广州地铁C50混凝土管片外观气泡及麻面控制技术

顾 洋

(中铁二十二局集团轨道工程有限公司,北京 100043)

钢筋混凝土盾构管片通常用于盾构施工中,起到抵抗盾构掘进层土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用[1-3]。管片的质量直接影响到地铁隧道整体的安全及运营,然而表观气泡及麻面是盾构管片表面最常见的质量缺陷,过大和较多的气泡及麻面不仅影响混凝土的外观,对混凝土的耐久性也有很多不利的影响。如何提升盾构管片的外观质量,减少混凝土盾构管片的气泡及麻面是近年来诸多研究机构及盾构生产单位关注的问题[4-5]。

调研发现[6-9],影响混凝土气泡及麻面缺陷产生的因素很多,混凝土原材料、配合比等都会对混凝土表面缺陷产生影响。目前国内外关于混凝土力学性能、强度及耐久性能方面的研究较多,也有很多量化的研究数据,提出了很多性能控制及提升措施,并编制了很多标准。但是,目前国内外关于混凝土外观质量特别是表观气泡及麻面的研究相对较少,大量的研究仅停留在定性研究程度,缺少关于混凝土表面气泡及麻面控制的量化研究数据。该文依托广州地铁用盾构管片生产项目开展混凝土原材料及配合比对混凝土管片表面气泡分布情况及麻面比例的影响研究,提出了量化的表面气泡及麻面的控制措施,具有显著的意义与工程应用价值。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

1)水泥:分别采用华新水泥厂、华润水泥厂和台泥水泥厂生产的PⅡ42.5硅酸盐水泥,水泥的比表面积分别为370 m2/kg、360 m2/kg和360 m2/kg,3 d胶砂抗压强度分别为29 MPa、27 MPa和28 MPa,28 d胶砂抗压强度分别为52.3 MPa、51.5 MPa和52.1 MPa;2)粉煤灰:国家能源集团某电厂生产的Ⅰ级粉煤灰,烧失量3.2%,45 μm筛筛余5%,需水比93%;3)矿粉:广东某厂生产的S95级粒化高炉矿渣粉,7 d活性指数79%,28 d活性指数96%,流动度比98%;4)外加剂:江苏某外加剂厂生产的聚羧酸系高性能减水剂、消泡剂及引气剂,其中减水剂为聚羧酸系高性能减水剂,其含固量为30%,减水率为33%;5)砂:Ⅱ区中砂,含泥量为0.5%,细度模数2.7;6)碎石:某石场生产的5～10 mm和10～20 mm级配碎石,压碎值为9%,母岩强度112 MPa。

1.2 配合比

试验用配合比见表1。其中A1为基准配合比,A1配合比的减水剂采用基准的缓凝型聚羧酸系高性能减水剂,水泥采用台泥水泥厂生产的PⅡ42.5硅酸盐水泥,胶凝材料用量455 kg/m3,砂率36%,10～25 mm与5～10 mm碎石搭配比例为7/3。

表1 试验配合比

1.3 试验方法

1)混凝土拌合物性能试验方法参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080)进行。2)28 d抗压强度试验方法参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081)进行。3)以6片制成的混凝土管片为一组,采用游标卡尺测量气泡的最大直径,然后对最大直径为1～1.5 mm及1.5 mm以上的气泡数量进行人工统计。

2 结果与分析

根据《广州地铁集团有限公司建设事业总部盾构管片质量管理办法》的相关规定,生产管片的外观气泡及麻面情况的控制目标为:1)管片拼接面深度和长度均超过1.5 cm的气泡数量为0;2)管片单侧拼接面直径大于1.5 cm的气泡不多于8个;3)管片单侧拼接面麻面面积不超过表面积的5%。混凝土基本性能试验结果见表2,混凝土管片表面气泡及麻面比例见图1。

表2 混凝土基本性能

2.1 外加剂的影响

在确保配合比用其他大宗原材料不变的情况下,首先研究外加剂的消泡剂及引气剂复配调整措施对混凝土性能的影响。

由表2试验结果可知:1)引气剂加入后混凝土倒筒时间下降,坍落度略有增加,含气量增加,强度略有降低,但仍满足设计要求;2)消泡剂加入后混凝土倒筒时间略有增加,坍落度不变,含气量下降,强度增加;3)双掺引气剂及消泡剂后,混凝土倒筒时间最低,坍落度最大,含气量及强度略有增加。相对而言,采用双掺消泡剂及引气剂,在保证混凝土其他性能相对更优的基础上,混凝土粘度更低,更有利于气泡的排出,有利于混凝土外观质量的提升。

采用基准外加剂配制的混凝土试块表面情况见图2,调整外加剂后混凝土试块表面情况见图3,将上述调整前后的外加剂进行管片试制试验,试验结果如图4、图5所示。

由混凝土外观质量观测结果发现,在适量引气及消泡的情况下,混凝土流动性得到改善,大气泡数量降低,针孔状小气泡数量略有增加,混凝土试块总体外观质量提升。

由图1气泡及麻面分布测试结果可知:1)采用基准外加剂时混凝土1.5 cm以上气泡数量为1,1～1.5 cm气泡数量为8,混凝土管片麻面比例为5%,此时混凝土1.5 cm以上的气泡数量不满足要求,1～1.5 cm气泡数量和麻面比例满足要求;2)增加0.1 g引气剂后混凝土1.5 cm以上气泡数量为1,1～1.5 cm气泡数量增加为12,混凝土管片麻面比例降低为4%,此时混凝土1.5 cm以上的气泡数量和1～1.5 cm气泡数量不满足要求,麻面比例满足要求;3)增加0.1 g消泡剂后混凝土1.5 cm以上气泡数量为0,1～1.5 cm气泡数量为8,混凝土管片麻面比例增加为6%,此时混凝土1.5 cm以上的气泡数量和1～1.5 cm气泡数量满足要求,混凝土管片麻面比例不满足要求;4)同时增加0.1 g消泡剂和0.1 g引气剂后混凝土1.5 cm以上气泡数量为0,1～1.5 cm气泡数量为7,混凝土管片麻面比例为5%,此时混凝土1.5 cm以上的气泡数量和1～1.5 cm气泡数量满足要求,混凝土管片麻面比例也满足要求。在基准外加剂的基础上,双掺0.1 g消泡剂和0.1 g引气剂后混凝土管片外观气泡数量最小,麻面比例最低。

2.2 水泥品种的影响

由表2试验结果可知:1)掺入华润水泥后混凝土倒筒时间相对最长,含气量最低,粘度相对最大,但28 d抗压强度也相对最高;2)掺入华新水泥后混凝土坍落度最大,含气量最高,倒筒时间相对最低,粘度相对最低,但28 d抗压强度最低;3)水泥对混凝土粘度有一定的影响,但影响作用不明显。

由图1气泡及麻面分布测试结果可知:1)更换华润水泥后,混凝土1.5 cm以上气泡数量仍为1,1～1.5 cm气泡数量仍为8,混凝土管片麻面比例仍为5%,此时混凝土1.5 cm以上的气泡数量不满足要求,1～1.5 cm气泡数量和麻面比例满足要求;2)更换华新水泥后,混凝土1.5 cm以上气泡数量仍为1,1～1.5 cm气泡数量增加为9,混凝土管片麻面比例仍为5%,此时混凝土1.5 cm以上的气泡数量和1～1.5 cm气泡数量不满足要求,麻面比例满足要求。与外加剂的影响相比,水泥品种对混凝土管片外观气泡数量和麻面比例影响程度更小。

2.3 胶凝材料总量

由表2试验结果可知:1)胶凝材料总量最大时,混凝土坍落度最大,含气量最高,倒筒时间相对最低,粘度相对最低,但28 d抗压强度最低;2)胶凝材料总量最低时,混凝土坍落度最小,含气量最低,倒筒时间相对最长,粘度相对最大;3)胶凝材料总量对混凝土倒筒时间和粘度有一定的影响,随着胶凝材料总量的提高,混凝土倒筒时间降低,粘度降低。这主要与水胶比不变时,胶凝材料增加后混凝土体系浆骨比提高有关。浆骨比提高势必会导致混凝土流动性增加,骨料间的“摩擦阻力”降低,混凝土整体粘度下降,但浆骨比提高后混凝土坍落度增加,不利于掀模后混凝土形态的保持,容易导致混凝土拆模时间延长,同时胶凝材料增加后混凝土更易开裂,不利于外观质量的控制。因此,实际混凝土管片生产时需权衡各项利弊,选择合理的胶凝材料用量,相对而言,胶凝材料总量以470 kg/m3为宜。

由图1气泡及麻面分布测试结果可知:1)胶凝材料为455 kg/m3时混凝土1.5 cm以上气泡数量为1,1～1.5 cm气泡数量为8,此时混凝土1.5 cm以上的气泡数量不满足要求,1～1.5 cm气泡数量满足要求,此时混凝土管片麻面比例为5%,麻面比例满足要求;2)胶凝材料提升至470 kg/m3后混凝土1.5 cm以上气泡数量降低为0,1～1.5 cm气泡数量下降为7,混凝土管片麻面比例仍为5%,此时管片混凝土1 cm以上的气泡数量及混凝土管片麻面比例均满足要求;3)胶凝材料降低至440 kg/m3后,混凝土1.5 cm以上气泡数量略有增加,1～1.5 cm气泡数量显著增加,管片混凝土1 cm以上的气泡数量均不满足要求,但此时混凝土管片麻面比例降低至4%,麻面比例满足要求。因此,混凝土胶凝材料用量宜控制在470 kg/m3,此时,混凝土管片外观气泡数量最小,麻面比例最低。

2.4 砂率

由表2试验结果可知,随着砂率的增加,混凝土的倒筒时间逐渐增加,坍落度略有降低,含气量逐渐增加,抗压强度逐渐降低。砂率对混凝土粘度有一定的影响,随着砂率的提高,混凝土倒筒时间增加,粘度增加,这主要与其他配合比参数不变时,砂率增加后混凝土体系骨料比表面积提高有关,骨料比表面积增加后势必会导致在骨料间“润滑”及填充作用的浆体数量相对减少,进而导致混凝土流动性增加,混凝土流动时骨料间的“摩擦及嵌锁”力增大,混凝土整体粘度增加,混凝土倒筒时间增加,混凝土坍落度降低。同时因砂率增加导致混凝土粘度增加后,混凝土内气泡的稳泡效果更为明显,混凝土含气量增加,抗压强度下降,不利于外观质量的控制,因此实际混凝土管片生产时在保证混凝土和易性的基础上,应选择较低的砂率,相对而言,砂率为34%时,混凝土各项性能最优。

由图1气泡及麻面分布测试结果可知:1)砂率为36%时混凝土1.5 cm以上气泡数量为1,1～1.5 cm气泡数量为8,此时管片混凝土1.5 cm以上的气泡数量不满足要求,1～1.5 cm气泡数量满足要求,此时混凝土管片麻面比例为5%,麻面比例满足要求;2)砂率提升至38%后混凝土1.5 cm以上气泡数量增加为2,1～1.5 cm气泡数量增加为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以上的气泡数量及麻面比例不再满足要求;3)砂率降低至34%后混凝土1.5 cm以上气泡数量降低为0,1～1.5 cm气泡数量增加为9,混凝土管片麻面比例保持不变,仍为5%,砂率降低后,管片混凝土1.5 cm以上的气泡数量及麻面比例均满足要求,1～1.5 cm气泡数量不满足要求。总体而言,混凝土砂率宜选用34%。

2.5 碎石比例

由表2试验结果可知:1)粒级为10～25 mm与粒级为5～10 mm碎石的掺配比例由7/3调整至6/4后混凝土坍落度降低,含气量略有增加,倒筒时间显著增加,粘度增加,28 d抗压强度略有降低;2)粒级为10～25 mm与粒级为5～10 mm碎石的掺配比例由7/3调整至8/2后混凝土坍落度增加,含气量不变,倒筒时间下降,粘度降低,28 d抗压强度不变;3)碎石比例对混凝土粘度有一定的影响,以倒筒时间表征混凝土粘度时,随着大/小碎石比例的提高,混凝土粘度降低,这主要与其他配合比参数不变时,大/小碎石提高后混凝土体系骨料比表面积下降有关。骨料比表面积下降后势必会导致在骨料间“润滑”及填充作用的浆体数量相对增加,进而导致混凝土流动性增加,混凝土整体粘度降低,混凝土倒筒时间降低,混凝土坍落度增加。相对而言,粒级为10～25 mm与粒级为5～10 mm碎石的掺配比例为8/2时混凝土基本性能更优,其次为7/3,粒级为10～25 mm与粒级为5～10 mm碎石的掺配比例为6/4时混凝土基本性能相对最差。

由图1气泡及麻面分布测试结果可知:1)粒级为10～25 mm与粒级为5～10 mm碎石的掺配比例为7/3时混凝土1.5 cm以上气泡数量为1,1～1.5 cm气泡数量为8,此时管片混凝土1.5 cm以上的气泡数量不满足要求,1～1.5 cm气泡数量满足要求,此时混凝土管片麻面比例为5%,麻面比例满足要求;2)粒级为10～25 mm与粒级为5～10 mm碎石的掺配比例由7/3调整至6/4后混凝土1.5 cm以上气泡数量增加为2,1～1.5 cm气泡数量增加为11,混凝土管片麻面比例增加至7%,此时管片混凝土1 cm以上的气泡数量及麻面比例不满足要求;3)粒级为10～25 mm与粒级为5～10 mm碎石的掺配比例由7/3调整至8/2后混凝土1.5 cm以上气泡数量降低为0,1～1.5 cm气泡数量降低为6,混凝土管片麻面比例降低为4%,此时管片混凝土1～1.5 cm以上的气泡数量、1.5 cm以上气泡数量及麻面比例均满足要求。

总体而言,将混凝土粒级为10～25 mm与粒级为5～10 mm碎石的掺配比例控制为8/2时,混凝土气泡分布最优,麻面更少。

3 结 论

a.水泥品种对C50混凝土的拌合物性能、力学性能和混凝土管片表面气泡分布与麻面比例影响较小,不宜作为混凝土外观质量控制的主要因素。

b.混凝土外加剂复配措施对混凝土拌合物性能、力学性能和混凝土管片的气泡分布与麻面比例的影响较大,相对而言,同时增加0.1 g引气剂及0.1 g消泡剂时混凝土表面气泡最少,麻面比例更低。

c.胶凝材料用量、砂率、碎石比例对混凝土拌合物性能及力学性能有一定的影响。相对而言,C50混凝土的胶凝材料用量为470 kg/m3,砂率为34%,10～25 mm与5～10 mm碎石搭配比例为8/2时,混凝土拌合物性能及力学性能相对最优。

d.胶凝材料用量、砂率、碎石比例对混凝土管片表面气泡分布与麻面比例的影响程度由大到小为胶凝材料用量>碎石比例>砂率。相对而言,C50混凝土的胶凝材料用量为470 kg/m3,砂率为34%,10～25 mm与5～10 mm碎石搭配比例为8/2时,混凝土表面1 cm以上气泡最少,麻面比例最低。