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大直径混凝土管片气泡的防治研究

时间:2010年08月08日来源:本站原创 作者:姜俊1,王晓栋1,徐勇1,潘凤英1,孔德玉2 点击:
 
大直径混凝土管片气泡的防治研究
姜俊1,王晓栋1,徐勇1,潘凤英1,孔德玉2
 (1杭州建工建材有限公司,杭州,311107;2浙江工业大学建工学院,浙江杭州310014)
摘要:混凝土管片是盾构隧道的主要结构形式,也是隧道防水、防火和耐久等综合性能的保证,因此,对管片整体性能有着极高要求。但大直径混凝土管片在生产中易出现较多气泡,易形成渗漏通道,影响管片的耐久性。本文从混凝土原材料、配合比设计、模具、脱模剂、振捣工艺等方面入手,试验摸索出减少管片气泡的一套方法,在生产实践中收到了较好的效果。
关键词:大直径;盾构;混凝土;管片;气泡
 

1 引言
盾构法施工是城市软土地层中修建地下隧道主要方法,其中混凝上管片不仅是盾构隧道的主要结构形式,也是隧道防水、防火和耐久等综合性能的保证,因此,对管片强度、刚度及耐久性等方面均有着极高要求。防水工作是地下隧道工程的其中一个重要环节,隧道工程通过管片自防水、壁外注浆、止水带防水、嵌缝防水等数个环节,进行防水、引水。而无论哪种防水方式,都建立在管片具备良好的抗渗性能上,不仅管片内部密实度、耐久性要求高,而且对管片表面气泡的要求也非常高。
庆春路过江隧道横穿杭州钱塘江,为杭州钱塘江第一条隧道。管片每环九片,外径11.3m,内径10.3m,厚度0.5m,环宽2m,混凝土强度等级C50,抗渗等级P12,每环管片混凝土用量34方,采用通用楔形环错缝拼装;
表1为庆春路大直径管片与某地铁隧道管片两种隧道管片尺寸、外露面面积比较表,由表1可见,庆春路管片外弧面与侧面面积是某地铁工程的2.6倍,因此更容易形成气泡和空洞。在管片生产初期,管片气泡较多,业主提出改进要求后,我们着手对管片气泡现象进行成因分析、防治研究。
表1 两种隧道项目管片尺寸、外露面面积比较

项目
内径
(m)
外径
(m)
宽度
(m)
体积
(m3)
总面积1
(m2)
庆春路隧道 10.3 11.3 2.0 33.9 35.9
某地铁 5.5 6.2 1.2 7.7 13.7
 
 1 总面积为:管片四个侧面与外弧面面积和,不包括内弧面面积。
2 气泡的危害
外观:严重影响了管片的外观。
强度:气泡的存在,降低了混凝土的致密性,管片混凝土内部留下气泡(孔隙)越多,强度下降越多,混凝土强度与胶空比成正比关系:
胶空比X = 0.68α/(0.32α+W/C)
强  度P ∝ C/W
其中:W/C:水灰比;  α:水化程度
胶空比:胶凝材料与孔隙率的比率
在胶凝材料用量一定后,孔隙率的多少决定了强度的低高,因此若管片结构内气泡多,管片整体强度将下降。
耐久性:气泡的存在,降低了混凝土的致密性,管片表面气泡的存在,等于减少了钢筋保护层的有效厚度,降低了混凝土管片的耐腐蚀性能,在地下水丰富的隧道中,管片百年耐久受到威胁。
渗水通道:管片侧面存在较多的气泡时,即使使用止水带防水,但凹陷的气泡容易连通,形成连通的渗漏通道,降低了管片的防水性能,靠近内弧面的侧面气泡,会导致嵌缝防水效果下降。
3 管片表面气泡形成的原因
当管片结构气泡≤50nm时,对管片的耐久性和抗腐蚀能力是有益的,当管片气泡大于以上标准时,会降低管片强度和耐久性。我们这里探讨的是50nm以上的气泡。生产实践表明,以下因素是导致产生气泡的主要原因。
3.1 原材料因素
水泥品质:一些水泥厂为提高水泥早强、降低成本,在熟料粉磨时加入带有木钙、二乙二醇、丙二醇等的混杂型助磨剂,这些助磨剂带有引气效果,拌制混凝土后引入的气泡不均匀且偏大。
减水剂品质:聚羧酸系减水剂在生产中需要先用消泡剂来消泡,然后掺入引气剂以引入微气泡,优质的聚羧酸引气剂在混凝土中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡,但如果减水剂厂家为节约成本,使用廉价低质的引气剂(如松香类),则会在混凝土管片中形成较大的气泡,因这种气泡表面能较低,容易形成联通性大气泡,导致管片气泡过多。或者外加剂中有不合理的增稠组份,会导致混凝土料过于粘稠,振捣时气泡难以排出。
粗集料颗粒形状:没有经过整形的粗集料棱角过多、针片状颗粒含量过多,会使混凝土中气泡难以排出,导致管片内滞留气泡过多。
细集料颗粒形状:天然砂资源越来越少,一些管片工程会采用人工砂或混合砂替代;这些砂如果没有充分整形,其颗粒形状较差时,气泡难以排出,且管片外弧面收水时会造成较多的砂眼。
3.2 混凝土配合比因素
外加剂掺量:若为了降低水灰比,过于提高减水剂的掺量,所产生气泡的状况也将随之改变,如果过振,将会使微气泡联通组合成大气泡。
砂率:粗集料过多,细集料偏少,如果细集料及胶凝材料不足以填充粗集料之间的空隙,会导致管片混凝土不密实,形成空隙;粗集料偏少,细集料偏多,会导致混凝土粘稠,气泡难以排出。
水灰比:混凝土水灰比过小,混凝土料粘稠,难以振捣、气泡难以排出。水灰比过大,搅拌所用的水达到饱和后,多余的水份形成自由水,最后转换成气泡,混凝土产生的气泡增多。
搅拌时间:管片混凝土水灰比较低,用水量较少,如果搅拌时间过短会产生搅拌不匀现象,外加剂多的部分产生气泡多,外加剂少的部分会出现坍落度小、难以振捣的现象。
坍落度控制:混凝土坍落度偏大时,自由水相对较多,管片因为曲面特征,混凝土入模后不能充分振捣,管片内大量气泡无法排出;若坍落度过小,难以振捣,气泡也难以排出。
3.3 生产工艺因素
脱模剂:管片模具一般使用水性脱模剂,仍具有一定粘性,若稀释比例过低脱模剂仍会对气泡有吸附作用,但稀释比例过高,混凝土会粘模,气泡均无法顺利随机械振捣而逐步上升、排出。
振捣情况:管片能否密实、气泡能否排出与振捣有密切关系。表2 所列为混凝土正常振捣及欠振、漏振和超振的“三振”现象表现。国内混凝土管片的浇捣多采用人工振捣方式施工,由于工人队伍的建立、操作的稳定性和技术熟练程度的差异,对混凝土管片气泡的多少有着根本性区别。
表2  混凝土正常振捣及“三振”表现

正常振捣
振捣时粗、细集料颗粒相互靠拢紧密,包裹着空气的水泥浆凭借振动能浮上表面,一般表面泛浆即可。
三振 超振:
振捣时间长
振捣时间越长,混凝土越密实,但过长时会导致石子下沉,水泥浆上浮,管片混凝土发生分层、泌水现象,管片外弧面会疏松形成“松顶”,混凝土内部微小气泡在机械作用下出现破灭重组,由小变大,在结构内重组成大气泡,气泡多,缺陷多。
欠振:
振捣时间短
振捣时间过短、振捣间距过大、振捣随意性大漏振,集料颗粒还没有靠拢紧密,振动能不足以将包裹的空气的水泥浆排出,管片混凝土会出现不密实或存在不规则大气泡,气泡多,缺陷多。
漏振:
未振捣到
模具保养:混凝土振捣时振捣棒难免会触碰到模具,管片钢筋笼放置时偶尔也会碰撞模具,手孔、螺栓孔加强筋焊接时也难免发生电弧损伤管片模具表面,以及管片模具正常磨损等等,均会造成模具内表面粗糙,使得排气不畅气泡残留过多。
4 对管片表面气泡的防治
对管片气泡产生原因进行分析后,就可以采取有针对性措施来减少气泡的产生。
水泥:选用大厂有品质保证的水泥,庆春路管片一开始就选用了华东地区水泥品质较好的海螺52.5P.II水泥,避免小水泥厂掺加过多的掺合料和助磨剂的问题。
减水剂:使用杭州市构生产的HG-PCA600聚羧酸减水剂,经过引气剂比对试验,最终选择了三萜皂甙类引气剂,该类引气剂与聚羧酸相容性适应性超过松香类、十二烷基类引气剂,引入微气泡小、稳定,成品效果明显。
集料:粗集料选择了带圆磨整形机的生产线,虽然增加了采购价格,但集料颗粒圆润,针片状颗粒含量从原来的12%降低到5%;
细集料中起润滑作用的主要为0.315mm、0.630mm两种颗粒,杭州市场上几种不同的细集料品种及对管片气泡形成的影响见表3,最终我们选择了江西赣江天然河砂,级配μ2.6~3.0,实际使用中,对气泡的减少有着非常明显的作用。
表3 细集料品种对管片气泡形成的影响

集料种类
0.315、0.630mm
颗粒累计含量
效果
赣江河砂 30%-35% 管片外弧面无砂眼,管片气泡少
卵石
破碎砂
15%-20% 管片外弧面明显砂眼,表面气泡增多,用水稍微增加
石子
破碎砂
10%-20% 管片表面气泡最多,用水量高、流动性差、难振捣、强度低
特细河砂 ≤1% 粘稠,气泡多,复配成混合砂较差
 
配合比:表4为不同水灰比对管片气泡形成的影响,可见当水灰比在0.30~0.35之间时,不仅具有较好的强度,且气泡含量较少,最终水灰比定确定为0.33。
表4 水灰比对管片气泡形成的影响

水灰比
效果
>=0.35 强度低,振捣后气泡排出快,施工难度低
0.31-0.34 强度良好,振捣后气泡排出速度一般
<=0.30 强度过高,料粘稠板结难以振捣,空洞、气泡多
 
坍落度控制:在混凝土生产搅拌楼上安装高精度的搅拌机主机电流、电压表,从电流电压上侧面反映搅拌机内混凝土的坍落度,在搅拌机主机壳上开挖一个观察孔并安装防护网,方便工人直接观察搅拌机内的混凝土。对堆场集料安装防雨棚,确保集料含水率波动不受天气影响,同时,提前做好材料含水率和水泥外加剂适应性变动调整的工作,将坍落度波动减少到最低。
搅拌时间:经过近20次对比试验,我们总结出水灰比为0.33的管片混凝土搅拌时间与坍落度关系曲线,见图1。
由图1可见,搅拌时间过短,外加剂与水泥接触不完全,坍落度过小,难以振捣,管片成品气泡多;搅拌时间过长,坍落度增加不明显,影响生产进度,因此我们选择了90s作为标准搅拌时间。

图1 混凝土搅拌时间与坍落度的关系
脱模剂:水性脱模剂厂家资料一般推荐搀兑水的比例为1:5,该搀兑比例为理想状态下搀兑比例,生产中还需要根据实际情况进行不同比例搀兑试用摸索出最佳搀兑比例,这样不仅管片表面气泡少,且每平方脱模剂成本低,修补量低,达到整体最佳效益。表4所示为不同搀兑比例对管片表面质量和气泡的影响,由表4可见,搀兑比例为1:3时,管片表面性能良好,气泡数量较少,实际生产中我们搀兑比例在1:3.0-1:3.5。
表4不同搀兑比例对管片表面质量、气泡的影响

脱模剂
搀兑比例
效果
1:1 粘稠,气泡多,脱模方便,管片表面被污染,成本高
1:2 粘稠,气泡稍少,脱模方便,管片表面轻微被污染
1:3 不粘稠,气泡少,管片表面光洁,成本低
1:4 气泡少,管片有粘模现像,需增加修补
1:5 气泡多,管片有较多粘模现像,修补量大,综合成本高
振捣:在管片振捣中,延长振捣时间,可以提高振捣效果,但不能增加振捣范围。在振捣范围内的气泡才能排出,因此要选择合理的振捣半径,震动波随振捣半径的延长而减弱,振捣有效范围还跟混凝土的粘稠度有关,对于干硬性的管片混凝土,震动能衰减大,有效距离短。
任何完美的振捣方案,都需要工人去执行,因此要重视对管片浇筑工人的培训,提高其业务能力,必要时可将管片表面气泡数量划分等级后纳入考核中。
综合以上因素,我们根据管片水灰比及坍落度等情况,摸索、制定了管片振捣参数:混凝土分两层播料,分两次从模具环内两侧向中间推导型振捣,模具环内两侧采用斜向振捣,中间采用垂直振捣,每个点振捣时间20-25s,振捣半径30cm,两次振捣中心间距50cm,2米宽度管片每行4次振捣,整片振捣时移动方式为行列式移动。振捣要求快插慢拔,上下抽动,逐点移动,避免漏振,振捣以表面泛浆作为参考。基本杜绝了表2所列的“三振”现象,大大减少了管片侧面气泡数量,效果非常明显。
模具保养:管片模具有磨损后不利于气泡排出,因此需要适时打磨模具,减少气泡吸附,以利气泡排出。我们在管片生产期间使用120#木砂纸粗磨240#木砂纸细磨的方式对有局部磨损的模具开展了三次局部精细打磨。
5 减少气泡形成的效果
经本工程的实践操作,从原材料、配合比、拌合、浇注工艺多环节提升管理水平着手,从09年度2月份开始对管片表面三种类型的气泡平均数量进行逐月抽查,见图2。由图2可见,管片侧面气泡数量呈现逐月下降趋势,尤其是综合采用了改善细集料选型、坍落度严格控制、振捣工艺调整及振捣过程加强管理这四项措施后,自2009年4月起,管片外弧面气泡基本杜绝,侧面气泡数量大幅度降低,管片质量获得业主方数次赞誉。

图2 管片侧面气泡逐月抽查数量统计图
6 结论
通过分析管片气泡产生成因并采取以上措施后,可以大幅度减少管片气泡,实践证明以上措施值得借鉴。
 
参考文献:
[1] 张应立,《混凝土全过程质量管理手册》,人民交通出版社,2002;
作者:姜俊,1980,男,副总工,工程师,混凝土及其制品,杭州建工建材有限公司,杭州市余杭区新桥村大运河工业城福旺路7号,311107,13567156729,100014902@qq.com
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