大直徑混凝土管片氣泡的防治研究摘要：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(xiàn)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(huán)節(jié)，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(shù)個環(huán)節(jié)，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?jié)B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(huán)九片，外徑11.3m，內徑10.3m，厚度0.5m，環(huán)寬2m，混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級P12，每環(huán)管片混凝土用量34方，采用通用楔形環(huán)錯縫拼裝；表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(yè)主提出改進要求后，我們著手對管片氣泡現(xiàn)象進行成因分析、防治研究。表1兩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10.311.32.033.935.9某地鐵5.56.21.27.713.71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)強度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(yōu)質的聚羧酸引氣劑在混凝土中能引入大量均勻分布、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡，但如果減水劑廠家為節(jié)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(lián)通性大氣泡，導致管片氣泡過多?；蛘咄饧觿┲杏胁缓侠淼脑龀斫M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(lián)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(xiàn)象，外加劑多的部分產生氣泡多，外加劑少的部分會出現(xiàn)坍落度小、難以振搗的現(xiàn)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2所列為混凝土正常振搗及欠振、漏振和超振的“三振”現(xiàn)象表現(xiàn)。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(wěn)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(qū)別。表2混凝土正常振搗及“三振”表現(xiàn)正常振搗振搗時粗、細集料料顆粒相互靠靠攏緊密，包裹著空氣氣的水泥漿憑憑借振動能浮浮上表面，一一般表面泛漿漿即可。三振超振:振搗時間長振搗時間越長，混混凝土越密實實，但過長時會會導致石子下下沉，水泥漿上浮浮，管片混凝土土發(fā)生分層、泌泌水現(xiàn)象，管片外弧面面會疏松形成成“松頂”，混凝土內部部微小氣泡在在機械作用下下出現(xiàn)破滅重重組，由小變大，在結構內重重組成大氣泡泡，氣泡多，缺陷多。欠振:振搗時間短振搗時間過短、振振搗間距過大大、振搗隨意意性大漏振，集料顆粒還還沒有靠攏緊緊密，振動能不足足以將包裹的的空氣的水泥泥漿排出，管片混凝土土會出現(xiàn)不密密實或存在不不規(guī)則大氣泡泡，氣泡多，缺陷多。漏振:未振搗到模具保養(yǎng)：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(fā)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(qū)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(wěn)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0.315mm、0.630mm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。表3細集料品種對管片氣泡形成的影響集料種類0.315、0..630mmm顆粒累計含量效果贛江河砂30%-35%管片外弧面無砂眼眼，管片氣泡少少卵石破碎砂15%-20%管片外弧面明顯砂砂眼，表面氣泡增增多，用水稍微增增加石子破碎砂10%-20%管片表面氣泡最多多，用水量高、流流動性差、難難振搗、強度度低特細河砂≤1%粘稠，氣泡多，復復配成混合砂砂較差配合比:表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。表4水灰比對管片氣泡形成的影響水灰比效果>=0.35強度低，振搗后氣氣泡排出快，施工難度低低強度良好，振搗后后氣泡排出速速度一般<=0.30強度過高，料粘稠稠板結難以振振搗，空洞、氣泡泡多坍落度控制：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。圖1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1：5，該攙兌比例為理想狀態(tài)下攙兌比例，生產中還需要根據(jù)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1：3時，管片表面性能良好，氣泡數(shù)量較少，實際生產中我們攙兌比例在1：3.0-1：3.5。表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1：1粘稠，氣泡多，脫脫模方便，管片表面被被污染，成本高1：2粘稠，氣泡稍少，脫模方便，管片表面輕輕微被污染1：3不粘稠，氣泡少，管片表面光光潔，成本低1：4氣泡少，管片有粘粘模現(xiàn)像，需增加修補補1：5氣泡多，管片有較較多粘?，F(xiàn)像像，修補量大，綜合成本高高振搗：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(zhí)行，因此要重視對管片澆筑工人的培訓，提高其業(yè)務能力，必要時可將管片表面氣泡數(shù)量劃分等級后納入考核中。綜合以上因素，我們根據(jù)管片水灰比及坍落度等情況，摸索、制定了管片振搗參數(shù)：混凝土分兩層播料，分兩次從模具環(huán)內兩側向中間推導型振搗，模具環(huán)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50cm，2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(xiàn)象，大大減少了管片側面氣泡數(shù)量，效果非常明顯。模具保養(yǎng)：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(huán)節(jié)提升管理水平著手，從09年度2月份開始對管片表面