大直徑盾構(gòu)管片清水混凝土制備及施工關(guān)鍵技術(shù)研究

徐海源 周脈席 姜騫 于誠

(江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司)

盾構(gòu)法是修建過江隧道常見方法，具有安全、快速、對環(huán)境影響小等優(yōu)勢。預(yù)制管片是盾構(gòu)隧道施工的主要裝配構(gòu)件，是隧道最內(nèi)層屏障，承擔(dān)著抵抗土層壓力、地下水壓力等荷載的作用[1-2]。隨著公路交通運輸能力的提升，盾構(gòu)隧道的開挖直徑越來越大，與之匹配的混凝土管片尺寸也逐漸增大。在大直徑混凝土管片生產(chǎn)過程中，表觀質(zhì)量是管片質(zhì)量控制的重要方面[3-5]，主要涉及裂紋、氣泡、色差等問題，對盾構(gòu)隧道耐久性能、防水性能影響較大，是大直徑混凝土管片生產(chǎn)的一大難點[6-8]。

江陰靖江長江隧道北接靖江，南連江陰，采用水下盾構(gòu)形式穿越長江，是內(nèi)地在建最大直徑的盾構(gòu)隧道、國內(nèi)水壓最高的水下隧道、全國長度排名第二的長江隧道，工程建設(shè)質(zhì)量要求高。項目管片外徑15.5m、內(nèi)徑14.2m、厚度0.65m、環(huán)寬2m，楔形量52mm，錯縫拼裝，管片沿環(huán)向分10 個，即7 塊標(biāo)準(zhǔn)塊，2 個鄰接塊，1 個封頂塊，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100年。

本文針對大直徑混凝土管片技術(shù)要求，從外加劑、配合比方面開展了管片清水混凝土配制技術(shù)研究，并在原材料、澆筑及養(yǎng)護(hù)等方面優(yōu)化施工工藝，提出管片清水混凝土質(zhì)量控制技術(shù)，可為大直徑盾構(gòu)混凝土管片的質(zhì)量控制提供參考。

1 管片清水混凝土的配制

1.1原材料

⑴膠凝材料：采用安徽P·Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥，其性能均滿足GB175-2007 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求；皖能馬鞍山發(fā)電有限公司F 類Ⅰ級粉煤灰，密度2.4g/cm3，流動度比為100%；安徽富鑫S95級礦渣粉，比表面積456m2/kg，流動度比為100%。

⑵骨料：細(xì)骨料，粒徑分布為0～2.36mm 河砂，細(xì)度模數(shù)2.15；粗骨料，粒徑分布為5～25mm碎石，表觀密度2.65g/cm3，針片狀含量為1.0%。

⑶減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司聚羧酸高性能減水劑，A 為一種聚醚型聚羧酸減水劑，B 為一種聚脂類減水劑，固含量均為20%。

⑷纖維：蘇博特潤強(qiáng)絲?-Ⅰ聚丙烯纖維，長度19mm。

1.2試驗方案與方法

管片C60 混凝土配合比如表1 所示，采用調(diào)整減水劑品種、調(diào)整單位用水量的方法對管片清水混凝土最優(yōu)配合比進(jìn)行了優(yōu)選?；炷凉ぷ餍阅軠y試按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能方法試驗標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，混凝土攪拌、成型、力學(xué)性能測試按照GB/T 50081-2002《普通混凝土拌合物力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。

表1 混凝土配合比(kg/m3)

目前定量表征混凝土表觀質(zhì)量還較少。本試驗提出的定量表征方法如下：在相同光照條件下，采用相同相機(jī)相同拍攝參數(shù)對混凝土表面進(jìn)行拍照，將采集的圖像數(shù)據(jù)通過Image-pro 軟件進(jìn)行灰度處理，并統(tǒng)計混凝土表面氣泡數(shù)量和尺寸，取氣泡占分析面積比值作為混凝土外觀質(zhì)量的主要評價指標(biāo)，并根據(jù)圖片的灰度分布計算灰度均值，評價混凝土管片的色澤特征。

1.3配合比優(yōu)選與性能分析

不同配合比混凝土工作性能與力學(xué)性能如表2 所示，其相應(yīng)的表觀質(zhì)量如圖1 所示?？梢钥闯?，同一種外加劑，降低單位用水量、提高減水劑，使坍落度保持一致時，混凝土含氣量略有降低，力學(xué)性能有所提升，混凝土氣泡占分析面積面積比例有所降低，有助于提升混凝土表觀質(zhì)量，這可能是減少單位用水量后，水化后混凝土中自由水含量降低，使得這部分引起的氣泡數(shù)量也相應(yīng)減少。對不同種外加劑，相同配比條件下，外加劑B的消泡效果更強(qiáng)，使得新拌漿體的含氣量更低，構(gòu)件表面氣泡數(shù)量更少。綜合考慮，采用配合比5 作為生產(chǎn)配合比最為合適，測試其溫升情況如圖2 所示，蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后內(nèi)外溫差低于25℃，開裂風(fēng)險較低。

圖1 氣泡占分析面積比值

圖2 混凝土內(nèi)外溫差

表2 不同混凝土工作性能及力學(xué)性能

2 施工關(guān)鍵技術(shù)研究

影響盾構(gòu)管片表觀質(zhì)量的因素較多，要提高預(yù)制管片的表觀質(zhì)量，必須從混凝土原材料、施工工藝及養(yǎng)護(hù)等多方面同時管控，最大程度降低混凝土外觀缺陷的產(chǎn)生。針對大盾構(gòu)管片生產(chǎn)工藝特點，著重開展了以下三個方面施工關(guān)鍵技術(shù)控制。

2.1原材料質(zhì)量控制

混凝土原材料包括水泥、粉煤灰、砂、石和外加劑等，首先以粉煤灰為例，試驗分析了不同顏色對管片表觀性能的影響規(guī)律。按上述基準(zhǔn)配合比，將采用圖3 中三種顏色粉煤灰同摻量進(jìn)行替換后，分析了其對管片表觀質(zhì)量的影響規(guī)律。圖4 中，灰度值反應(yīng)了硬化混凝土的色澤深淺，灰度值越大，其混凝土表面顏色越淺，灰度標(biāo)準(zhǔn)差表征了混凝土灰度離散性，其值越大，表明離散越大，即色差越大?？梢钥吹剑瑩椒勖夯襛和b混凝土的灰度值分別為148 與156，遠(yuǎn)高于摻粉煤灰c 混凝土的灰度值103，說明粉煤灰原色的差異，顯著影響硬化混凝土的顏色，且呈較對應(yīng)的關(guān)系。因此，控制粉煤灰的顏色對改善管片清水混凝土色澤問題有顯著效果，考慮到不同批次甚至是不同運送車輛間粉煤灰的顏色均差異較大，在本項目中，提出按車次對粉煤灰進(jìn)行管理，將顏色相近的粉煤灰儲存于同一個料罐后，有效解決了管片色差問題，顯著提升了管片批量生產(chǎn)的表觀質(zhì)量。

圖3 幾種粉煤灰原色差異

圖4 粉煤灰顏色對硬化混凝土灰度分布的影響

可見，原材料是影響混凝土外觀質(zhì)量，特別是不同批次管片外觀顏色均勻性最為關(guān)鍵的因素。對于其他原材料還需重點控制以下方面：水泥是用量最多的膠凝材料，由于水泥生料是按一定的化學(xué)成份比例配制的并研磨到一定的細(xì)度，均勻混合，在立窖或轉(zhuǎn)窖中煅燒而成，要采用同廠的，同標(biāo)號，同類型的水泥，并盡可能選擇同批號、同爐號的水泥，嚴(yán)格控制水泥廠的礦物混合料的種類與摻量。外加劑是現(xiàn)代混凝土制備的關(guān)鍵組分，一旦確定外加劑的供應(yīng)廠家和外加劑的種類，應(yīng)提前做大量的驗證試驗，如沒有充分的試驗驗證，不宜更換品種。

2.2振動工藝

合適的振動工藝是降低管片氣泡問題的重要方面。在振動工藝方面，著重分析了振動時間對管片表觀質(zhì)量的影響規(guī)律。從圖5 和圖6 可以看出，不同振動時間對混凝土表面氣泡問題影響較大，當(dāng)振動時間依次為10min、15min、20min 時，管片表面氣泡占分析面積的比例從1.6%降低到了1.3%，氣泡數(shù)量和大小呈降低趨勢。但20min與25min的兩種工藝的混凝土表面氣泡分布特征差別不明顯，說明振動以后20min 再延長時間后對氣泡的改善效果不明顯。因此，在本項目生產(chǎn)線上，選取振動時間為20min 時，具有較好的經(jīng)濟(jì)性與表觀質(zhì)量。此外，在澆筑過程中，對于防水條粘結(jié)、螺栓孔的氣泡易聚集的位置，還應(yīng)采用人工振搗的方式進(jìn)行配合，在模具內(nèi)斜向插搗，兩個振搗中心間距控制在50cm 左右，有利于促使局部位置的氣泡排出。

圖5 振動時間對管片表觀氣泡的影響

圖6 振動時間對管片氣泡的影響

2.3養(yǎng)護(hù)水pH值

管片養(yǎng)護(hù)是管片生產(chǎn)質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。分析發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)水的pH 值對管片成品外觀質(zhì)量有顯著影響。如圖7 所示，當(dāng)養(yǎng)護(hù)水的pH 值為7、8、9、10、11、12 時，管片的顏色逐漸加深，當(dāng)pH值在10以內(nèi)時，管片均為正常顏色，灰度均值分別為178、168、165、162，相差不大，但當(dāng)pH 值為11 時，灰度均值急劇降為135，顏色變?yōu)闇\黑色，當(dāng)pH 值為12 時，灰度均值為109，管片表面也變?yōu)榱松詈谏f明堿性越大，混凝土表面的顏色越深。因此，在水養(yǎng)過程中，由于水泥水化產(chǎn)生氫氧化鈣和水池中石灰的溶解會使得養(yǎng)護(hù)水的pH 值不斷增大，因此應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)水的檢測，當(dāng)pH值達(dá)到10后時應(yīng)及時換水，確保管片不會產(chǎn)生色差問題。

圖7 養(yǎng)護(hù)水pH值差異對管片灰度分布的影響

3 工程應(yīng)用效果

綜合以上研究成果，采用優(yōu)化混凝土配合比、嚴(yán)控原材料質(zhì)量穩(wěn)定性、優(yōu)選適當(dāng)振搗時間及實時檢測養(yǎng)護(hù)水pH 值等系統(tǒng)方案后，可顯著提升大直徑盾構(gòu)混凝土管片的表觀質(zhì)量，相關(guān)技術(shù)已成功應(yīng)用于江陰靖江長江隧道工程，如圖8 所示，現(xiàn)場生產(chǎn)的管片表觀質(zhì)量達(dá)到了清水混凝土標(biāo)準(zhǔn)，有效提升了盾構(gòu)隧道工程建設(shè)的施工質(zhì)量。

圖8 工程應(yīng)用效果

4 結(jié)論

⑴采用優(yōu)化減水劑品種、調(diào)整單位用水量的方法，制備的混凝土管片具有優(yōu)異的外觀性能與抗裂性能，可滿足大直徑管片生產(chǎn)的外觀質(zhì)量要求。

⑵管片生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量穩(wěn)定性、振動時間及養(yǎng)護(hù)水pH 值，可有效提升混凝土管片的表觀性能，是管片清水混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制的重要手段。

⑶研制的管片清水混凝土制備及施工關(guān)鍵技術(shù)已成功應(yīng)用于江陰靖江長江隧道大直徑管片的生產(chǎn)，管片成品色澤一致，氣泡少，無裂紋，為同類工程質(zhì)量控制提供了新思路。