摘要：混凝土配合比的设计方法除了行标设计规程给定的方法外，还常采用以骨料紧密堆积理论为基础的设计方法。通过试验，以地铁盾构施工管片混凝土试件抗压强度为指标，评价这两种设计方法的优劣及在工程中的适用性。试验结果表明，在进行混凝土配合比设计时，先通过设计规程给定方法得出初步配合比，再通过骨料紧密堆积理论设计方法进行调整，可以得到强度更稳定的混凝土配合比。
关键词：盾构管片；混凝土配合比；优化设计；应用
引言
混凝土管片作为地铁盾构施工的主要承重构件，对强度和耐久性有着严格要求，其工作性能的好坏直接影响隧道的质量及寿命。混凝土的强度和耐久性主要取决于各组成材料间的配比关系。规范法以设计强度作为控制指标，先通过鲍罗米强度公式计算出混凝土的水胶比，进而确定出水与胶凝材料的用量，最终得出砂石骨料的用量。
1管片混凝土原材料的优选
1.1实验原料
水泥：P.O42.5。试验编号：D2017-014；
砂子：水洗中砂，试验编号：D2017-017，砂为天然水洗砂，细度模数2.7，含泥量0.5%，泥块含量0.4%，砂含水2.0%；
石子：5～25mm碎石，试验编号：D2017-019，含泥量0.3%，泥块含量0.3%，压碎指标值9%，针片状含量1.8%；
外加剂：高效减水剂，试验编号：D2017-015；水为饮用水；
掺和料为粉煤灰，一级，试验编号：D2017-018。
1.2配合比初步计算
（1）水灰比
计算水灰比：
Fcu，0≥fcu，k+1.645ó
式中，fcu，0表示混凝土配制强度（MPa）；Fcu，k表示混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）；ó表示混凝土强度标准差（MPa），此配合比取6.0MPa。所以：
fcu，0=50+1.645×6.0=59.9（MPa）
水灰比：W/C=（αa×fce）/（fcu，0+αa×αb×fce）
式中αa、αb表示回归系数，此配合比取αa=0.46，αb=0.07；fce表示水泥28d抗压强度实测值（MPa），此配合比取44.0MPa。
所以W/C=（0.46×44.0）/（59.9+0.46×0.07×44.0）=0.33
根据工程要求W/C取0.34、0.33、0.32。
（2）用水量
用水量取143kg/m3。
（3）水泥用量
a：W/C=0.34，总胶结料为420kg/m3，水泥为360kg/m3，矿粉为60kg/m3；
b：W/C=0.33，总胶结料为433kg/m3，水泥为365kg/m3，矿粉为68kg/m3；
c：W/C=0.32，总胶结料为447kg/m3，水泥为370kg/m3，矿粉为77kg/m3；
（4）砂率βs的选择
a：W/C=0.34，βs=37%；
b：W/C=0.33，βs=36%；
c：W/C=0.32，βs=35%。
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2混凝土施工要求
2.1混凝土搅拌
混凝土搅拌站必须按照规程要求，由法定计量单位每年校验电子计量系统的精度。每季度或混凝土出现异常时，应由生产可组织相关人员对计量系统进行自检，每次开盘前应对零；当混凝土浇筑前，由专职质检员填写《混凝土质量检查表》，确认合格后，方可开始混凝土浇筑；当混凝土搅拌好后，由专职质检员对混凝土进行取样，只有被确定混凝土坍落度在允许范围内才可进行混凝土的浇筑。
2.2混凝土浇筑
搅拌好的混凝土倒入料斗内，用天车将混凝土斗吊至模具上方，布料时要保证混凝土均匀下落，要防止因速度过快形成混凝土堆积；待第一层混凝土布满模具上部后，开动模具上自带的附着式风动振动器振捣。第一层振捣后，改为弱振，并检查模板紧固状态，然后再浇筑第二层混凝土。严禁混凝土还未倒入模具就开动风动振动器。振捣过程中应及时铲除表面的浮浆，并补充混凝土，保证整个管片各层混凝土密实度的一致；全部振捣成型后，应铲平中间浮浆，然后视气温及混凝土凝结情况，初凝后开启压盖，用压杠搓平。
2.3混凝土抹面
光面分粗、中、细三个工序：
粗光面：使用刮杠，刮平去掉多于混凝土，并进行粗抹。中光面：待混凝土收水后用木抹进行压面，使管片平整。精光面：使用铁抹精工抹平，力求表面平整无压痕；每道抹面后要视混凝土凝结情况进行相应时间的静停，再进行下次抹面。
2.4蒸汽养护
混凝土压面后，在管片的外弧面盖上塑料布。用螺栓或垫木顶起模板上盖，模盖不能接触塑料布；蒸汽养护时养护温度的控制：混凝土压面后，混凝土表面用手按压有轻微的压痕时，将用于蒸汽的帆布套套在模具上，下部同地面接触的地方用木方压实，在帆布套上预留的小孔中插入温度计，上述措施检查无误后开始通蒸汽，因布置于模具底部的蒸汽管路布满小孔，蒸养时蒸汽会从每个小孔中均匀地喷出来，使整个模具均匀地升高温度，而不会出现一端温度高，一端温度低的现象。
3试验分析
3.1试验结果分析
对比两组试验结果，当石子级配良好时，两者计算结果并无明显的差异（G1和D1）。在石子级配较差的情况下，通过紧密堆积法计算所得的配合比，混凝土28d抗压强度高于规范法所得的混凝土配合比，且数据较为收敛。其原因为规范法在进行配合比设计时，更多地强调了混凝土配制强度与水胶比之间的关系，在骨料级配合格的前提下，难以顾及骨料粒径大小变动对于强度的影响；紧密堆积法在配合比的设计过程中，注重了骨料级配对拌合物和易性的影响，并始终以保证骨料的紧密堆积为前提，使得骨料大小颗粒之间的填充更为密实。
3.2两种方法对于配合比的设计与调整的评价
规范给定的方法简便易行，通过鲍罗米公式建立了混凝土强度与水胶比、水泥强度的关系，考虑了水泥强度等级对混凝土配合比的影响，在初步设计阶段，可快速地确定混凝土各原材料的用量，但水胶比小于0.40时，砂率的选取无明确的依据。对于C50的管片混凝土，生产过程中，其水胶比要远小于0.40，且入场材料批次的不同，导致砂、石原材料的级配波动较大，确定砂率更主要依靠经验选取。在对混凝土进行试拌调整时，依然强调了强度与水胶比的关系，对于混凝土各个组分用量的调整，并未给出具体可行的方法。紧密堆积法充分考虑了骨料级配对混凝土拌合物的影响，通过观察粗、细骨料与混凝土坍落度之间的关系确定骨料的用量，保证了混凝土的和易性。但其设计过程当中，没有明确配合比与配制强度之间的关系，且对于砂子的用量及水胶比，都需要提前假定，需要一定的设计经验。所以，该方法更适合作为一种混凝土配合比的调整方法，当作为单独的混凝土配合比设计方法时有其一定的缺陷。在石子级配良好的前提下，规范法因其简便的设计过程，比紧密堆积法更具实用性，而当石子级配较差时，由于规范所推荐的方法难以照顾到砂、石原材料的级配，两种方法的结合使用可以获得更佳的配合比设计。即通过规范法计算混凝土各个组分的用量，将其中的砂浆浆体作为假定用量，首先调整石子的堆积体积占比，再通过砂子用量的调整，使混凝土拌合物流动性控制在目标坍落度范围内，最后进行水胶比的调整，确定胶凝材料各个组分的用量，得到混凝土的设计配合比。
结语
在实验室进行混凝土的配合比调整时，采用紧密堆积法，比依靠砂率调整粗、细骨料的用量更为精确。紧密堆积法由于在设计阶段需要预先假定细骨料的用量及水胶比，且无法明确配合比与强度的关系，更适合作为混凝土配合比的调整方法。当石子级配较差时，建议混凝土在配合比设计的过程当中，对于初步的设计阶段采用规范所推荐的设计方法，而在试配阶段采用紧密堆积紧密堆积法进行调整，将两种设计方法结合使用。
参考文献：
[1]张姣龙，马一祎，陆梦婕，等.基于紧密堆积理论的混凝土配合比设计方法研究[J].混凝土与水泥制品，2017（6）：15-17，21.
论文作者:齐玉静
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/18
标签：混凝土论文; 骨料论文; 管片论文; 用量论文; 方法论文; 强度论文; 紧密论文; 《基层建设》2018年第36期论文;