地铁车站结构受力复杂, 且多以超长大面积混凝土板结构组成, 这些结构的厚度尺寸远小于其他方向, 并在各方向受到约束, 易在混凝土的内部及边界表面产生较大拉应力, 当拉应力超过混凝土的抗拉强度允许值时, 混凝土的局部因拉应力集中而产生各类型有害裂缝^[1,2,3]。

地铁车站由于长期与地下土壤、地下水和腐蚀介质接触, 如混凝土产生裂缝, 抵抗腐蚀介质侵蚀能力不足, 将严重影响其耐久性, 威胁到地铁车站的结构安全, 缩短混凝土结构的使用寿命^[4,5]。此外, 主体结构开裂而造成的裂缝修补以及后期车站运营的维修保养费用是施工成本和运营成本中很重要的一项, 因此地铁混凝土防裂抗渗性能的优劣直接影响总体工程质量, 成为评价地铁工程质量的一个重要指标, 如何防治地铁混凝土开裂渗漏具有十分重要的理论研究和工程应用价值^[6]。

厦门地铁2号线新阳大道站主体结构为地下2层岛式站台车站, 为单柱2跨框架结构, 混凝土设计强度等级为C35防水混凝土, 抗渗等级为P8, 56d Cl^-扩散系数DRCM≤4×10^-12m²/s;设计坍落度为 (180±20) mm, 混凝土碱含量≤3.0kg/m³, 混凝土氯离子含量不大于胶凝材料的0.06%, 采用泵送方式施工。本文结合工程的实际情况, 从原材料控制、配合比设计着手, 对地铁车站C35混凝土进行研究, 以提高混凝土的抗渗防裂能力及耐久性。

根据厦门周边地区原材料情况, 以及现有的一些国家、行业标准, 如GB50164—2011《混凝土质量控制标准》、GB50108—2008《地下工程防水技术规范》等、各原材料标准以及参考现有的其他城市地铁材料要求, 如北京地铁、上海地铁、广州地铁等, 提出厦门地铁防渗减缩抗裂高性能混凝土制备原材料的指标要求, 其中原材料的一些关键指标如表1所示。

依据表1所示原材料控制指标要求, 调研和选择了本项目的原材料。

水泥:采用美益集团股份有限公司生产的美益牌 (P·O42.5) 普通硅酸盐水泥, 水泥性能指标如表2所示。

粉煤灰:采用漳州后石电厂生产的F类Ⅰ级粉煤灰, 其各项性能指标如表3所示。

矿粉:采用三钢集团S95级矿粉, 其性能指标如表4所示。

砂:细度模数为2.6、级配范围为II区的河砂, 含泥量为0.8%, 堆积密度为1 420kg/m³, 表观密度为 2 620kg/m³。

石子:本试验粗骨料采用5～9.5, 9.5～16, 16～25mm的三级反击破石子掺配。

外加剂:采用厦门宏发先科新型建材有限公司生产的聚羧酸缓凝高效减水剂, 其减水率为27%, 含气量为3.0%, 收缩率比为96%, 28d抗压强度比为137%。

粗骨料的堆积密度和孔隙率测试参照JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》, 混凝土力学性能测试按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》, 混凝土的干燥收缩试验、抗氯离子渗透性能、抗渗性能按照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。

在本研究中, 进行抗渗防裂混凝土配合比优化设计, 主要分为4步:①设计初步配合比;②在进行初步配合比设计的基础上, 采用DOE混料设计进行粗骨料设计, 建立粗骨料的最大堆积密度和最小孔隙率体系堆积模型, 确定最优化骨料体系;③采用最优化胶凝材料体系与骨料体系, 建立浆体在骨料中的填充与包裹模型, 基于经济成本与工作性指标, 得出满足施工要求时混凝土所需的最少胶凝材料用量;④采用DOE混料设计胶凝材料体系, 建立胶凝材料体系堆积模型, 通过研究不同胶凝材料与混凝土各性能之间的关系, 确定最优化胶凝材料体系。

依据该工程的设计要求, 以设计强度、坍落度、抗渗等级为设计主线, 以混凝土中氯离子含量、总碱量为控制要素, 对混凝土配合比进行初步设计, 确定混凝土的水胶比为0.42。

采用DOE设计若干组粗骨料体系, 对设计的骨料体系测量堆积密度与比表面积建立堆积模型, 采用测量与模型计算的方法研究最大堆积密度与最小比表面积, 基于堆积密度模型与实际测量确定最优化骨料体系。基于最紧密原理设计出10组粗骨料级配, 并测试每组粗骨料的紧密堆积密度和相应孔隙率, 结果如表5所示。

利用Minitab软件进行DOE设计, 建立大、中、小石子级配紧密堆积密度和孔隙率的等值曲线, 如图1所示 (细线为紧密堆积密度等值曲线, 粗线为孔隙率等值曲线) 。

在不同石子级配紧密堆积密度和孔隙率等值曲线图中, 选取5个同时具有较大紧密堆积密度和孔隙率的点, 得出相应的大、中、小石子级配, 所选取的5个点如图1所示, 相应的石子比例及测试结果如表6所示。

根据混凝土最大密实度和最紧密堆积原理, 在确认粗骨料比率下, 用细骨料填充粗骨料, 获得最大密度下相应的细骨料用量, 确定不同石子比例下的砂率, 通过试验测试, 在5组石子比例下, 获得最大密度时的砂率为39%～40%。为获得较少的混凝土收缩, 在以下试验中所使用的砂率为39%。

基于流变性原理, 在确定的粗骨料比例、砂率和水胶比情况下, 研究不同的浆体量下, 建立浆体在骨料中的填充与包裹模型, 基于经济成本与工作性指标, 得出满足施工要求时混凝土所需的最少胶凝材料用量。试验研究了水胶比为0.42, 砂率为39%, 所选石子比例分别为1∶1∶1, 3∶5∶2, 3.5∶5∶1.5, 4∶4∶2以及5∶3∶2, 胶凝材料为350, 360, 370, 380kg/m³时, 测试混凝土坍落度, 并采用DOE设计分析, 建立石子比例与坍落度的等值曲线如图2所示, 结合图中石子比例与坍落度的等值曲线和图3所示石子比例与孔隙率的等值线图, 可以发现石子孔隙率最小区域与坍落度最大区域所对应的石子比例范围一致, 说明在混凝土浆体量满足的情况下, 采用三级配石子在达到最密实体系时, 此时可有最佳工作性。在本研究中, 混凝土坍落度最大区域相对应粗骨料的最大堆积密度孔隙率范围为 36%～37%。根据表3所示5组石子比例, 石子比例为1∶1∶1时, 其孔隙率为36.4%, 正好处于坍落度最大区域对应的孔隙率范围。

由图4可知, 总体上浆体量越大, 混凝土的流动性越大。但对于防裂混凝土, 过大浆体量会造成混凝土自收缩和塑性收缩增大, 对混凝土减缩抗裂性能不利, 且高胶凝材料增加了混凝土成本。根据图4, 可优化出坍落度位于160～200mm范围所需的最小胶凝材料, 结果表明胶凝材料≥370kg/m³时, 可满足混凝土所需的坍落度。

基于配合比参数的优化设计, 得出水胶比为0.42, 胶凝材料为370 kg/m³, 大石∶中石∶小石为1∶1∶1, 砂率为39%时, 混凝土具有小的孔隙率和大的密实度, 并满足混凝土施工所需的工作性。为获得良好的抗裂防渗性能和耐久性, 本研究采用粉煤灰和矿渣粉复掺取代水泥, 并基于DOE混料设计, 设计了不同粉煤灰和矿渣粉掺量下的9组配合比, 如表7所示, 并测试了混凝土7d, 28d和60d的抗压强度, 28d和60d的劈裂抗拉强度, 1d, 3d, 7d, 14d和28d的干燥收缩, 56d的抗渗性能, 56d和84d的电通量与抗氯离子渗透系数。利用Minitab软件对DOE设计及试验结果进行分析, 建立不同水泥-粉煤灰-矿渣粉比例时对各力学和耐久性影响的等值分析图。

抗压强度测试等值线如图5所示, 由图可知:总体上, 混凝土随着水泥比例的提高而增大。较高的矿物掺和料对混凝土28d强度影响较大, 尤其是粉煤灰掺量。随着粉煤灰掺量的增加, 混凝土28d强度有较明显降低。28d时, 由于胶凝材料中掺入大量矿物掺和料, 部分试样的混凝土强度无法满足要求, 但60d时所有编号均满足C35的强度要求。

水泥-粉煤灰-矿渣粉比例对抗氯离子渗透性能影响的等值线如图6所示。矿渣粉和粉煤灰掺量对电通量和氯离子扩散系数的影响趋势基本相同。随着矿物掺和料掺量以及矿渣粉比例的增加, 混凝土抗氯离子渗透性能显著提高, 当矿物掺和料掺量>40%时, 掺量的继续增加对氯离子抗渗性能影响不大。同样, 当矿渣粉掺量>20%时, 矿渣粉掺量增加对氯离子抗渗性能提高的效果趋于平缓。

水泥、粉煤灰、矿渣粉比例对混凝土干燥收缩影响的等值线如图7所示。粉煤灰对混凝土早期干燥收缩的改善效果明显, 随着粉煤灰掺量的增加, 混凝土干燥收缩显著减小。但过高粉煤灰掺量对混凝土的早期强度和抗氯离子渗透性能不利。混凝土干燥收缩随着矿渣粉掺量的增加而增大, 尤其当矿渣粉掺量>20%时, 其干燥收缩随着掺量增加快速增大。

不同水泥、粉煤灰、矿渣粉比例干燥收缩与强度及渗透深度的等值交集如图8所示。抗渗防裂混凝土除了需要具有良好的抗渗性能、较小收缩外 (混凝土收缩越小产生的拉应力越小) , 还需具有较高的抗拉强度, 提高混凝土自身抗裂性能。由水泥、粉煤灰、矿渣粉比例干燥收缩与强度及渗透深度的等值交集图可得出, 当粉煤灰掺量>20%、矿渣粉掺量<18%时, 混凝土同时具有较高的劈裂抗拉强度和较小的干燥收缩率。

综合以上研究结果, 根据混凝土劈裂强度、收缩、抗氯离子渗透性能和抗渗性能的综合考虑, 选定混凝土中胶凝材料各组分的掺量分别为:粉煤灰20%～40%, 矿粉0～18%, 水泥55%～65%;基于福建省地方标准, 辅助胶凝材料掺量≤40%, 选取粉煤灰22%～40%, 矿粉0～18%, 水泥60%。

通过对抗渗防裂混凝土配合比优化设计和性能研究的结果, 以及结合王铁梦的技术指导思想, 在实际工程中混凝土胶材选用370kg/m³, 粉煤灰掺量30%, 矿粉掺量10%, 砂率39%, 水胶比0.42, 并结合实际骨料情况, 大、中、小石子比例在最密实范围内 (孔隙率为36%～37%) 选择。工程应用中混凝土的各项性能指标如表8所示, 应用情况表明混凝土各性能指标均满足要求。

综上所述, 厦门市轨道交通2号线工程车站防渗抗裂混凝土在配合比设计及性能研究中, 采用最紧密堆积原理优化骨料比例体系, 确定所需的最佳砂率和最小胶凝材料用量, 以及借助DOE混料设计, 优化水泥、粉煤灰、矿渣粉胶凝材料之间的比例, 进而提高防渗抗裂混凝土的密实性、抗渗性能、抗裂性能和抗氯离子渗透性能等, 并通过严格控制原材料性能指标, 可设计和生产出符合各项性能指标要求的高性能防渗抗裂混凝土。