10～20 mm占80%混合而成）和5～25 mm碎石（由5～10 mm占30%、10～25 mm占70%混合而成）。

减水剂：江苏苏博特缓凝型减水剂。

水：饮用水。

1.3 混凝土配合比设计

根据设计，暗埋段大体积混凝土配合比要求胶凝材料总量380～450 kg/m3，水胶比不宜大于0.36。C1～C5配合比的胶凝材料用量为400 kg/m3、418 g/m3、438 kg/m3，砂率42%，水胶比0.32～0.36，减水剂用量根据坍落度进行调整，通过调整胶凝材料用量和水胶比测试混凝土拌合物性能，以确定合适的胶凝材料用量和水胶比。在C2配合比的基础上，为获得最优的混凝土配合比，首先在满足设计要求的前提下，增大粗骨料粒级，研究骨料粒径对混凝土性能的影响，将混凝土矿物掺合料的比例从55%提高到60%和65%，研究矿物掺合料对混凝土性能的影响，再与普通硅酸盐水泥进行对比，研究不同水泥种类的差异。混凝土配合比参数见表1。

表1 混凝土配合比参数Table 1 Mix proportion parameter of concrete

1.4 试验方法

混凝土拌合物的工作性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》检测，抗压强度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》检测，抗水渗透性和氯离子扩散系数试验按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》检测。

2 结果与讨论

2.1 混凝土的工作性能

C1～C5配合比坍落度均在200～220 mm范围内，含气量2.1%～2.7%，表观密度2 410～2 430 kg/m3，但混凝土的和易性状态差别较大，见表2。C1混凝土坍落度达到220 mm，混凝土显得浆体过多且有一定的黏滞性，混凝土也不易铲动，也就是说在集料紧密堆积的条件下，438 kg/m3胶凝材料在保证混凝土流动性的前提下，还有一定富余，可以降低。对于C2～C4的3组混凝土，固定混凝土胶凝材料418 kg/m3、粉煤灰掺量30%、矿粉掺量25%不变，水胶比0.34的C2混凝土状态良好，水胶比为0.36的C4混凝土有泌水现象，水胶比0.32的C3混凝土表现为黏性增大、抓底现象，混凝土难以铲动。对于编号为C5的混凝土，胶凝材料用量为400 kg/m3，混凝土坍落度仍能达到200 mm，但混凝土表面出现漏石，整体上显得浆体过少。通过对混凝土拌合物性能的测试，确定混凝土配合比胶凝材料用量为418 kg/m3，水胶比为0.34，胶凝材料过多会增加混凝土成本，过少拌合物和易性不好，影响浇筑质量，合理的胶凝材料用量是经济性和施工性的和谐统一。

表2 混凝土拌合物性能Table 2 Properties of concrete mixture

2.2 粗骨料粒径的影响

C3和C6混凝土拌合物流动性能一致时，采用5～25 mm碎石的C6配合比减水剂掺量从1.15%降低到1.0%，减少0.15%，比表面积反映骨料粒径的粗细程度，颗粒粒径越小，比表面积就越大，达到相同流动度时需要裹覆其表面的浆体用量越多，在胶凝材料用量和流动度相同的情况下，粗骨料粒级从5～20 mm增大到5～25 mm，碎石的比表面积相对减小，裹覆在其表面的浆体量相对增多，为保证相同的流动度，在用水量相同的情况下，减水剂的用量降低。从两种粒级碎石配制的混凝土抗压强度对比结果来看，采用5～25 mm碎石C6混凝土各龄期抗压强度均有所增加，见表3。骨料的抗压强度高于水泥砂浆，较大的骨料粒径能阻碍混凝土裂缝的发展，相对较多浆体量对水泥和骨料间的界面过渡区有所改善，使混凝土的抗压强度有一定程度的提高[8-9]。

表3 不同碎石粒级混凝土抗压强度Table 3 Compressive strength of concrete with different gravel size

2.3 矿物掺合料的影响

矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响见图1。随着矿物掺合料的掺量增大，混凝土的各龄期强度呈降低趋势，矿物掺合料中SiO2和Al2O3等活性物质需与水泥水化产物Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙凝胶，反应速率低于水泥水化速率，表现为各龄期强度均有所降低[10]。在矿物掺合料总掺量相同时，混凝土的各龄期强度随粉煤灰掺量的提高而降低，矿粉中含有一定量硅酸钙，活性物质也比粉煤灰多，细度比粉煤灰更细，活性指数高，表现为早期水化反应较快，早期强度较高。矿物掺合料总掺量从55%提高到65%，每方混凝土的减水剂用量降低0.05%。从强度结果来看，矿物掺合料总掺量60%，粉煤灰、矿粉掺量分别为35%～40%和20%～25%的配合比比较合适。

图1 矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响Fig.1 Influence of mineral admixture on compressive strength of concrete

2.4 水泥的影响

图2 给出了使用P.O42.5水泥的混凝土抗压强度增长趋势，表明随着矿物掺合料总掺量的增加，水泥用量相应减少，混凝土各龄期强度呈逐渐降低趋势。图3为不同掺合料掺量下P.O42.5和P.Ⅱ42.5水泥混凝土抗压强度结果对比，C17掺加45%矿物掺合料的P.O42.5水泥混凝土的各龄期强度与C6掺加55%矿物掺合料的P.Ⅱ42.5水泥混凝土的强度接近，C18和C9、C19和C12的混凝土强度也接近，这是由于普通硅酸盐水泥中添加5%～20%的矿物掺合料，Ⅱ型硅酸盐水泥中矿物掺合料为0～5%，混凝土中掺合料的掺量基本一致，导致混凝土各龄期强度基本接近。从强度结果来看，如果采用P.O42.5水泥，矿物掺合料掺量为50%比较适宜。

图2 使用P.O42.5水泥时矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响Fig.2 Influence of mineral admixtures on compressive strength of concrete using P.O42.5 cement

图3 P.O42.5和P.Ⅱ42.5水泥混凝土抗压强度对比Fig.3 Comparison of compressive strength between P.O42.5 and P.Ⅱ42.5 cement concrete

2.5 水化热

选取有代表性的胶凝材料体系进行水化热试验，结果见图4和图5。对于P.O42.5水泥胶材体系（C17～C19），在胶凝材料总量一定的情况下，7 d水化热随矿物掺合料总掺量的增加而降低（图4），矿物掺合料火山灰效应滞后于水泥水化，水化放热较慢，掺加矿物掺合料可有效降低胶材体系的7 d水化热。对于P.Ⅱ42.5水泥胶材体系（C9～C11），在胶凝材料总量和矿物掺合料总掺量为60%的情况下，7 d水化热随矿粉掺量的增加而增大（图5），与抗压强度随矿粉掺量的提高而增加呈相同趋势，同为矿粉的活性更高，反应更快所致。综合考虑强度和水化热的结果，胶材体系40%P.Ⅱ+40%FA+20%SL的配合比C10更优，有利于现场裂缝的控制。

图4 矿物掺合料总掺量对P.O42.5水泥水化热的影响Fig.4 Influence of mineral admixtures on hydration heat of P.O42.5 cement

图5 矿粉掺量对P.Ⅱ42.5水泥水化热的影响Fig.5 Influence of slag powder content on hydration heat of P.Ⅱ42.5 cement

2.6 耐久性

混凝土28 d抗水渗透试验结果表明每个试验试件均不渗水，满足设计强度等级P10的要求，水胶比及矿物掺合料掺量对混凝土抗渗性能影响并不明显；28 d抗离子渗透性RCM均满足≤6.0×10-12m2/s，但60%矿物掺合料的混凝土RCM最大为5.8×10-12m2/s，已接近设计要求，从混凝土耐久性方面考虑，矿物掺合料掺量不宜超过60%。

3 结语

通过室内试验反复验证，深中通道暗埋段大体积混凝土配合比设计以耐久性为核心，混凝土各项性能均衡发展为导向，遵循耐久性与抗裂性并重为原则，采用适中水胶比、大掺量矿物掺合料、性能优良的聚羧酸外加剂进行配合比设计，在满足混凝土的工作性、强度和耐久性的前提下尽量降低胶凝材料用量，配制出低渗透性、低水化热的大体积混凝土配合比，并得出以下结论：

1）在满足泵送要求和保护层厚度的情况下，宜优先选择大粒径碎石，有利于增加混凝土的强度，降低减水剂用量，节约成本。

2）在胶材总量和矿物掺量一定的情况下，尽可能降低矿粉用量，有利于降低混凝土的早期强度和减少水化放热。

3）配制强度等级相同的混凝土，普通硅酸盐水泥比Ⅱ型硅酸盐水泥少用10%的矿物掺合料。

4）综合考虑强度、耐久性和水化热的结果，胶材体系40%P.Ⅱ+40%FA+20%SL的配合比C10更优，利于现场大体积混凝土裂缝的控制。