顧 洋

(中鐵二十二局集團軌道工程有限公司,北京 100043)

鋼筋混凝土盾構管片通常用于盾構施工中,起到抵抗盾構掘進層土層壓力、地下水壓力以及一些特殊荷載的作用[1-3]。管片的質量直接影響到地鐵隧道整體的安全及運營,然而表觀氣泡及麻面是盾構管片表面最常見的質量缺陷,過大和較多的氣泡及麻面不僅影響混凝土的外觀,對混凝土的耐久性也有很多不利的影響。如何提升盾構管片的外觀質量,減少混凝土盾構管片的氣泡及麻面是近年來諸多研究機構及盾構生產(chǎn)單位關注的問題[4-5]。

調研發(fā)現(xiàn)[6-9],影響混凝土氣泡及麻面缺陷產(chǎn)生的因素很多,混凝土原材料、配合比等都會對混凝土表面缺陷產(chǎn)生影響。目前國內外關于混凝土力學性能、強度及耐久性能方面的研究較多,也有很多量化的研究數(shù)據(jù),提出了很多性能控制及提升措施,并編制了很多標準。但是,目前國內外關于混凝土外觀質量特別是表觀氣泡及麻面的研究相對較少,大量的研究僅停留在定性研究程度,缺少關于混凝土表面氣泡及麻面控制的量化研究數(shù)據(jù)。該文依托廣州地鐵用盾構管片生產(chǎn)項目開展混凝土原材料及配合比對混凝土管片表面氣泡分布情況及麻面比例的影響研究,提出了量化的表面氣泡及麻面的控制措施,具有顯著的意義與工程應用價值。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

1)水泥:分別采用華新水泥廠、華潤水泥廠和臺泥水泥廠生產(chǎn)的PⅡ42.5硅酸鹽水泥,水泥的比表面積分別為370 m2/kg、360 m2/kg和360 m2/kg,3 d膠砂抗壓強度分別為29 MPa、27 MPa和28 MPa,28 d膠砂抗壓強度分別為52.3 MPa、51.5 MPa和52.1 MPa;2)粉煤灰:國家能源集團某電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰,燒失量3.2%,45 μm篩篩余5%,需水比93%;3)礦粉:廣東某廠生產(chǎn)的S95級?；郀t礦渣粉,7 d活性指數(shù)79%,28 d活性指數(shù)96%,流動度比98%;4)外加劑:江蘇某外加劑廠生產(chǎn)的聚羧酸系高性能減水劑、消泡劑及引氣劑,其中減水劑為聚羧酸系高性能減水劑,其含固量為30%,減水率為33%;5)砂:Ⅱ區(qū)中砂,含泥量為0.5%,細度模數(shù)2.7;6)碎石:某石場生產(chǎn)的5～10 mm和10～20 mm級配碎石,壓碎值為9%,母巖強度112 MPa。

1.2 配合比

試驗用配合比見表1。其中A1為基準配合比,A1配合比的減水劑采用基準的緩凝型聚羧酸系高性能減水劑,水泥采用臺泥水泥廠生產(chǎn)的PⅡ42.5硅酸鹽水泥,膠凝材料用量455 kg/m3,砂率36%,10～25 mm與5～10 mm碎石搭配比例為7/3。

表1 試驗配合比

1.3 試驗方法

1)混凝土拌合物性能試驗方法參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080)進行。2)28 d抗壓強度試驗方法參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081)進行。3)以6片制成的混凝土管片為一組,采用游標卡尺測量氣泡的最大直徑,然后對最大直徑為1～1.5 mm及1.5 mm以上的氣泡數(shù)量進行人工統(tǒng)計。

2 結果與分析

根據(jù)《廣州地鐵集團有限公司建設事業(yè)總部盾構管片質量管理辦法》的相關規(guī)定,生產(chǎn)管片的外觀氣泡及麻面情況的控制目標為:1)管片拼接面深度和長度均超過1.5 cm的氣泡數(shù)量為0;2)管片單側拼接面直徑大于1.5 cm的氣泡不多于8個;3)管片單側拼接面麻面面積不超過表面積的5%。混凝土基本性能試驗結果見表2,混凝土管片表面氣泡及麻面比例見圖1。

表2 混凝土基本性能

2.1 外加劑的影響

在確保配合比用其他大宗原材料不變的情況下,首先研究外加劑的消泡劑及引氣劑復配調整措施對混凝土性能的影響。

由表2試驗結果可知:1)引氣劑加入后混凝土倒筒時間下降,坍落度略有增加,含氣量增加,強度略有降低,但仍滿足設計要求;2)消泡劑加入后混凝土倒筒時間略有增加,坍落度不變,含氣量下降,強度增加;3)雙摻引氣劑及消泡劑后,混凝土倒筒時間最低,坍落度最大,含氣量及強度略有增加。相對而言,采用雙摻消泡劑及引氣劑,在保證混凝土其他性能相對更優(yōu)的基礎上,混凝土粘度更低,更有利于氣泡的排出,有利于混凝土外觀質量的提升。

采用基準外加劑配制的混凝土試塊表面情況見圖2,調整外加劑后混凝土試塊表面情況見圖3,將上述調整前后的外加劑進行管片試制試驗,試驗結果如圖4、圖5所示。

由混凝土外觀質量觀測結果發(fā)現(xiàn),在適量引氣及消泡的情況下,混凝土流動性得到改善,大氣泡數(shù)量降低,針孔狀小氣泡數(shù)量略有增加,混凝土試塊總體外觀質量提升。

由圖1氣泡及麻面分布測試結果可知:1)采用基準外加劑時混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量為1,1～1.5 cm氣泡數(shù)量為8,混凝土管片麻面比例為5%,此時混凝土1.5 cm以上的氣泡數(shù)量不滿足要求,1～1.5 cm氣泡數(shù)量和麻面比例滿足要求;2)增加0.1 g引氣劑后混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量為1,1～1.5 cm氣泡數(shù)量增加為12,混凝土管片麻面比例降低為4%,此時混凝土1.5 cm以上的氣泡數(shù)量和1～1.5 cm氣泡數(shù)量不滿足要求,麻面比例滿足要求;3)增加0.1 g消泡劑后混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量為0,1～1.5 cm氣泡數(shù)量為8,混凝土管片麻面比例增加為6%,此時混凝土1.5 cm以上的氣泡數(shù)量和1～1.5 cm氣泡數(shù)量滿足要求,混凝土管片麻面比例不滿足要求;4)同時增加0.1 g消泡劑和0.1 g引氣劑后混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量為0,1～1.5 cm氣泡數(shù)量為7,混凝土管片麻面比例為5%,此時混凝土1.5 cm以上的氣泡數(shù)量和1～1.5 cm氣泡數(shù)量滿足要求,混凝土管片麻面比例也滿足要求。在基準外加劑的基礎上,雙摻0.1 g消泡劑和0.1 g引氣劑后混凝土管片外觀氣泡數(shù)量最小,麻面比例最低。

2.2 水泥品種的影響

由表2試驗結果可知:1)摻入華潤水泥后混凝土倒筒時間相對最長,含氣量最低,粘度相對最大,但28 d抗壓強度也相對最高;2)摻入華新水泥后混凝土坍落度最大,含氣量最高,倒筒時間相對最低,粘度相對最低,但28 d抗壓強度最低;3)水泥對混凝土粘度有一定的影響,但影響作用不明顯。

由圖1氣泡及麻面分布測試結果可知:1)更換華潤水泥后,混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量仍為1,1～1.5 cm氣泡數(shù)量仍為8,混凝土管片麻面比例仍為5%,此時混凝土1.5 cm以上的氣泡數(shù)量不滿足要求,1～1.5 cm氣泡數(shù)量和麻面比例滿足要求;2)更換華新水泥后,混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量仍為1,1～1.5 cm氣泡數(shù)量增加為9,混凝土管片麻面比例仍為5%,此時混凝土1.5 cm以上的氣泡數(shù)量和1～1.5 cm氣泡數(shù)量不滿足要求,麻面比例滿足要求。與外加劑的影響相比,水泥品種對混凝土管片外觀氣泡數(shù)量和麻面比例影響程度更小。

2.3 膠凝材料總量

由表2試驗結果可知:1)膠凝材料總量最大時,混凝土坍落度最大,含氣量最高,倒筒時間相對最低,粘度相對最低,但28 d抗壓強度最低;2)膠凝材料總量最低時,混凝土坍落度最小,含氣量最低,倒筒時間相對最長,粘度相對最大;3)膠凝材料總量對混凝土倒筒時間和粘度有一定的影響,隨著膠凝材料總量的提高,混凝土倒筒時間降低,粘度降低。這主要與水膠比不變時,膠凝材料增加后混凝土體系漿骨比提高有關。漿骨比提高勢必會導致混凝土流動性增加,骨料間的“摩擦阻力”降低,混凝土整體粘度下降,但漿骨比提高后混凝土坍落度增加,不利于掀模后混凝土形態(tài)的保持,容易導致混凝土拆模時間延長,同時膠凝材料增加后混凝土更易開裂,不利于外觀質量的控制。因此,實際混凝土管片生產(chǎn)時需權衡各項利弊,選擇合理的膠凝材料用量,相對而言,膠凝材料總量以470 kg/m3為宜。

由圖1氣泡及麻面分布測試結果可知:1)膠凝材料為455 kg/m3時混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量為1,1～1.5 cm氣泡數(shù)量為8,此時混凝土1.5 cm以上的氣泡數(shù)量不滿足要求,1～1.5 cm氣泡數(shù)量滿足要求,此時混凝土管片麻面比例為5%,麻面比例滿足要求;2)膠凝材料提升至470 kg/m3后混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量降低為0,1～1.5 cm氣泡數(shù)量下降為7,混凝土管片麻面比例仍為5%,此時管片混凝土1 cm以上的氣泡數(shù)量及混凝土管片麻面比例均滿足要求;3)膠凝材料降低至440 kg/m3后,混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量略有增加,1～1.5 cm氣泡數(shù)量顯著增加,管片混凝土1 cm以上的氣泡數(shù)量均不滿足要求,但此時混凝土管片麻面比例降低至4%,麻面比例滿足要求。因此,混凝土膠凝材料用量宜控制在470 kg/m3,此時,混凝土管片外觀氣泡數(shù)量最小,麻面比例最低。

2.4 砂率

由表2試驗結果可知,隨著砂率的增加,混凝土的倒筒時間逐漸增加,坍落度略有降低,含氣量逐漸增加,抗壓強度逐漸降低。砂率對混凝土粘度有一定的影響,隨著砂率的提高,混凝土倒筒時間增加,粘度增加,這主要與其他配合比參數(shù)不變時,砂率增加后混凝土體系骨料比表面積提高有關,骨料比表面積增加后勢必會導致在骨料間“潤滑”及填充作用的漿體數(shù)量相對減少,進而導致混凝土流動性增加,混凝土流動時骨料間的“摩擦及嵌鎖”力增大,混凝土整體粘度增加,混凝土倒筒時間增加,混凝土坍落度降低。同時因砂率增加導致混凝土粘度增加后,混凝土內氣泡的穩(wěn)泡效果更為明顯,混凝土含氣量增加,抗壓強度下降,不利于外觀質量的控制,因此實際混凝土管片生產(chǎn)時在保證混凝土和易性的基礎上,應選擇較低的砂率,相對而言,砂率為34%時,混凝土各項性能最優(yōu)。

由圖1氣泡及麻面分布測試結果可知:1)砂率為36%時混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量為1,1～1.5 cm氣泡數(shù)量為8,此時管片混凝土1.5 cm以上的氣泡數(shù)量不滿足要求,1～1.5 cm氣泡數(shù)量滿足要求,此時混凝土管片麻面比例為5%,麻面比例滿足要求;2)砂率提升至38%后混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量增加為2,1～1.5 cm氣泡數(shù)量增加為9,混凝土管片麻面比例增加至6%,砂率提升后,管片混凝土1 cm以上的氣泡數(shù)量及麻面比例不再滿足要求;3)砂率降低至34%后混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量降低為0,1～1.5 cm氣泡數(shù)量增加為9,混凝土管片麻面比例保持不變,仍為5%,砂率降低后,管片混凝土1.5 cm以上的氣泡數(shù)量及麻面比例均滿足要求,1～1.5 cm氣泡數(shù)量不滿足要求?？傮w而言,混凝土砂率宜選用34%。

2.5 碎石比例

由表2試驗結果可知:1)粒級為10～25 mm與粒級為5～10 mm碎石的摻配比例由7/3調整至6/4后混凝土坍落度降低,含氣量略有增加,倒筒時間顯著增加,粘度增加,28 d抗壓強度略有降低;2)粒級為10～25 mm與粒級為5～10 mm碎石的摻配比例由7/3調整至8/2后混凝土坍落度增加,含氣量不變,倒筒時間下降,粘度降低,28 d抗壓強度不變;3)碎石比例對混凝土粘度有一定的影響,以倒筒時間表征混凝土粘度時,隨著大/小碎石比例的提高,混凝土粘度降低,這主要與其他配合比參數(shù)不變時,大/小碎石提高后混凝土體系骨料比表面積下降有關。骨料比表面積下降后勢必會導致在骨料間“潤滑”及填充作用的漿體數(shù)量相對增加,進而導致混凝土流動性增加,混凝土整體粘度降低,混凝土倒筒時間降低,混凝土坍落度增加。相對而言,粒級為10～25 mm與粒級為5～10 mm碎石的摻配比例為8/2時混凝土基本性能更優(yōu),其次為7/3,粒級為10～25 mm與粒級為5～10 mm碎石的摻配比例為6/4時混凝土基本性能相對最差。

由圖1氣泡及麻面分布測試結果可知:1)粒級為10～25 mm與粒級為5～10 mm碎石的摻配比例為7/3時混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量為1,1～1.5 cm氣泡數(shù)量為8,此時管片混凝土1.5 cm以上的氣泡數(shù)量不滿足要求,1～1.5 cm氣泡數(shù)量滿足要求,此時混凝土管片麻面比例為5%,麻面比例滿足要求;2)粒級為10～25 mm與粒級為5～10 mm碎石的摻配比例由7/3調整至6/4后混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量增加為2,1～1.5 cm氣泡數(shù)量增加為11,混凝土管片麻面比例增加至7%,此時管片混凝土1 cm以上的氣泡數(shù)量及麻面比例不滿足要求;3)粒級為10～25 mm與粒級為5～10 mm碎石的摻配比例由7/3調整至8/2后混凝土1.5 cm以上氣泡數(shù)量降低為0,1～1.5 cm氣泡數(shù)量降低為6,混凝土管片麻面比例降低為4%,此時管片混凝土1～1.5 cm以上的氣泡數(shù)量、1.5 cm以上氣泡數(shù)量及麻面比例均滿足要求。

總體而言,將混凝土粒級為10～25 mm與粒級為5～10 mm碎石的摻配比例控制為8/2時,混凝土氣泡分布最優(yōu),麻面更少。

3 結 論

a.水泥品種對C50混凝土的拌合物性能、力學性能和混凝土管片表面氣泡分布與麻面比例影響較小,不宜作為混凝土外觀質量控制的主要因素。

b.混凝土外加劑復配措施對混凝土拌合物性能、力學性能和混凝土管片的氣泡分布與麻面比例的影響較大,相對而言,同時增加0.1 g引氣劑及0.1 g消泡劑時混凝土表面氣泡最少,麻面比例更低。

c.膠凝材料用量、砂率、碎石比例對混凝土拌合物性能及力學性能有一定的影響。相對而言,C50混凝土的膠凝材料用量為470 kg/m3,砂率為34%,10～25 mm與5～10 mm碎石搭配比例為8/2時,混凝土拌合物性能及力學性能相對最優(yōu)。

d.膠凝材料用量、砂率、碎石比例對混凝土管片表面氣泡分布與麻面比例的影響程度由大到小為膠凝材料用量>碎石比例>砂率。相對而言,C50混凝土的膠凝材料用量為470 kg/m3,砂率為34%,10～25 mm與5～10 mm碎石搭配比例為8/2時,混凝土表面1 cm以上氣泡最少,麻面比例最低。