TBM管片混凝土配合比及蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝參數(shù)的確定

裴 有 立， 孟 懷 秀， 范 春 艷

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)院，四川 都江堰 611830)

1 工程概況

西藏林芝米林派鎮(zhèn)至墨脫解放大橋農(nóng)村公路一期工程I標(biāo)路線從景區(qū)大門(mén)外約100 m的雅江魚(yú)村飯店附近接現(xiàn)有崗(嘎)派(鎮(zhèn))旅游公路，沿現(xiàn)有大峽谷景區(qū)停車(chē)場(chǎng)外側(cè)平臺(tái)展線，派巴溝左岸而上，至派巴溝山體變陡、溝口變窄位置采用213 m橋梁跨過(guò)派巴溝至右岸，并在右岸緩坡平臺(tái)回頭展線，在現(xiàn)有派鎮(zhèn)水池附近與現(xiàn)有便道接線，沿便道上行，至派鎮(zhèn)松林口碎石土路3 078 m一級(jí)平臺(tái)位置，與現(xiàn)有派鎮(zhèn)松林口碎石土路相接，沿現(xiàn)有土路上行至松林口3 550 m附近高程，采用特長(zhǎng)隧道穿越多雄拉山，終點(diǎn)多雄拉隧道出口。本標(biāo)段路線起點(diǎn)樁號(hào)為K0+000.00，止點(diǎn)樁號(hào)為K13+615.00，路線總長(zhǎng)為13.615 km，其中特長(zhǎng)隧道4.4 km，小橋38 m。隧道均采用TBM掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，預(yù)制管片安裝的方式進(jìn)行支護(hù)。

在TBM掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)施工中，混凝土管片的生產(chǎn)是保證整體掘進(jìn)施工的決定性因素之一。為確?；炷凉芷a(chǎn)的質(zhì)量管控及生產(chǎn)效率，嚴(yán)格從原材料把關(guān)，同時(shí)還要求配合比設(shè)計(jì)，蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝試驗(yàn)，強(qiáng)度、耐久性試驗(yàn)等各環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，緊密配合。

2 混凝土原材料

(1)用于配制管片混凝土的水泥一般要求有早強(qiáng)性，與外加劑相容性好，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比較大，初凝時(shí)間較短。本次試驗(yàn)采用水泥華新水泥有限公司生產(chǎn)的華新P.O42.5水泥。

(2)用于配制管片混凝土的細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)在2.3～3.0，含泥量不大于3.0的中砂，且為非堿活性骨料。本次試驗(yàn)用細(xì)骨料為河口料場(chǎng)生產(chǎn)的人工中砂，滿足規(guī)范要求。

(3)用于配制管片混凝土的粗骨料采用粒徑為5～16 mm、16～31.5 mm，粒形較好，質(zhì)地堅(jiān)硬，針片狀含量較小，壓碎指標(biāo)較小的碎石，且為非堿活性骨料。本次試驗(yàn)用粗骨料為河口料場(chǎng)生產(chǎn)的碎石, 滿足規(guī)范要求。

(4)用于配制管片混凝土的外加劑宜采用具有引氣性、早強(qiáng)型的高性能減水劑，并和水泥具有良好的相容性。本次試驗(yàn)用外加劑為山西華凱生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑。

(5)用于配制管片混凝土的拌合用水為工地使用的生活生產(chǎn)用水(水質(zhì)分析滿足規(guī)范要求)。

3 管片混凝土配合比設(shè)計(jì)基本參數(shù)的選擇

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本標(biāo)段TBM管片應(yīng)符合下列要求：C35P10F150；

(2)管片混凝土配合比試配。根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ 55-2011要求，分別對(duì)0.45、0.40、0.35三個(gè)水灰比分別進(jìn)行了成型檢測(cè)，設(shè)計(jì)坍落度70～90 mm。試配方案見(jiàn)表1。

4 混凝土試配及蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝的確定

試拌配合比混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)兩種，試拌后混凝土靜養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；試拌后混凝土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。根據(jù)兩種試驗(yàn)結(jié)果選擇滿足要求的配合比參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)蒸養(yǎng)護(hù)的工藝參數(shù)(蒸養(yǎng)后，脫模強(qiáng)度不小于15 MPa)。

表1 管片混凝土配合比試配表

蒸養(yǎng)試驗(yàn)分為靜養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫四個(gè)階段，蒸養(yǎng)時(shí)間按每個(gè)模具行走每個(gè)工位所需時(shí)間而定，共24個(gè)工位。本次試驗(yàn)每個(gè)模具行走一個(gè)工位按15 min控制，總共需要花費(fèi)時(shí)間360 min。

(1)靜養(yǎng)段。根據(jù)預(yù)制管片流水線生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，預(yù)養(yǎng)護(hù)是通過(guò)靜養(yǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其作用是讓混凝土在常溫下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以達(dá)到管片生產(chǎn)的技術(shù)要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，靜養(yǎng)段分為室外靜養(yǎng)和室內(nèi)靜養(yǎng)，室外靜養(yǎng)有2個(gè)工位，室內(nèi)靜養(yǎng)有6個(gè)工位，按模具在每個(gè)工位行走靜養(yǎng)溫度按35 ℃ 控制(模擬施工現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)控制環(huán)境溫度)。

(2)升溫段。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，升溫段有3個(gè)工位，按規(guī)范要求，升溫速度不宜超過(guò)15 ℃/h，最高溫度分別按靜養(yǎng)段對(duì)應(yīng)升溫段的50 ℃、55 ℃、55 ℃進(jìn)行控制。

(3)恒溫段。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，升溫段有6個(gè)工位最高溫度分別按升溫段對(duì)應(yīng)恒溫段的60 ℃、65 ℃、70 ℃進(jìn)行控制。

(4)降溫段。降溫段分為室內(nèi)降溫和室外降溫兩段，根據(jù)規(guī)范要求，降溫速度不宜超過(guò)20 ℃/h，室內(nèi)降溫(3個(gè)工位)最低溫度分別按恒溫段對(duì)應(yīng)降溫段的50 ℃、55 ℃、55 ℃進(jìn)行控制，室外降溫(4個(gè)工位)最低溫度分別按室內(nèi)降溫對(duì)應(yīng)室外降溫35 ℃進(jìn)行控制。排列蒸汽養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)溫度、時(shí)間控制詳見(jiàn)表2。

表2 排列蒸養(yǎng)試驗(yàn)溫度、時(shí)間控制表

將三種溫度梯度及時(shí)間組合，分別進(jìn)行蒸養(yǎng)試驗(yàn)，得出相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。從中選出一個(gè)既能滿足生產(chǎn)線循環(huán)作業(yè)，又能保證管片質(zhì)量,且經(jīng)濟(jì)合理的最佳溫度梯度及時(shí)間組合。

三種組合混凝土物理性能及耐久性檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 三種組合各水膠比下混凝土物理性能及耐久性檢測(cè)結(jié)果

從三種組合的試驗(yàn)結(jié)果看，第一組合溫度梯度不能滿足蒸養(yǎng)后脫模強(qiáng)度不小于15 MPa的要求。第三組合溫度梯度蒸養(yǎng)后，脫模強(qiáng)度偏高。這不僅浪費(fèi)了資源，還影響了混凝土后期強(qiáng)度，且由于蒸養(yǎng)溫度過(guò)高，管片脫模后表面溫度達(dá)50多度，環(huán)境混度僅10度左右，如此大的溫差，管片表面容易產(chǎn)生溫度裂縫。第二組合蒸養(yǎng)強(qiáng)度滿足要求，且混凝土28 d強(qiáng)度發(fā)展良好。綜上所述，從質(zhì)量保證，還是經(jīng)濟(jì)合理兩方面考慮，取第二種組合。

5 管片混凝土配合比的確定

根據(jù)上述三種組合的試拌結(jié)果， 得出第二組合灰水比和抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖1所示。

根據(jù)上述三種組合的試拌結(jié)果通過(guò)計(jì)算，蒸養(yǎng)后28d抗壓強(qiáng)度與膠水比的回歸方程式為：

圖1 第二組合灰水比和抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

y=15.343x+4.699 4

相關(guān)系數(shù)r=0.993 6

標(biāo)養(yǎng)后28 d抗壓強(qiáng)度與膠水比的回歸方程式為：

y=14.715x+8.953 4

相關(guān)系數(shù)r=0.999 6

式中x膠水比；y混凝土28 d抗壓強(qiáng)度，MPa。

最后，綜合得出蒸汽養(yǎng)護(hù)C35P10F150混凝土的水灰比為0.40，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)C35P10F150混凝土的水灰比為0.43，綜合蒸汽養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)規(guī)范要求(蒸養(yǎng)工藝后，管片預(yù)制混凝土強(qiáng)度達(dá)到15 MPa)確定C35P10F150混凝土的水灰比為0.40。

最終C35P10F150混凝土配合比如表4所示。

6 存在的問(wèn)題及解決的辦法

6.1 減水劑的調(diào)整

管片廠開(kāi)始工藝性生產(chǎn)，根據(jù)試驗(yàn)室配合比，C35膠凝材料用量為363 kg/m3,減水劑摻量為膠凝材料的1.0%，每方用量為3.63 kg。在試驗(yàn)室試拌此配合比時(shí)和易性良好，不泌水。然在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，同樣的摻量，由于振搗方式等施工工藝與試驗(yàn)室的理想狀態(tài)有很大的差異。導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生拔地、泌水、混凝土表面產(chǎn)生很厚的浮漿等現(xiàn)象。為此，我們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中將減水劑摻量調(diào)整至膠凝材料的0.7%，每方用量為2.54 kg，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)拔地、泌水、浮漿等現(xiàn)象消除，混凝土和易性也明顯改善。

表4 C35P10F150混凝土配合比

6.2 氣泡問(wèn)題

在生產(chǎn)過(guò)程中，管片兩側(cè)上部很多氣泡，為此我們?cè)谂浜媳葍?yōu)化方面也做了很多工作，如試驗(yàn)室配合比砂率為35%，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)骨料情況將砂率調(diào)整為36%。但效果不明顯，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員進(jìn)行交流，是否是脫模劑的問(wèn)題前用的是油性脫模劑，它對(duì)混凝土產(chǎn)生的氣泡吸附在混凝土表面，我們建議改為水性脫模劑，效果非常顯著，混凝土表面光滑。

6.3 坍落度控制

試驗(yàn)室配合比設(shè)計(jì)時(shí)，坍落度控制在70～90 mm，然在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，振搗強(qiáng)度比試驗(yàn)室振搗強(qiáng)幾倍，如按70～90 mm控制，管片表面至少有50 mm的浮漿，翻砂情況嚴(yán)重，大大影響了混凝土質(zhì)量，影響抹面速度，不能滿足每個(gè)工位15 min的停留時(shí)間，影響生產(chǎn)效率根據(jù)這一情況，將坍落度調(diào)整為30～50 mm浮漿厚度10 mm,保證了混凝土質(zhì)量，解決了因浮漿太厚無(wú)法抹面使管片流水線無(wú)法正常循環(huán)的問(wèn)題，滿足施工要求。

6.4 裂縫產(chǎn)生的原因及控制措施

施工過(guò)程中出現(xiàn)了一些混凝土裂縫，分析混凝土裂縫的產(chǎn)生主要有以下兩種原因：第一，剛出模時(shí)管片表面溫度達(dá)四十多度，而管片廠(環(huán)境溫度)只有10度左右。如此懸殊的溫差管片表面容易產(chǎn)生細(xì)微的裂縫。為此，盡量增加管片廠的溫度，使之與管片表面溫度盡量接近，從而減小溫差。第二種產(chǎn)生裂縫的原因是，在管片的擺放過(guò)程中，三片為一組，中間由木方隔開(kāi)。如果木方擺放位置不在同一條線上，就會(huì)使得管片產(chǎn)生不均勻受力，出現(xiàn)裂縫。還有地基不牢造成管片傾斜，使得管片產(chǎn)生不均勻沉降產(chǎn)生裂縫。所以在管片擺放過(guò)程中，地基，木方必須嚴(yán)格要求執(zhí)行。

7 結(jié) 語(yǔ)

在TBM掘進(jìn)施工過(guò)程中，管片起到非常重要的，管片混凝土質(zhì)量顯得尤為重要。在西藏高海拔地區(qū)對(duì)于管片質(zhì)量控制，難度比一般地區(qū)大所以我們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷提高管片質(zhì)量。