預(yù)制混凝土管片表面氣泡影響因素研究

李方利，施小民，張培育

(1.中鐵十三局集團(tuán)有限公司，天津 300308;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

預(yù)制混凝土襯砌管片是盾構(gòu)法中的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，管片的整體性能對(duì)工程質(zhì)量影響極大，因此，必須嚴(yán)格控制管片生產(chǎn)質(zhì)量[1]。防水性能是管片的一個(gè)主要功能，好的防水性能建立在良好抗?jié)B性能的基礎(chǔ)上。但是管片在生產(chǎn)中表面易出現(xiàn)較多氣泡，不僅影響工程的美觀，而且易形成滲漏通道，影響管片的強(qiáng)度與耐久性能。如何消除混凝土表面氣泡是技術(shù)人員常遇到的問(wèn)題。引起混凝土結(jié)構(gòu)表面氣泡的原因較多。本文針對(duì)神華新街TBM斜井工程預(yù)制混凝土襯砌管片表面存在不同程度氣泡的問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)研究分析氣泡的成因，提出解決預(yù)制混凝土管片表面氣泡的有效措施。

1 工程概況

本工程為新街臺(tái)格廟礦區(qū)一號(hào)礦井的主井，采用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，管片結(jié)構(gòu)外徑7.3 m，內(nèi)徑6.6 m，管片厚度0.35～0.87 m，寬度1.5 m，個(gè)別管片的混凝土為大體積混凝土。管片表面要求密實(shí)、光潔、平整，邊棱角完整無(wú)缺損，麻面面積不得大于管片面積的5%?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C40，抗?jié)B等級(jí)P12。

2 試驗(yàn)原材料與方法

2.1 原材料

水泥備選了冀東、蒙西、天浩3個(gè)廠家P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其主要物理力學(xué)性能如表1所示。粉煤灰采用達(dá)拉特電廠(華宇)粉煤灰。細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.42的中砂，含泥量為3%。粗骨料為5.0～31.5 mm連續(xù)級(jí)配碎石。水為普通自來(lái)水。減水劑為包頭鋼鹿建材公司聚羧酸減水劑，減水率35%。脫模劑為四川某公司生產(chǎn)的脫模劑T-1，青島某公司生產(chǎn)的脫模劑T-2，上海某公司生產(chǎn)的脫模劑T-3，液壓油T-4。

表1 水泥主要物理力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)方法

混凝土基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表2。選用表面光滑，尺寸150 mm×150 mm×150 mm的鋼試模，模擬混凝土管片預(yù)制過(guò)程。在其他條件不變的情況下，分別逐一改變單一影響因素，研究不同因素對(duì)混凝土表面氣泡的影響?；炷翑嚢?、成型等按照《普通混凝土拌合物力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50080—2002)執(zhí)行，對(duì)成型后試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測(cè)其3 d和28 d強(qiáng)度。

表2 基準(zhǔn)混凝土配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水泥品種對(duì)混凝土表面氣泡的影響

3種水泥配制的混凝土物理力學(xué)性能見(jiàn)表3。3種水泥對(duì)混凝土表面氣泡的影響見(jiàn)圖1。

表3 不同品種水泥混凝土抗壓強(qiáng)度

圖1 3種水泥對(duì)混凝土表面氣泡的影響

由表3看出，3種水泥配制的混凝土3 d強(qiáng)度接近、28 d的強(qiáng)度接近，均能滿足工程要求。從圖1可以看出，3種水泥對(duì)混凝土表面氣泡的影響不大，但蒙西水泥效果相對(duì)最好，所以該工程優(yōu)選蒙西水泥，試驗(yàn)也采用蒙西水泥。

3.2 砂率對(duì)混凝土表面氣泡的影響

根據(jù)工程特點(diǎn)、要求以及混凝土配合比設(shè)計(jì)原則，砂率分別按30%，33%，35%，37%共設(shè)計(jì)了A，B，C，D 4組混凝土，分析不同砂率對(duì)混凝土表面氣泡的影響。不同砂率混凝土的配合比及抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表4，砂率對(duì)混凝土表面的影響見(jiàn)圖2。

表4 不同砂率的混凝土強(qiáng)度

圖2 不同砂率對(duì)混凝土表面氣泡的影響

由表4可以看出，砂率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響不大。但從圖2可以看出，不同砂率對(duì)混凝土試塊外觀質(zhì)量的影響不同。在表面氣泡的數(shù)量和孔徑大小上看，砂率為33%時(shí)混凝土表觀質(zhì)量最優(yōu)。可見(jiàn)，砂率是影響混凝土表面氣泡的一個(gè)重要因素。在水泥用量和水灰比一定的條件下，一方面，由于砂子與水泥漿組成的砂漿在粗骨料間起到潤(rùn)滑和滾珠軸承作用，可以減小粗骨料間的摩擦力，有利于氣泡的逸出。在合理砂率范圍內(nèi)，隨砂率的減少，混凝土黏聚性、流動(dòng)性增大，對(duì)混凝土表面氣泡起到改善作用。另一方面，由于砂子的比表面積比粗骨料大，隨著砂率的增加，粗細(xì)骨料的總表面積增大，在水泥漿用量一定的條件下，骨料表面包裹的漿量減薄，潤(rùn)滑作用下降，使混凝土流動(dòng)性降低，阻礙氣泡的逸出。所以砂率既不能大，也不能小，從本次試驗(yàn)來(lái)看，砂率取33%效果較好。

3.3 不同水膠比對(duì)混凝土表面氣泡的影響

選用蒙西水泥，涂脫模劑T-1，按表5配合比進(jìn)行試驗(yàn)。調(diào)整混凝土水膠比，研究水膠比對(duì)混凝土表面氣泡的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。不同水膠比混凝土的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表5。

圖3 不同水膠比對(duì)混凝土表面氣泡的影響

表5 不同水膠比混凝土的抗壓強(qiáng)度

從圖3可以看出，隨水膠比增大，混凝土表觀質(zhì)量變差;隨水膠比的減小，試塊表面氣泡減少，對(duì)混凝土外觀質(zhì)量改善作用較明顯。由表5可知，隨水膠比的減小，強(qiáng)度增大。但過(guò)小的水膠比可能會(huì)影響混凝土的工作性能，增大混凝土的收縮，經(jīng)濟(jì)方面也不合適。由此可見(jiàn)，水膠比是影響混凝土表面氣泡的一個(gè)重要因素。水膠比對(duì)混凝土平均氣泡直徑及比表面積、氣泡的孔徑分布等特征會(huì)產(chǎn)生顯著的影響[2-5]。其主要原因是隨著用水量的降低，膠材用量相對(duì)增加，膠凝材料水化所消耗的用水量增加，使混凝土中自由水降低，從而有利于減少表面氣泡的生成。

3.4 脫模劑對(duì)混凝土表面氣泡的影響

選用蒙西水泥，按表2基準(zhǔn)混凝土配合比進(jìn)行試驗(yàn)，分別涂刷脫模劑T-1，T-2，T-3和液壓油T-4，分析脫模劑對(duì)混凝土表面氣泡的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 3種脫模劑和液壓油對(duì)混凝土表面氣泡的影響

由圖4可以看出，脫模劑性能對(duì)混凝土表面氣泡影響較大。使用T-1，T-2，T-3時(shí)，對(duì)混凝土表觀質(zhì)量的改善效果明顯。其中使用T-1時(shí)，混凝土表面氣泡直徑最小，氣泡最少，外觀質(zhì)量最好。使用液壓油T-4時(shí)，試塊表面氣泡孔徑較大，且分布較密集，外觀質(zhì)量很差?？傮w來(lái)看，使用脫模劑T-1能有效解決混凝土表面氣泡的問(wèn)題。

涂刷T-1脫模劑能有效解決表面氣泡問(wèn)題的主要原因:①脫模劑是一種水性聚合物，能夠均勻地涂刷在模板表面，降低混凝土與模板之間的界面結(jié)合力，使氣泡容易逸出破滅，減少混凝土表面氣泡數(shù)量;②T-1脫模劑中含有一定的消泡成分，有利于氣泡的破滅或向內(nèi)部移動(dòng)，減小混凝土表面氣泡直徑，并降低氣泡數(shù)量;③T-1脫模劑中含有一定的緩凝組分，可延長(zhǎng)混凝土表面漿體的凝結(jié)時(shí)間，漿體的自身重力作用使生成的氣泡破滅或向內(nèi)部移動(dòng)，減少混凝土表面氣泡的數(shù)量。④脫模劑附著于成型物和模具之間直接起到隔離作用(圖5)，脫模時(shí)能在B面剝離，使得脫模效果最優(yōu)[6-7]，有利于改善混凝土表觀質(zhì)量。

圖5 脫模示意

采用表2基準(zhǔn)配合比，將T-1脫模劑用于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制混凝土管片構(gòu)件，經(jīng)養(yǎng)護(hù)，拆模后觀察制品表面狀況，表面光滑，有少許微小氣泡，表觀質(zhì)量良好，詳見(jiàn)圖6。

圖6 預(yù)制混凝土管片成品

4 結(jié)論

1)水泥品種對(duì)混凝土表面氣泡影響不大。

2)砂率對(duì)混凝土表面氣泡有一定的影響。在合理砂率范圍內(nèi)，隨著砂率的減小，混凝土的表觀質(zhì)量得到改善。

3)降低水膠比能有效解決混凝土表面氣泡問(wèn)題。但過(guò)小的水膠比可能會(huì)影響混凝土的工作性能，增大混凝土的收縮，經(jīng)濟(jì)性也不佳。

4)脫模劑對(duì)混凝土表面氣泡的改善效果明顯。不同脫模劑效果不同，均明顯優(yōu)于液壓油。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ/T 164—2011 盾構(gòu)隧道管片質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建設(shè)工業(yè)出版社，2008.

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