（材料学专业论文）武汉长江隧道c50管片混凝土的设计与制备.pdf

摘要 在盾构隧道中，管片是最重要和最关键的结构构件，若干预制管片或 砌块拼装而成隧道衬砌结构体，管片必须满足工程结构所要求的的物理力 学性能和耐久性。因此，管片性能的优劣对盾构隧道工程质量和服役寿命 具有决定性的影响。 本文依托武汉市科技攻关项目和武汉长江隧道工程，针对c 5 0 管片混 凝土的设计要求，选择适宜的原材料，通过密实骨架堆积方法确定了c 5 0 高性能管片混凝土配合比。 系统研究了蒸养制度各个关键因素对于c 5 0 管片混凝土的物理力学性 能的影响，并就各个蒸养过程中关键因素的取值范围作了讨论，提出了建 议性蒸养制度；系统研究蒸养制度各个关键因素对于c 5 0 管片混凝土的长 期体积稳定性能的影响，包括收缩和徐变的影响，并提出了蒸养环境下， c 5 0 管片混凝土的内部湿度与自收缩之间的关系式。系统研究蒸养制度各 个关键因素对于c 5 0 管片混凝土的抗氯离子扩散性能的影响，并采用灰色 关联分析方法对混凝土的氯离子扩散系数与其关联因子进行灰色关联分 析，找出影响混凝土抗氯离子渗透性的主要因素。 通过x r d 、s e m 和孔结构等微观测试手段研究了蒸养c 5 0 商性能管 片混凝土的微观结构形成过程与孔结构分布规律，探明了蒸养制度对c 5 0 高性能管片混凝土的相组成、结构及其耐久性的影响。 本方案应用于武汉市长江隧道管片生产中，制备的c 5 0 混凝土管片己 应用于武汉市长江隧道，管片外观圆滑平整，气泡少。无缺棱掉角现象， 经现场拼装质量完全达到设计要求。在2 8 0 t 最大推力作用下管片没有出现 裂缝，表明管片质量过硬。 关键字：管片混凝土隧道蒸养制度收缩耐久性 a b s t r a c t i nt h es h i e l d - d r i v e nt u n n e l ，s e g m e n ti st h em o s ti m p o r t a n ta n dp i v o t a l c o n s t r u c t i o nm e m b e r s e v e r a l p r e c a s ts e g m e n t s a n db u i l d i n gb l o c k sa r e a s s e m b l e dt ot h et u n n e ll i n i n gs t r u c t u r e ，t h es e g m e n tm u s ts a t i s f ys t r e n g t ha n d s t i f f n e s sr e q u i r e m e n t so fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sa n ds a f e t yq u a l i t yi n d i c a t o ro f e n g i n e e r i n g ，p e r f o r m a n c eo fs e g m e n ti sd e c i s i v ef o rt h es h i e l dt u n n e l i n go f q u a l i t ya n ds e r v i c el i f e t h ep a p e rr e l y so nw u h a ns c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lr e s e a r c hp r o j e c t a n dt h ew u h a ny a n g t z er i v e rt u n n e lp r o j e c t ，s e l e c ta p p r o p r i a t em a t e r i a l s b a s e do nc 5 0h i g h p e r f o r m a n c e s e g m e n tc o n c r e t e ，d e t e r m i n e t h ec 5 0 h i g h p e r f o r m a n c es e g m e n tc o n c r e t em i x i n gp r o p o r l i o nb yd e n s em a t r i x a c c u m u l a t i o nm e t h o d b a s e dt h ea b o v em i x i n gp r o p o r t i o n ，t h ep a p e rs y s t e m a t i cs t u d yt h e i n f l u e n c eo fs t e a m s y s t e mk e yf a c t o r so nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fc 5 0h i g h p e r f o r m a n c es e g m e n tc o n c r e t e ，d i s c u s so ft h ek e y f a c t o r s r a n g e ，m a d es u g g e s t e ds t e a mc u r i n gs y s t e m t h e i n f l u e n c eo f s t e a m - s y s t e mk e yf a c t o r s0 nt h el o n g - t e r mv o l u m es t a b i l i t y ，i n c l u d i n g s h r i n k a g ea n dc r e e p ，o fc 5 0h i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t ei ss y s t e m a t i cs t u d i e d a n dt h e c o m p r i s o ne x p r e s s i o n b e t w e e nt h ei n t e r n a l h u m i d i t y a n d s e l f - c o n t r a c t i o no fc 5 0h i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t ei se s t a b l i s h e di nt h es t e a m e n v i r o n m e n t t h ep a p e rs y s t e m a t i cs t u d yt h ei n f l u e n c eo fs t e a m s y s t e mk e y f a c t o r so nt h er e s i s t a n c et oc h l o r i d ei o nd i f f u s i o np r o p e r t i e so fc 5 0 h i g h p e r f o r m a n c es e g m e n tc o n c r e t e ，a n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h l o r i d e i o nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n da s s o c i a t e df a c t o rb yg r a yr e l a t i o n a la n a l y s i s m e t h o d ，i d e n t i f yt h em a i ni m p a c tf a c t o r so fc o n c r e t er e s i s t a n c et oc h l o r i d ei o n p e r m e a b i l i t y t os t u d yt h em i c r o s t r u c t u r ef o r m a t i o np r o c e s sa n dt h ed i s t r i b u t i o no f p o r es t r u c t u r eo fc 5 0h i g h p e r f o r m a n e es e g m e n tc o n c r e t e ，t of i n do u tt h e i n f l u e n c er e g u l a rp a t t e r no ft h ec o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r ea n dd u r a b i l i t yo fc 5 0 h i g h - p e r f o r m a n c es e g m e n tc o n c r e t e t h ep r o g r a mi su s e di ns e g m e n tp r o d u c t i o no fw u h a ny a n g t z er i v e r t u n n e l t h ep r o d u c t i o ns e g m e n th a sb e e nu s e di nw u h a ny a n g t z er i v e r t u n n e l s e g m e n ta p p e a r a n c et a c t f u lf o r m a t i o n ，c o n s i s t e n tc o l o r , s m a l lb u b b l e s ， t h es e g m e n ta s s e m b l e dt om e e tt h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n ，n oc r a c k a p p e a ru n d e rt h el a r g e s t2 8 0 tp r e s s u r e ，p r o v e dg o o dq u a l i t y k e y w o r d s ：s e g m e n t c o n c r e t e ，t u n n e l ，s t e a m - s y s t e m ，s h r i n k a g e ，d u r a b i l i t y i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的 成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构学位证 书而使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：! 鎏逛日期：2 塑z 乏笸 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的 规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查 阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：崤赴 导师签名：蜇丑：叠日期：塑l 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 前言 第1 章绪论 随着中国城镇化进程的加快，城市人口必然越来越多，而地上空间资源却 日渐减少。为缓解城市发展的迫切需要，对城市地下空间的大规模开发已成必 然趋势。2 l 世纪是地下空间开发时代，在未来数十年中，我国越江跨海隧道和 城市轨道交通将进行大规模建设，以2 0 0 4 年为例，我国大型隧道工程总投资达 1 0 0 0 亿元以上。盾构法施工的隧道已有一百多年的历史，目前盾构法施工己成 为城市软土地层中修建地下隧道、管道工程主要方法。在盾构隧道中，管片是 最重要和最关键的结构构件，若干预制管片或砌块拼装而成隧道衬砌结构体， 管片必须满足工程结构的强度和刚度要求，满足工程所提出的安全质量指标要 求，管片性能的优劣对盾构隧道工程质量和服役寿命具有决定性的影响。盾构 隧道中管片费用占整个隧道工程造价的5 1 0 左右，其中主要是管片的材 料费用与制造费用。然而，目前国内外缺乏成熟的隧道管片设计和生产规范与 标准，管片寿命存在不确定性，值得特别注意的是，我国在隧道衬砌管片的研 究上与国外有着巨大的差距，国内现有的隧道管片材料与组构耐久性差，难以 满足高抗渗、长寿命要求。大型越江跨海隧道项目的投资巨大，一旦由于隧道 衬砌管片破坏导致工程耐久性降低乃至过早破坏，将给我国造成巨大的损失。 因此提高管片使用寿命有利于提高盾构隧道的服役寿命，符合经济刻持续发展 战略需求。 1 1 2 蒸养管片混凝土的发展 据报道，在我国被调查的混凝土预制构件生产厂家，7 0 以上为了提高生 产率，将刚成型的混凝土构件立即进行加速硬化工艺t “，管片作为大型预制构 件，同样存在加快模具周转，提高生产效率的问题，混凝土加速硬化工艺的措 施有很多，按加速硬化作用的实质可分为热养护法、化学促凝法及机械作用法。 热养护法是利用外界热源加热混凝土而加速水泥水化反应的方法，热养护又分 为湿热法、干热法和干一湿热法。 加速养护方法很多，以下是常见几种实验室和工程上常使用的程序( a s t m c 6 8 4 规科2 1 、黄兆龙【州) ： 武汉理工大学硕士学位论文 1 温水养护法( w a r m w a t e rm e t h o d ) ： 标准试件在浇筑后即放于3 5 士3 的温水中养护2 4 小时，且养护期间之水 温差不能超过3 ；之后再量测其强度，并与常温养护的试件做比较，在1 9 7 0 年代中期，u s c o r p so f e n g i n e e r s 有广泛的研究。 2 沸水养护法( b o i l i n g w a t e rm e t h o d ) ： 此法先将浇筑后的混凝土试件在恒温恒湿室养护2 4 小时，然后放入1 0 0 的水中煮3 5 小时+ 5 m i n ，取出后在室温下经l 小时的冷却，再量测其强度。 3 自生养护法( a u t o g e n o u sm e t h o d ) ： 将浇筑后的混凝土试件立即放入温度为2 1 士6 c 自生容器中之塑料袋内，养 护4 8 小时士1 5 m i n ( 从混凝土试件开始浇筑算起) ，取出后在室温下放置3 0 分 钟，再量测其混凝土强度。 4 高温高压蒸汽养护法( h i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r em e t h o d ) ： 蒸汽养护又分为常压及高压两种，一般而言，常压蒸汽养护用于封闭式结 构或大型的预铸混凝土单元，如桥梁施工等；高压蒸汽养护则用于小型的制造 单元，高压蒸汽养护之养护时间为5 小时士5 m i n ，前3 小时之养护温度必须保 持最高温度1 4 9 士3 ，但整个养护期间的压力则需维持1 0 3 4 - 0 2 m p a 。 目前国内大部分混凝土管片都采用常压湿热养护即蒸汽养护，利用蒸汽的 热湿作用来加热混凝土并加速混凝土的硬化过程，提高混凝土早期强度，使管 片混凝土迅速达到起吊脱模强度，加快模具周转，提高管片生产效率。但是蒸 汽养护在提高了混凝土早期硬化速度的前提下，也会对混凝土产生一定的负面 影响h j 。m e h t a p 等人调查了旧金山湾s a n m a t e o 桥受腐蚀的梁体，该梁体混凝 土每m 3 水泥用量为3 7 0 k g ，部分梁采用蒸汽养护，部分梁采用自然养护。在经 过1 7 年的暴露后，采用蒸汽养护的梁不得不进行修补，而自然养护的梁还没有 出现任何腐蚀的迹象。d e t w i l e r 等人1 6 4 】的研究表明：在较高温度下养护波特兰 水泥混凝上，会降低其对氯离子渗透的抵抗力，这是由于水泥浆中孔结构变粗 的缘故；降低水灰比并不能有效地改善蒸养混凝上的耐久性能，而采用矿渣、 硅灰等矿物掺合料可有效解决这一问题。 s o r o k a 9 的研究结果表明，混凝土浇筑成型放置3 0 6 0 m i n 后进行的蒸养 对混凝土的抗压强度是不利的。s h i d e l e r 和c h a m b e r l i n t i o 】的研究结果表明，混 凝土浇筑成型放置2 6 h 后进行的蒸养，依靠高温，生产的1 5 4 0 的混凝土 产品在2 4 h 时的强度比混凝土构件成型后立即进行蒸养的产品的强度要高。 h a n s o n 【i l j 通过试验证明当蒸养前的前置时间从l h 增加到5 h 时，所有龄期混凝 土构件的抗压强度都有增加。然而，在蒸养前只有1 h 前置时间时，被蒸养过的 所有试件上都出现了水平裂缝。 2 武汉理工大学硕士学位论文 m i r o n o v b 2 1 认为确定前置时间的前提条件是蒸养的工序不应该使混凝土构 件产生体积膨胀。并且认为将混凝土构件的抗压强度达到o 6 5 o 7 5 m p a 时所 需要的时间作为蒸养前的前置时问。a l e x a n d e r s o n t 3 】的研究表明当静养时间为 4 7 h 时，可忽略由于蒸养产生的体积膨胀，并且后期强度发展没有损失。根 据a l e x a n d e r s o n t ”j 的观点，由于短的前置时间引起混凝土试件质量下降是因为 混凝土内部孔压力产生的拉应力引起构件开裂和孔隙率增大。因此，他认为混 凝土构件在进行蒸养工序前应达到一个临界的抗拉强度。但是在混凝土强度发 展的后期进行蒸养对混凝土的性能也是不利的。h e i n z 和l u d w i g b 4 报道了后继 钙矾石形成( d e l a y e de t t r i n g i t ef o r m a t i 0 1 1 ，简称d e f ) 对高温( 7 5 ) 蒸养 混凝土预制件后期强度衰退的不利影响。通过常温雾养后在强度发展后期用蒸 汽养护，混凝土中有后继的膨胀发生。这是由于亚稳态的单硫型水化硫酸盐向 钙矾石转化的结果【l 卯。在这种条件下，混凝土可能表现出不正常的膨胀和产生 相连的微裂缝，长期作用下去，可能导致构件破坏【l “。 我国混凝土构件生产实践表明：当采用不当的蒸汽养护制度时，由于水泥 用量高，水化热大，蒸汽养护混凝土中会产生很大的热膨胀和干燥收缩，严重 影响混凝土构件质量。普通水泥混凝土在蒸汽养护条件下硬化，生成较多的氢 氧化钙结晶，因而导致后期耐久强度发展不良，导致混凝土使用寿命缩短，维 护费用增加，混凝土性能劣化。近年来，标养和自然养护条件下高性能混凝土 的试验研究国内外已进行较多，但关于蒸养高性能混凝土的研究较少。 1 2 混凝土蒸汽养护的研究 1 2 1 蒸汽养护流程 蒸汽养护流程如图1 1 t ”】所示，根据a c ic o m m i t t e e5 1 7 1 3 j s 所陈述常压蒸 汽养护之建议，文中提出蒸汽养护过程可分成下列四个阶段：混凝土浇筑完成 后至混凝土初凝初始硬化阶段之前置时期，然后锅炉开始增温，将混凝土温度 予以控制之速率上升至所需最高温度之升温时期，待混凝土及周围温度维持在 一定温度下，此为恒温时期或高温时期，当蒸汽养护达某一时间后，锅炉即可 降温至大气温度，此阶段即为降温时期或冷却时期。现将各阶段分述如下： 根据a c ic o m m i t t e e5 1 7 t s j o 所陈述常压蒸汽养护之建议，文中提出蒸汽养 护过程可分成下列四个阶段：混凝土浇筑完成后至混凝土初凝初始硬化阶段称 为静养期，然后锅炉开始增温，将混凝土温度以一速率上升至所需最高温度称 为升温时期，待混凝土及周围温度维持在一定温度下，称为为恒温时期或高温 3 武汉理工大学硕士学位论文 时期，当蒸汽养护达某一时间后，锅炉即可降温至大气温度，此阶段即为降温 时期或冷却时期。将各阶段分述如下： 图i - 1 养护温度控制阶段流程图 1 前置期： 前置期为混凝土配料拌合后至初凝( i n i t i a ls e t ) 完成之时间，于此段期间， 水泥水化反应开始，混凝土初始硬化，并提供混凝土于蒸汽中之稳定性，此段 时间为蒸汽养护效果，具决定性的影响，混凝土初凝时间加以决定，即在接近 初凝时间，开始养护流程，不但有最佳早期强度，也有着经济效益，节约能源 之最佳结果。 2 升温期： 在前置期之后，为蒸汽养护的开始阶段，在升温段中，使蒸汽之温度以一 控制之速率增加至所需要到达的温度为止，为避免混凝土因受高温造成体积变 化太大而受损，预制混凝土制品升温速率范围在1 1 。c h 一3 3 c h 较佳，在质量 或施工经济考虑方面都有较佳效果，而对于混凝土早期或晚期强度几乎没有影 晌；由普通及早强水泥的实验显示，其混凝土早期强度差别亦很小。在经济及 质量许可之下，尽可能选择较低的升温速率，以确保混凝土长期耐久性及晚期 强度。 3 恒温期： 于此阶段，饱和蒸汽始终维持在所要求的最高温度，而使混凝土的强度增 加至所要求的程度。混凝土于养护过程中获得大部份强度的阶段在此阶段，而 较高的养护温度需要较长的前置时间，以避免混凝土因体积的变化太大而遭受 损害。蒸汽养护虽然提高了早期的强度，但晚期强度会相对的降低。较高的养 4 武汉理工大学硕士学位论文 护温度只需要较短的养护时间即可达到相同的强度。 4 降温期： 降温过程中，温度应以不超过2 0 瓜的速率慢馒减少，直到较外界大气温 度高约1 0 时为止；相关研究显示，快速冷却很少影响混凝土强度，但快速冷 却在较厚且尺寸大混凝土单元之表面层会形成裂缝，因此以采用较低冷却速率， 避免使混凝土结构面形成裂缝。 1 2 2 蒸养混凝土硬化的物理化学过程 1 2 2 1 水泥水化产物的组成 1 0 m 布特、n 布特尼柯夫、t m 别尔科维奇、h b 克拉夫钦科、m m 马扬茨、1 0 c 马里宁、c a 米洛诺夫、b h 季马绍夫、 l 泰勒、c z 克劳塞克、 r 纽塞尔及其他许多科学家开展了大量关于在5 0 1 0 0 常压蒸汽养护条件 下水泥水化的研究。在这些科学家中，前苏联科学家占主要部分。 i o m 布特、n n 布特尼柯夫、m m 马扬茨、i o c 马里宁的研究表明，在 5 0 9 0 之间的不同养护制度下，c 3 s 和c 2 s 水化生成了碱度为1 7 2 的水 化硅酸盐相。而且，在5 0 时还曾发现c s 比值较高的不稳定相，它的强度低 于其他水化硅酸盐相。根据资料显示 2 0 1 ，水化硅酸钙的碱度，会随着硬化温度 的升高而降低。 a 格鲁杰莫和h 泰勃发现【2 0 2 ”，水泥石在5 0 1 0 0 的水化过程中将会 生成低碱度的水化硅酸钙c s h ( i ) 凝胶，r 伊顿认为【2 2 】，在5 0 c 1 0 0 c 时生成 的水化硅酸钙凝胶的特点是c s 比值较高，并含有较多的铝、铁、硫的离子。 l o m 布特、b b 柯尔巴索夫和b h 季马绍夫指出【2 引，虽然c 3 s 和c 2 s 水 化时，因为温度决定着胶材的溶解度、液相的过饱和程度及固相反应的特征等， 所以生成不同水化硅酸钙取决于不同的温度。水化硅酸钙的组成在2 0 1 0 0 的温度区间内的变化并不显著。i 奥德勒的资料显示1 2 4 j ，只有a l i t e 的水化程 度，影响水化硅酸钙碱度，其水化程度在5 c 5 0 c 的区问内是与硬化温度无 关的。水化程度为1 0 时，生成c s = 3 的水化硅酸钙。在以后的快速水化期内， 形成c s 爿1 5 的水化硅酸钙，而后又转变为c s 之1 的水化硅酸钙。 c 3 a 在水化时，生成六方晶系的c , a h l 9 【2 3 1 ，在湿度较低时转变为结晶水 较少的水亿铝酸钙，一直交到c 砖h 7 ，由该化合物的特性所决定这个过程为可 逆过程。在较高的养护温度下，该化合物会随着时间转变为强度较低的c 3 a h 6 稳定立方晶体。c 4 a f 的水化与c 3 a 类似。此时，f e 2 0 3 的存在保证了c 3 a h 6 六方晶体在高温下的稳定性。 5 武汉理工大学硕士学位论文 总结水泥在蒸汽养护下水泥水化产物的组成的现有资料，可以认为在标准 温度下硬化和高温常压蒸汽养护条件下生成的新生物之间是没有本质区别的。 换句话说，高温只是加快了水泥水化的速度，水泥水化的本质并没有变化( 当温 度升至8 0 时，水泥水化的速度比在2 0 时增加5 倍；当温度升至1 0 0 时， 水泥水化的速度比2 0 时增加9 倍) 。波特兰水泥在2 0 1 0 0 温度区间内水 化时的主要生成物是c s h 弱结晶水化硅酸钙，其组成为c s h ( d 、c s h ( i i ) 、 c a ( o h ) 2 以及c a c 0 3 ，同时生成少量c 3 s h 2 和c 2 s h ( a ) 和其他以亚稳态形式存 在的水化硅酸钙。铝酸盐和铁铝酸盐水化时，生成的则是钙钒石、c 3 a h 6 和 c 4 a h l l 1 9 。 1 2 2 2 水泥水化产物的结构 近藤和大门的研究表o r 2 5 1 ，硅酸三钙水化时，生成了两种类型相近的水化 硅酸盐，即经溶液生成的“外生”水化硅酸钙，和由局部化学而生成的“内生” 水化硅酸钙。在电子显微镜下观察时，这些水化硅酸钙具有不同的结构：外生 水化硅酸钙的结构呈松散的箔片和纤维状，内生水化硅酸钙则具有微晶结构。 李哈茨w 和劳海尔p w 提出 2 6 1 ，水化硅酸钙的纤维，随其生成时期的不 同，具有不同的尺寸。水化的早期阶段( 一天以内) 生成的尺寸较大，在后期继 续硬化时生成的尺寸较小。因此，强度之所以随时间而增长，不仅是由于密度 提高，更多的是因为连接点的增多。按照g 威尔别克和r 海尔谬特的观点，对 水泥硬化的任何一种加速措施，如提高温度、磨细胶结材、掺用化学促硬剂等 等，都会使得生成的纤维状晶体更粗短，因而早期强度较高，而由于连接点的 减少，使得试件后期强度偏低。c a 米罗诺夫研究混凝土在低、负温时的水化 时发现，在一定的低负温条件下，混凝土仍可以继续水化，且转为标准养护以 后的后期强度要高于一直处在标养状态下的混凝土。其原因也可以用生成细长 形状的水化硅酸钙纤维来解释。 g 威尔别克和r 海尔缪特认为 2 7 1 ，蒸汽养护水泥石强度较低的原因是水化 产物的浓度不均匀。水化产物由于迅速生成，而来不及在颗粒之间的空间中分 散开来，因而就大量聚集在未水化的颗粒周围。c 留德维克和s 卞斯1 9 5 6 年的 研究表明，水泥石的强度在很大程度上和新生物的分散度有关。例如，养护温 度由2 7 升至1 6 0 ，新生物的比表面积减少好几倍。 a b 沃尔任斯基及其助手们认为【2 s 】，高温养护时生成较粗的、结晶较好的 新生物，其胶结性能较低。在这种情况下，提高水泥的水化程度，不一定就能 补偿新生物的结构粗化对强度的不利影响。他们确认，新生物的容积浓度相同 6 武汉理工大学硕士学位论文 时，湿热养护水泥石的强度偏低。所以，不能单纯的用水化程度和新生物容积 浓度推测水泥石强度。在水化程度及新生物的容积浓度一样的条件下，水泥石 的强度将依赖于新生物的分散度。因为新生物的分散度决定着连接点的数量和 强度。 在此方面进行过大量研究的还有x c 马麦多夫、h b 别洛夫、d 贝尔纳、 h 泰勒和a 格鲁杰莫。根据他们得研究成果可以得知，在蒸汽养护条件下，水 泥水化生成的水化硅酸钙，随着其组成和结晶程度的不同，可能具有互相交错、 极为细小的纤维状、卷起的箔片状、规整和不规整的薄平板状等形状。凝胶的 比表面积，随着标准条件下硬化时间的增加而减少。当热养护的温度升高，同 时热养护的时间增加时，由于生成了较大的颗粒，凝胶的比表面积也随之减小。 温度为6 0 9 0 时，蒸养水泥石的比表面比标准养护的比表面减少2 0 4 0 ，同时随着恒温养护温度的增高而减少【2 9 】。 1 2 2 3 水泥水化速度和水化程度 混凝土在蒸汽养护时，随着温度的升高，被加速的主要是相变过程的动力 学，以及相变的顺序和完全程度。温度的升高使水泥硬化的潜伏期缩短，水泥 水化被加速。但水泥水化的总放热量与硬化的温度无关，只和水化的程度成正 比，布特和查理帕耶夫的资料显示，混凝土在温度为2 0 9 5 时的水化过程 活化能是一个常数【2 2 刀】。 关于硅酸盐水泥水化的过程，相关文献己有过详尽的论述。在这里我们更 关心的是在蒸汽养护时硅酸盐水泥的水化与标准状态下有什么不同。曾有学者 认为f 2 3 2 7 】与较低温度相比较，蒸汽养护时，在未完全水化颗粒周围形成的屏蔽膜 更为密实，而且不易渗透。其结果使得决定硬化后期化学反应速度和深度的内 传质和内扩散过程恶化，水泥水化程度减小，因丽使得蒸养后，水泥的后期强 度低于标准状况下的强度。 1 2 2 4 水泥石的孔结构 硬化水泥浆体由水化物、未水化颗粒、水和毛细孔组成。水泥浆体是一种 极复杂的非均质的多相体，而且对于固定的原始组成，硬化水泥浆体微结构也 是随时间而变化的。水泥的水化物中主要包含钙硅比不定的、远程无序的硅酸 钙水化物( 水化硅酸钙c s h ) 和c a ( o h ) 2 、铝铁相水化物等结晶相。充分水化的 水泥浆体组成是：c s h 约占7 0 ，c “o h ) 2 约占2 0 ，钙矾石和单硫酸盐的 7 武汉理工大学硕士学位论文 水化硫铝酸盐等共约占7 ，未水化熟料的残留物和其他3 。其中最大量的 c s h 是一种比表面积很大的多孔物质，含有凝胶孔。 在对混凝土进行蒸汽养护之后，由于气体膨胀的作用，混凝土总的孔隙率 会变大，同时不同尺寸的孔和毛细管之间的数量也将发生变化。a e 谢伊金和 h n 奥列尼科娃的研究表明【2 0 j ，热养护水泥砂浆的总孔隙率比标准养护的帽同 配比的砂浆的总孔隙率大8 1 5 左右。j i a 马里宁娜的研究表明【3 0 】，混凝土 的孔隙率在同样的配合比条件下，由于养护制度，加热条件等因素的影响，可 能会有很大的变化。 在蒸养条件下由于气体受热膨胀，孔隙率一般要大于不蒸养的混凝土蒸 养的温度越高，孔隙率越大。带模养护有助于降低混凝土的孔隙率。此处的孔 隙率研究的方法一般采用气体吸附法( b e t 法) 和压汞法( m i p 法) ，测定的范围为 2 n m 7 5 0 0 n m 的孔。引气剂引入的气泡半径一般为2 0 1 t m 1 0 0 0 1 a m ，用传统的 测试方法很难测定其孔结构。 1 3 本文研究的内容 ( 1 ) 通过比较分析优选制备c 5 0 管片混凝土的原材料，通过正交设计方 法和密实骨架堆积方法对c 5 0 管片混凝土配合比进行优化设计； ( 2 ) 研究蒸养制度的各个关键参数( 静养时间、恒温时间、恒温温度) 对 于高性能隧道管片混凝土的物理力学性能、体积稳定性能和长期耐久性能的影 响规律； ( 3 ) 采用x r d 、s e m 等现代测试技术研究c 5 0 管片混凝土在不同蒸养制 度下的水化产物的结构形态变化、水泥与骨料界面的物相和组成，采用压汞法 研究混凝体内部孔结构，从微观角度来研究揭示蒸养制度对于高性能隧道管片 混凝土的物理力学性能、体积稳定性和长期耐久性能的影响规律。 1 4 本课题的研究目的与意义 武汉长江隧道工程是我国江河流域隧道主流建设模式的典型代表，由于其 面临复杂条件、高压富水的世界性难题，对管片的防水、抗渗等性能要求极高 ( 强度达到c 5 0 、抗渗等级达到s 1 2 、使用寿命达1 0 0 年以上) ，且施工技术难 度也大。武汉长江隧道工程对管片性能要求之高在国内外同类隧道工程中均位 居前列。 本项目依托武汉科技攻关项目和武汉长江隧道工程，进行c 5 0 混凝土管片 8 武汉理工大学硕士学位论文 的材料系统设计与制备的研究，为建设长寿命的、优质的武汉长江隧道工程提 供关键材料与技术支撑，具有重要的理论价值和实践意义。另一方面通过研究 蒸养制度对于混凝土性能的影响规律，总结出一套优化的适合管片生产的蒸券 制度和生产工艺，为c 5 0 混凝土管片的生产提供技术保障。通过研究，可以提 高我国高性能盾构管片材料的设计和生产水平，将能大幅提高我国重大交通隧 道工程服役寿命、增长投资效益，对我国国民经济的可持续发展将产生深远的 意义。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章c 5 0 管片混凝的配合比优化 目前隧道施工中大量采用预制盾构管片作为衬砌，随着对管片寿命和隧道 寿命的更高要求，c 5 0 管片混凝必须使用高性能混凝士才能满足各种设计和 施工要求。这些基本要求是：抗压强度设计等级为达到c 5 0 左右，要求早强， 即在蒸汽养护条件下满足1 2 h 一次模具周转；水胶比不大于o 3 5 ，混凝土坍 落度3 0 m m 7 0 m m ，易于浇注和振捣；构件几何尺寸偏差要求高，几何尺寸 偏差要求小于l m m ；构件外观质量要求高，基本上要求达到清水混凝土的 标准，即要求棱角完整无磕碰、外观光亮、颜色均匀一致、表面致密气泡少； 由于采用振捣工艺，混凝土必须有良好的触变性，不分层离析和泌水：体 积稳定性好，无裂缝；耐久性要求高，在耐久性指标上明确提出了1 0 0 年耐 久性的设计要求。对混凝土抗渗性有特殊要求，氯离子扩散系数小于1 5 1 0 ”， 并耐腐蚀要求；低碱集科反应性等。为了满足以上要求，必须使用性能优良 的高效减水剂和和高质量水泥、砂、石、掺和料等原材料，严格控制混凝土单 方含碱量。本章参考大量文献，并根据实际试验中的结桑，就隧道管片高性能 混凝土原材料优选以及配合比设计进行了研究。 2 1 原材料的优选 2 1 1 水泥 混凝土裂缝是影响结构耐久性的重要因素。当混凝土发生破坏时，常常归 因于养护、集料、掺合料或者质量控制，却很少考虑水泥的影响。这可能是因 为同一类型的水泥一星通过了标准试验就认为它们是一样的。然而事实上，不 同厂家生产的同类型的水泥，在抵抗混凝土开裂的能力方面有很大的差异。 因此，高性能混凝土必须重视对水泥的选择。配制不易开裂的管片混凝土应重 点考察以下几个方面：( 1 ) 水泥早期强度高，并适合蒸汽养护，要求在低温蒸 养条件下( 6 0 c 以下) 盾构管片脱模强度 2 0 m p a 。根据经验，应选择强度等级 不低于4 2 5 m p a 的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。( 2 ) 为避免发生碱集料反应， 水泥的碱含量应严格控制在o 6 以下。( 3 ) 从经济性和耐久性两方面考虑，应 选择与高效减水剂适应佳好的水泥。 本文选择武汉常用的三种普通硅酸盐水泥，强度等级为4 2 5 ( 甲、乙、丙) 进行对比试验。其中混凝土脱模强度采用和相同的混凝土配合比( 相同胶凝材 l o 武汉理工大学硕士学位论文 料、相同水胶比、相同砂率) 进行，试验结果见表2 1 。与外加剂的适应性试 验采用萘系高效减水剂，试验结果见表2 2 。 表2 1 混凝土脱模强度试验结果 外加剂掺量 净浆流动度 0 8 5 2 1 0 ，2 2 0 o 8 5 2 1 5 ，2 1 5 0 8 2 2 0 ，2 2 0 混凝土工作性评定良优优 通过表2 1 和表2 2 试验结果可以看出：( 1 ) 三种水泥均属低碱含量水泥， 以丙的碱含量最低。( 2 ) 混凝土脱摸强度：丙最高，乙中等，甲最低。( 3 ) 与 外加剂适应性：在水泥净浆流动度基本相同的情况下考察外加剂掺量：甲 乙 丙，说明丙与高效减水剂的适应性最好。 综合以上试验结果，丙最适合配制管片高性能混凝土。 2 1 2 砂 为了配制出满足要求的的高性能管片混凝土。需要对细集料的各项性能指 标加以控制，根据g b t1 4 6 8 4 - 之o o l 建筑用砂标准，具体控制指标如表2 3 。 表2 - 3 细集料控制标准 根据g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 建筑用砂标准，对本试验所采用的巴河砂进行了各 项性能检测，具体检测结果如表2 - 4 。 表2 4 细集料检测结果 有上表可以看出，所选砂的各项指标皆满足g b t1 4 6 8 4 - - - 2 0 0 1 要求，根 据a s t mc 1 2 6 0 9 4 | 3 1 1 对细集料进行碱活性试验，由所选细集料制备的试件无裂 武汉理工大学硕士学位论文 缝、酥裂、胶体外溢等现象，在规定的试验龄期膨胀率小于0 1 0 ，证明所选 细集料为低碱活性。 2 1 3 石 根据g b t 1 4 6 8 5 - - 2 0 0 1 建筑用卵石、碎石标准对所选用碎石的各项性能的 控制指标应如表2 5 所示。 表2 5 碎石控制标准 不- 对所选用的粗集料进行全面的性能指标的检测具体检测数据如表2 - 6 所 表2 - 6 碎石检测结果 有上表可以看出，所用碎石各项指标满足g b t 1 4 6 8 5 - - 2 0 0 1 要求，根据 a s t mc 1 2 6 0 - 9 4 ，对碎石进行集料碱活性检验，由碎石制各的试件无裂缝、酥 裂、胶体钋溢等现象，在规定的试验龄期膨胀率小于o 1 0 ，证明所选租集料 为低碱活性。 由检测结果可以看出，所选用的碎石满足试验要求 2 1 4 掺合料 掺合料是高性能混凝土不可缺少的组分之一，常用的掺合料有磨细矿渣、 粉煤灰等。众多试验研究结果表明，粉煤灰、磨细矿渣可以降低混凝土的水化 熟和绝对温度，减少混凝土由于蒸养带来的裂纹数量列，改善混凝土的和易性、 提高混凝土的耐久性，尤其是耐腐蚀性可得到较大幅度的提高，而且蒸养适应 性都比较好【3 3 1 。因此本试验采用i 级粉煤灰和磨细矿渣作为配制高性能管片混 凝土的掺合料。 2 1 5 夕f 、加剂 混凝土减水剂要满足低水胶比下流动性及其保持能力，减水率一定要大( 一 般在2 0 以上) ，且坍落度的经时损失要较小，这就要选用高性能高效减水剂。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 目前管片常用的高效减水剂主要有两类：第一类是萘系高效减水剂，第二类是 聚羧酸系高效减水剂。使用这两类高效减水剂配制的管片混凝土，在新拌混凝 土工作性、强度稳定性、管片外观质量以及耐久性方面有较大区别。典型外加 剂产品性能见表2 7 。 表2 7 高效减水剂性能 和水泥适应性好坏是选择外加剂的一个重要标准。本文采用水泥净浆流动 度的方法检测外加剂与水泥的适应性。水泥采用与外加剂适应性较好的丙种水 泥。水泥用量3 0 0 9 ，固定用水量8 7 9 。试验结果见表2 - 8 。 表2 - 8 水泥净浆流动度试验结果 根据以上水泥净浆试验结果，比较三种减水剂减水率，国外聚羧酸盐系 花王萘系 国内萘系。国内萘系高效减水剂用量为o 7 1 o ( 折固) ，花王 萘系减水剂掺量为o 4 5 0 5 5 ( 折固) ，国外聚羧酸系高效减水剂掺量为 0 1 0 o 1 5 ( 折固) 。 聚羧酸系高效减水剂的减水性能明显好于其它两类产品，但价格也明显高 于其它两类产品。综合考虑减水剂品质、与水泥适应性试验结果以及单方外加 剂价格，确定使用花王萘系高效减水剂进行混凝土试配和管片制作。 2 2 原材料的确定 根据上述对原材料的优选，选择了以下原材料作为本文实验研究的原材料。 ( 1 ) 水泥 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 亚东牌4 2 5 r 普通硅酸盐水泥，其化学成分和力学性能指标分别见表2 - 9 。 表2 - 9 原材料的化学组成和物理性能 ( 2 ) 粉煤灰 武汉阳逻电厂生产i 级粉煤灰，密度为2 3 8 9 e r a 3 ，比表面积为5 7 0 m 2 k g ， 烧失量3 6 ，细度( 4 5t tm ) ，筛余8 7 ，s 0 3 含量1 8 ，含碱量0 7 ，需水 量比9 2 ； ( 3 ) 矿粉 武钢绿色冶金渣公司生产的磨细矿粉，比表面积4 4 0 m 2 k g ，密度2 8 9 c m 3 ； ( 4 ) 细集料 湖北浠水巴河河砂，细度模数2 6 ，堆积密度1 5 3 5 k g m 3 ( 5 ) 粗集料 5 2 5m m 连续级配，含泥量o 2 ，密度2 6 5g c m 3 ，压碎值为6 2 ( 6 ) 减水剂 选用高减水率、不引气、凝结时间适宜的花王迈地1 5 0 萘系高效减水剂。 其性能指标见表2 1 0 。 表2 1 0 外加剂性能指标 2 3 配合比优化 2 3 1 实验方法 混凝土由强制式搅拌机拌合，搅拌时间为2 r a i n 。抗压强度试件尺寸1 0 0 1 0 0 x1 0 0 m m 。蒸汽养护采取的制度是：成型后常温静置3 小时，以升温速率 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 c h 匀速升温，恒温3 小时，恒温温度5 0 c ，以1 5 。c h 匀速降温至常温， 在混凝土脱模以后，测试其脱模强度，其余试件进行7 d 水养护，自然养护至 2 8 天。 2 3 2 配合比设计基本要求 针对预制盾构管片对抗渗性能、收缩性能和抗碱集料反应性能等耐久性和 尺寸精度及外观具有严格的要求，在满足规范和强度要求的情况下，确定一下 技术路线。最大限度地减少水泥用量，大量使用掺合料。掺合料不但可以降低 水泥水化早期的水化热、减少混凝土自身温度变化和体积变化引起裂缝出现的 可能，以及提高混凝土的体积稳定性；而且可以减少混凝土中的碱含量，预防 碱集料反应的发生：还可以利用矿物掺会料的微集料填充效应，使混凝土进一 步密实，有利于提高混凝土的抗渗性能和耐久性；同时，能够有效降低混凝土 的成本。 盾构管片混凝土配合比设计的难点在于：较小坍落度的混凝土在浇注时有 良好的触变性；振动成型过程中石子基本不下沉，分层离析小；混凝土浇筑后 能够尽快失去流动度形成初始结构，易于抹面；早期强度