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大直徑混凝土管片氣泡的防治研究

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 點擊次數:  更新時間:2016-09-07 13:57:57  【打印此頁

摘要:混凝土管片是盾構隧道的主要結構形式,也是隧道防水、防火和耐久等綜合性能的保證,因此,對管片整體性能有著極高要求。但大直徑混凝土管片在生產中易出現較多氣泡,易形成滲漏通道,影響管片的耐久性。本文從混凝土原材料、配合比設計、模具、脫模劑、振搗工藝等方面入手,試驗摸索出減少管片氣泡的一套方法,在生產實踐中收到了較好的效果。

關鍵詞:大直徑;盾構;混凝土;管片;氣泡

 



1 引言

盾構法施工是城市軟土地層中修建地下隧道主要方法,其中混凝上管片不僅是盾構隧道的主要結構形式,也是隧道防水、防火和耐久等綜合性能的保證,因此,對管片強度、剛度及耐久性等方面均有著極高要求。防水工作是地下隧道工程的其中一個重要環節,隧道工程通過管片自防水、壁外注漿、止水帶防水、嵌縫防水等數個環節,進行防水、引水。而無論哪種防水方式,都建立在管片具備良好的抗滲性能上,不僅管片內部密實度、耐久性要求高,而且對管片表面氣泡的要求也非常高。

慶春路過江隧道橫穿杭州錢塘江,為杭州錢塘江第一條隧道。管片每環九片,外徑 11.3m,內徑10.3m,厚度0。5m,環寬2m,混凝土強度等級C50,抗滲等級P12,每環管片混凝土用量34方,采用通用楔形環錯縫拼裝;

1為慶春路大直徑管片與某地鐵隧道管片兩種隧道管片尺寸、外露面面積比較表,由表1可見,慶春路管片外弧面與側面面積是某地鐵工程的2。6倍,因此更容易形成氣泡和空洞。在管片生產初期,管片氣泡較多,業主提出改進要求后,我們著手對管片氣泡現象進行成因分析、防治研究。

兩種隧道項目管片尺寸、外露面面積比較

項目

內徑

(m)

外徑

(m)

寬度

(m)

體積

(m3)

總面積1

(m2)

慶春路隧道

10.3

11。3

2.0

33.9

35.9

某地鐵

5.5

6.2

1。2

7。7

13.7

 1 總面積為:管片四個側面與外弧面面積和,不包括內弧面面積。

2 氣泡的危害

外觀:嚴重影響了管片的外觀。

強度:氣泡的存在,降低了混凝土的致密性,管片混凝土內部留下氣泡(孔隙)越多,強度下降越多,混凝土強度與膠空比成正比關系:

膠空比 X =0.68α/(0.32α+W/C)

   P  C/W

其中:W/C:水灰比;  α:水化程度

膠空比:膠凝材料與孔隙率的比率

在膠凝材料用量一定后,孔隙率的多少決定了強度的低高,因此若管片結構內氣泡多,管片整體強度將下降。

耐久性:氣泡的存在,降低了混凝土的致密性,管片表面氣泡的存在,等于減少了鋼筋保護層的有效厚度,降低了混凝土管片的耐腐蝕性能,在地下水豐富的隧道中,管片百年耐久受到威脅。

滲水通道:管片側面存在較多的氣泡時,即使使用止水帶防水,但凹陷的氣泡容易連通,形成連通的滲漏通道,降低了管片的防水性能,靠近內弧面的側面氣泡,會導致嵌縫防水效果下降。

3 管片表面氣泡形成的原因

當管片結構氣泡≤50nm時,對管片的耐久性和抗腐蝕能力是有益的,當管片氣泡大于以上標準時,會降低管片強度和耐久性。我們這里探討的是50nm以上的氣泡。生產實踐表明,以下因素是導致產生氣泡的主要原因。

3。1 原材料因素

水泥品質:一些水泥廠為提高水泥早強、降低成本,在熟料粉磨時加入帶有木鈣、二乙二醇、丙二醇等的混雜型助磨劑,這些助磨劑帶有引氣效果,拌制混凝土后引入的氣泡不均勻且偏大。

減水劑品質:聚羧酸系減水劑在生產中需要先用消泡劑來消泡,然后摻入引氣劑以引入微氣泡,優質的聚羧酸引氣劑在混凝土中能引入大量均勻分布、穩定而封閉的微小氣泡,但如果減水劑廠家為節約成本,使用廉價低質的引氣劑(如松香類),則會在混凝土管片中形成較大的氣泡,因這種氣泡表面能較低,容易形成聯通性大氣泡,導致管片氣泡過多。或者外加劑中有不合理的增稠組份,會導致混凝土料過于粘稠,振搗時氣泡難以排出。

粗集料顆粒形狀:沒有經過整形的粗集料棱角過多、針片狀顆粒含量過多,會使混凝土中氣泡難以排出,導致管片內滯留氣泡過多。

細集料顆粒形狀:天然砂資源越來越少,一些管片工程會采用人工砂或混合砂替代;這些砂如果沒有充分整形,其顆粒形狀較差時,氣泡難以排出,且管片外弧面收水時會造成較多的砂眼。

3.2 混凝土配合比因素

外加劑摻量:若為了降低水灰比,過于提高減水劑的摻量,所產生氣泡的狀況也將隨之改變,如果過振,將會使微氣泡聯通組合成大氣泡。

砂率:粗集料過多,細集料偏少,如果細集料及膠凝材料不足以填充粗集料之間的空隙,會導致管片混凝土不密實,形成空隙;粗集料偏少,細集料偏多,會導致混凝土粘稠,氣泡難以排出。

水灰比:混凝土水灰比過小,混凝土料粘稠,難以振搗、氣泡難以排出。水灰比過大,攪拌所用的水達到飽和后,多余的水份形成自由水,最后轉換成氣泡,混凝土產生的氣泡增多。

攪拌時間:管片混凝土水灰比較低,用水量較少,如果攪拌時間過短會產生攪拌不勻現象,外加劑多的部分產生氣泡多,外加劑少的部分會出現坍落度小、難以振搗的現象。

坍落度控制:混凝土坍落度偏大時,自由水相對較多,管片因為曲面特征,混凝土入模后不能充分振搗,管片內大量氣泡無法排出;若坍落度過小,難以振搗,氣泡也難以排出。

3。3 生產工藝因素

脫模劑:管片模具一般使用水性脫模劑,仍具有一定粘性,若稀釋比例過低脫模劑仍會對氣泡有吸附作用,但稀釋比例過高,混凝土會粘模,氣泡均無法順利隨機械振搗而逐步上升、排出。

振搗情況:管片能否密實、氣泡能否排出與振搗有密切關系。表所列為混凝土正常振搗及欠振、漏振和超振的“三振”現象表現。國內混凝土管片的澆搗多采用人工振搗方式施工,由于工人隊伍的建立、操作的穩定性和技術熟練程度的差異,對混凝土管片氣泡的多少有著根本性區別。

2  混凝土正常振搗及“三振”表現

正常振搗

振搗時粗、細集料顆粒相互靠攏緊密,包裹著空氣的水泥漿憑借振動能浮上表面,一般表面泛漿即可。

三振

超振:

振搗時間長

振搗時間越長,混凝土越密實,但過長時會導致石子下沉,水泥漿上浮,管片混凝土發生分層、泌水現象,管片外弧面會疏松形成“松頂”,混凝土內部微小氣泡在機械作用下出現破滅重組,由小變大,在結構內重組成大氣泡,氣泡多,缺陷多。

欠振:

振搗時間短

振搗時間過短、振搗間距過大、振搗隨意性大漏振,集料顆粒還沒有靠攏緊密,振動能不足以將包裹的空氣的水泥漿排出,管片混凝土會出現不密實或存在不規則大氣泡,氣泡多,缺陷多。

漏振:

未振搗到

模具保養:混凝土振搗時振搗棒難免會觸碰到模具,管片鋼筋籠放置時偶爾也會碰撞模具,手孔、螺栓孔加強筋焊接時也難免發生電弧損傷管片模具表面,以及管片模具正常磨損等等,均會造成模具內表面粗糙,使得排氣不暢氣泡殘留過多。

4 對管片表面氣泡的防治

對管片氣泡產生原因進行分析后,就可以采取有針對性措施來減少氣泡的產生。

水泥:選用大廠有品質保證的水泥,慶春路管片一開始就選用了華東地區水泥品質較好的海螺52。5P。II水泥,避免小水泥廠摻加過多的摻合料和助磨劑的問題。

減水劑:使用杭州市構生產的HG-PCA600聚羧酸減水劑,經過引氣劑比對試驗,最終選擇了三萜皂甙類引氣劑,該類引氣劑與聚羧酸相容性適應性超過松香類、十二烷基類引氣劑,引入微氣泡小、穩定,成品效果明顯。

集料:粗集料選擇了帶圓磨整形機的生產線,雖然增加了采購價格,但集料顆粒圓潤,針片狀顆粒含量從原來的12%降低到5%

細集料中起潤滑作用的主要為0。315mm0.630mm兩種顆粒,杭州市場上幾種不同的細集料品種及對管片氣泡形成的影響見表3,最終我們選擇了江西贛江天然河砂,級配μ2.6~3.0,實際使用中,對氣泡的減少有著非常明顯的作用。

細集料品種對管片氣泡形成的影響

集料種類

0。3150。630mm

顆粒累計含量

效果

贛江河砂

30%-35%

管片外弧面無砂眼,管片氣泡少

卵石

破碎砂

15%-20%

管片外弧面明顯砂眼,表面氣泡增多,用水稍微增加

石子

破碎砂

10%-20%

管片表面氣泡最多,用水量高、流動性差、難振搗、強度低

特細河砂

1%

粘稠,氣泡多,復配成混合砂較差

配合比:4為不同水灰比對管片氣泡形成的影響,可見當水灰比在0.30~0.35之間時,不僅具有較好的強度,且氣泡含量較少,最終水灰比定確定為0。33

水灰比對管片氣泡形成的影響

水灰比

效果

>=0。35

強度低,振搗后氣泡排出快,施工難度低

0.31-0.34

強度良好,振搗后氣泡排出速度一般

<=0。30

強度過高,料粘稠板結難以振搗,空洞、氣泡多

坍落度控制:在混凝土生產攪拌樓上安裝高精度的攪拌機主機電流、電壓表,從電流電壓上側面反映攪拌機內混凝土的坍落度,在攪拌機主機殼上開挖一個觀察孔并安裝防護網,方便工人直接觀察攪拌機內的混凝土。對堆場集料安裝防雨棚,確保集料含水率波動不受天氣影響,同時,提前做好材料含水率和水泥外加劑適應性變動調整的工作,將坍落度波動減少到最低。

攪拌時間:經過近20次對比試驗,我們總結出水灰比為0.33的管片混凝土攪拌時間與坍落度關系曲線,見圖1

由圖1可見,攪拌時間過短,外加劑與水泥接觸不完全,坍落度過小,難以振搗,管片成品氣泡多;攪拌時間過長,坍落度增加不明顯,影響生產進度,因此我們選擇了90s作為標準攪拌時間。

 

混凝土攪拌時間與坍落度的關系

脫模劑:水性脫模劑廠家資料一般推薦攙兌水的比例為15,該攙兌比例為理想狀態下攙兌比例,生產中還需要根據實際情況進行不同比例攙兌試用摸索出最佳攙兌比例,這樣不僅管片表面氣泡少,且每平方脫模劑成本低,修補量低,達到整體最佳效益。表4所示為不同攙兌比例對管片表面質量和氣泡的影響,由表4可見,攙兌比例為13時,管片表面性能良好,氣泡數量較少,實際生產中我們攙兌比例在13.0-13。5

4不同攙兌比例對管片表面質量、氣泡的影響

脫模劑

攙兌比例

效果

11

粘稠,氣泡多,脫模方便,管片表面被污染,成本高

12

粘稠,氣泡稍少,脫模方便,管片表面輕微被污染

13

不粘稠,氣泡少,管片表面光潔,成本低

14

氣泡少,管片有粘模現像,需增加修補

15

氣泡多,管片有較多粘模現像,修補量大,綜合成本高

振搗:在管片振搗中,延長振搗時間,可以提高振搗效果,但不能增加振搗范圍。在振搗范圍內的氣泡才能排出,因此要選擇合理的振搗半徑,震動波隨振搗半徑的延長而減弱,振搗有效范圍還跟混凝土的粘稠度有關,對于干硬性的管片混凝土,震動能衰減大,有效距離短。

任何完美的振搗方案,都需要工人去執行,因此要重視對管片澆筑工人的培訓,提高其業務能力,必要時可將管片表面氣泡數量劃分等級后納入考核中。

綜合以上因素,我們根據管片水灰比及坍落度等情況,摸索、制定了管片振搗參數:混凝土分兩層播料,分兩次從模具環內兩側向中間推導型振搗,模具環內兩側采用斜向振搗,中間采用垂直振搗,每個點振搗時間20-25s,振搗半徑30cm,兩次振搗中心間距50cm2米寬度管片每行4次振搗,整片振搗時移動方式為行列式移動。振搗要求快插慢拔,上下抽動,逐點移動,避免漏振,振搗以表面泛漿作為參考。基本杜絕了表2所列的“三振”現象,大大減少了管片側面氣泡數量,效果非常明顯。

模具保養:管片模具有磨損后不利于氣泡排出,因此需要適時打磨模具,減少氣泡吸附,以利氣泡排出。我們在管片生產期間使用120#木砂紙粗磨240#木砂紙細磨的方式對有局部磨損的模具開展了三次局部精細打磨。

5 減少氣泡形成的效果

經本工程的實踐操作,從原材料、配合比、拌合、澆注工藝多環節提升管理水平著手,從09年度2月份開始對管片表面三種類型的氣泡平均數量進行逐月抽查,見圖2。由圖2可見,管片側面氣泡數量呈現逐月下降趨勢,尤其是綜合采用了改善細集料選型、坍落度嚴格控制、振搗工藝調整及振搗過程加強管理這四項措施后,自20094月起,管片外弧面氣泡基本杜絕,側面氣泡數量大幅度降低,管片質量獲得業主方數次贊譽。

 

管片側面氣泡逐月抽查數量統計圖

6 結論

通過分析管片氣泡產生成因并采取以上措施后,可以大幅度減少管片氣泡,實踐證明以上措施值得借鑒。

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