地铁免蒸养盾构隧道管片砼的设计与制备

1、地铁免蒸养盾构隧道管片砼 的设计与制备中国电力建设股份有限公司轨道交通质量培训班2022/8/252管片是盾构隧道的关键构件材料。我国大多数管片生产企业采用蒸汽养护来提高砼早期脱模强度,蒸汽养护会给管片砼的体积稳定性和耐久性能带来不良影响,而且蒸汽养护时耗能巨大。今后20年内地铁隧道工程对管片的需求将持续增长,从我国节能环保的长期战略角度,以及管片砼耐久性改善等问题来看,有必要开发免蒸汽养护管片高性能砼来替代原有的蒸汽养护管片砼。2022/8/2531 课题研究背景1.1 前言随着我国机动车数量的增长,地面交通已难以满足人们的出行要求,城市交通必然向地铁建设发展。我国地铁工程建设起步晚,未来几

2、十年将是地铁发展的高峰期。地铁施工重点是盾构隧道的施工,管片作为盾构隧道的主体结构之一,它具有承载土体压力,地下水压力和其他载荷的作用。盾构管片的质量直接关系到整个地铁工程的整体质量和安全,影响隧道的防水及耐久性能。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。目前国内大部分砼管片都采用蒸汽养护,利用蒸汽加速砼的硬化过程,提高砼早期强度,使管片砼迅速达到起吊脱模强度,加快模具周 转,提高管片生产效2022/8/254率。但是蒸汽养护在提高了砼早期硬化速度的前提下,会对砼产生一定的负面影响降,而且蒸汽养护的能耗较大。采用蒸养工艺可以促使水泥石结构的快速形成,但由于湿热膨胀易导致

3、砼内部产生破坏,所以生产过程中应兼顾强度与耐久性之间的矛盾。目前,砼加速硬化工艺除了蒸养法还有化学促凝法。高效减水剂是配制高性能砼必不可少的组分,采用早强型高效减水剂制备高性能免蒸养管片替代传统蒸养工艺可从根本上解决强度与耐久性之间的矛盾。2022/8/2551.2 预制砼预制砼可通过提高机械化自动化生产水平,大幅度提高生产效率,节省人力,减少施工工地人海战术的建筑模式,减少管理环节,降低人员技术水平对工程质量的影响,降低工人的劳动强度,促进社会的发展,因此发展预制砼技术是促进建筑行业进步的有效途径。预制砼生产过程中提高模具的利用率是提升生产效率的关键,而模具的周转受到砼早强发展的影响。预制砼

4、生产单位为了提高工作效率,加快模具的周转速度，通常采用蒸汽养护来提高砼的早强,以提早砼的脱模时间。一般要求砼能在12 h内到达脱模强度。但是使用蒸汽养护需要使用燃煤或者燃气,为了达到60以上的蒸汽养护温度,能源消耗一般占到每立方米砼成本的50-100元左右。2022/8/256而且由于保温问题,蒸汽损耗也大大浪费了能源。所以采用一种适应常温或者低温养护的超早强砼,来制作钢筋砼和预应力钢筋砼十分必要。采用蒸汽养护来提高模具的周转速度的同时,还会对预制砼制品带来一些负面影响。研究表明，在蒸养条件下会降低砼对氯离子渗透的抵抗力,蒸养会使砼内部孔洞增大；降低水灰比并不能有效地改善蒸养砼的耐久性能,而采

5、用矿物掺合料可有效解决这一问题。采用不正确的蒸养制度也会对砼的抗压强度产生不利影响,砼浇筑成型后延长砼的静养时间有利于砼早期强度的提高,静养时间过短会引起蒸养砼的表面产生水平裂缝。2022/8/257研究认为确定静置时间的前提条件是蒸养的工序不能使砼构件产生体积膨胀,并认为应将砼构件的抗压强度达到0.65-0.75 MPa时所需要的时间作为蒸养前的静置时间。还有研究表明，当静养时间为4-7 h时,可忽略由于蒸养引起的体积膨胀,并且后期强度发展没有损失。根据此观点,短的静置时间引起砼试件质量下降是因为砼内部孔压力产生的拉应力引起构件开裂和孔隙率增大。因此认为砼构件在进行蒸养工序前应达到临界抗拉强

6、度,在砼强度发展的后期进行蒸养对砼的性能是不利的。2022/8/258有学者研究了后继钙矾石形成（Delayed Ettringite Formation，简称DEF）对高温（大于75）蒸养砼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,砼中有后继钙矾石的膨胀发生。这是由于亚稳态的单硫型水化硫酸盐向钙矶石转化的结果。在这种条件下,砼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。2022/8/2591.3 超早强聚羧酸减水剂聚羧酸减水剂作为第三代减水剂在我国的工程中使用越来越广泛。掺入聚羧酸减水剂后,可使砼拥有良好的工作性能以及力学性能,其在

7、高速铁路等结构耐久性要求高的工程中优势尤为突出。其优良的性能来源于其特殊的梳形分子结构,主链吸附于水泥颗粒表面,形成牢固的吸附层,由聚氧乙烯侧链呈绒毛状伸展在水溶液中,形成强烈的空间位阻作用,使水泥颗粒得到显著的分散作用。相对磺酸盐类的减水剂蔡系、氨基磺酸盐和三聚氰胺等来说,其分散作用效果好,保持时间长,可使砼具有良好的工作性能。2022/8/2510聚羧酸系减水剂具有优良分散性能的同时,还具有延缓水泥水化的作用。在低温环境下,令砼早期强度发展缓慢,故限制了聚羧酸系减水剂在冬季施工和寒冷环境下的使用。在预制构件中应用时,缓凝作用令生产周期加长,延长蒸养时间。聚羧酸系减水剂梳形分子结构上的不同对

8、水泥分散作用的机理也有所差别。对水泥水化的作用产生的差异,可以通过调整分子结构形式和官能团的密度和种类来改变聚羧酸系减水剂对水泥的水化影响,降低对水泥水化缓凝的作用。2022/8/2511有研究者采用聚羧酸盐减水剂为主体,充分利用其减水率高和收缩小的特点。复合以各种优质早强组分以及其他辅助材料,成功研制了特别适用于冬季施工的液体低温超早强减水剂。但使用其配制的砼1 d强度仅为15.5 MPa,仍然难于满足在非蒸养条件下,砼12 h到达脱模强度。还有人增加侧链长度可以减少超塑化剂对砼凝结时间的影响,并合成出一种早强型砼超塑化剂，其掺量为0.2%。可以使标养条件下砼抗压强度提高65%,蒸汽养护条件

9、下砼12 h抗压强度提高25%。2022/8/2512在超早强型聚羧酸中需要复配早强剂,而早强剂种类很多,各种性能不一,应根据不同的砼性能要求选用合适的砼早强剂,若选用不当,不但不能到达预期效果,而且甚至有可能引起工程事故。我国砼早强剂的品种大致有3大类：氯盐类、硫酸盐类、有机胺类。氯盐类砼早强剂会对砼钢筋产生锈蚀,因此在国家标准中对此类砼早强剂有严格的限制。硫酸盐类早强剂在国内使用比较普遍。2022/8/25131.4 我国砼管片生产现状我国从1965年开始修建地下铁道,目前我国的地铁建设已步入快速发展阶段。为加快模具周转,绝大部分企业采用蒸汽养护。管片养护方式基本采用蒸汽养护加浸水养护、喷

10、淋养护或喷涂养护剂的方式。在南方地区,以蒸汽养护加水养护居多。北方地区由于冬季施工时,无法进行水养护,大部分企业采用蒸汽养护加喷涂养护剂。从调研到的企业实际情况看,100%的企业均采用蒸汽养护。从环境保护和能源短缺方面来看,在未来20年内,地铁隧道的施工仍然会加大力度进行,对于管片的需求量将持续增长,因此,对于免蒸养管片的研究就显得更加的紧迫。2022/8/25142 免蒸养超早强型聚羧酸减水剂的复配超早强型聚羧酸减水剂必须满足以下复合配制原则：（1）组成超早强型聚羧酸减水剂的各组分之间都不能与水泥水化后发生破坏硬化水泥结构的化学反应。（2）组成超早强型聚羧酸减水剂的所有组分物理相容和化学相容

11、,不应出现各种不同形式的分解、沉淀、结团、分层。（3）超早强型聚羧酸减水剂必须是水溶性的或易溶于水的。2022/8/2515根据免蒸养管片的生产工艺特点,这种外加剂应具有功能：（1）早强发展快,重点考察12 h、1 d、28 d的力学性能。（2）后强不会倒缩,仍有增长。（3）有较高的减水效率,采用其配制的免蒸养管片砼在低水灰比时有较好的可塑性,以利于成型。（4）碱含量要低,以最大程度地避免由减水剂引入碱而导致碱集料反应的发生，尽可能避免Cl-的引入导致钢筋锈蚀从而降低地铁管片耐久性。具体指标应完全符合砼外加剂应用技术规范的规定：Cl-掺量限值0.6%,碱含量掺量限值 1kg/m3。2022/8

12、/25162.1 超早强聚羧酸减水剂复配优化方案所有的聚羧酸类超塑化剂共聚物主链上都含有聚羧酸基吸附基团,支链上有大量的聚醚侧链提供空间位阻。侧链上的聚醚引气性能非常强,会导致新拌砼含气量太大。含气量太大会造成砼浇筑振捣时,大量的气泡富集与砼表面形成蜂窝麻面,砼的表观不良。另外气泡也会在硬化后的水泥浆体中留下孔洞,这些孔洞会降低砼的强度,如果这些孔洞是连通的还给外界的有害杂质进入砼内部提供通道,降低砼的耐久性,减少砼建筑结构的使用寿命。因此在配制适用于免蒸养环境的超早强聚羧酸减水剂时应适当掺入消泡剂来减少管片砼的含气量。优化后的超早强聚羧酸减水剂的复配方案见表2-1,对水泥浆体的流动度、凝结时

13、间、减水率以及早期强度等的影响见表2-2。2022/8/2517表2-1 减水剂配比表2-2 超早强聚羧酸减水剂性能的影响2022/8/25182.1.1 超早强聚羧酸母液的优选为了筛选出超早强型聚羧酸减水剂的基础母液,首先对三类聚羧酸系高效减水剂的基本性能进行试验。表2-3 不同类型减水剂的净浆流动度及凝结时间2022/8/2519由实验可知,在水灰比相同的条件下,丙烯酸类（PCE-A）减水剂对水泥胶砂强度略有提高,随着掺量的增加,强度也随之增加,但烯丙基聚醚系(PCE-B)和丙烯酸系(PCE-C)由于具有缓凝效果,掺入两种减水剂后会使水泥胶砂早期强度降低,并且掺量增大,强度随之降低。选择了

14、丙烯酸类(PCE-A)减水剂为超早强聚羧酸母液,其掺量初步定为0.5%。2.1.2 超早强聚羧酸减水剂组分早强组分EPSA-1为不含氯离子的无机盐类早强剂,与丙烯酸类(PCE-A)减水剂有良好的相溶性。早强组分EPSA-2为有机早强剂,具有一定的减水效果,与丙烯酸类(PCE-A)减水剂具有良好的相溶性,但其成本较高。2022/8/25202.2 免蒸养超早强聚羧酸水化热测试了配制的免蒸养超早强聚羧酸水泥浆体的早期水化热,并与空白样的水化热做对比。从图2-1的试验结果可知，配制的免蒸养超早强聚羧酸使得水泥水化放热峰提前,放热量增大。这是由于丙烯酸类（PCE-A）的早强效果和早强组EPSA-1的早

15、强效果叠加的缘故。图2-1 不同结构聚羧酸对砼水化热的影响2022/8/25212.3 免蒸养超早强聚羧酸X射线衍射结果测试了配制的免蒸养超早强聚羧酸水泥浆体的X射线衍射,并与空白样的水化热做对比。由图可知,免蒸养超早强聚羧酸浆体中AFt早期开始出现,说明水化早期水化速率提高,有利于提高C3S十C2S的水化速率,AFt的大量生成,有助于提高砼的早期强度。图2-2 免蒸养超早强聚羧酸1d, 28dX射线衍射2022/8/25223 免蒸养管片高性能砼配合比优化设计及其性能预制盾构管片作为地铁隧道的衬砌,其服役环境极其复杂,要承受土层压力、地下水的静水压力及抵抗各种有害杂质的侵袭,而且作为永久性结

16、构其破坏后无法更换,管片砼的使用寿命决定了地铁隧道的使用寿命,因此对预制盾构管片的耐久性提出了较高的要求。针对免蒸养预制盾构管片的收光抹面时间、脱模强度、抗渗性能、收缩性能以及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,确定以下技术指标：在非蒸养状态下满足12h一次模具周转；采用早强型聚羧酸减水剂,控制管片砼收光抹面时间为12h，终凝时间为910h，强度为1020MPa，氯离子扩散系数小于1.510-12m2/s。2022/8/25233.1 免蒸养管片砼配合比优化免蒸养管片高性能砼的最佳配合比如表3-1所示。国内外高性能砼的研究表明,纯水泥体系的砼不利于管片砼的耐久性,为提高

17、免蒸养管片的使用寿命,需在配制的免蒸养管片高性能砼中掺入矿物掺合料。将表3-1最佳配合比作为基准砼配合比,在其中掺入矿物掺合料能最大限度地减少水泥用量,降低水泥水化热,减少体积收缩保证砼的体积稳定性,使砼实现密实堆积,提高砼的抗渗性能以及砼的耐久性能。表3-1 免蒸养管片高性能砼最佳配合比（kg/m3）2022/8/2524通过综合比较混凝土的12h脱模强度和28d强度,确定了配合比F2为最佳配合比。表3-2 粉煤灰掺量对免蒸养混凝土力学性能的影响（kg/m3）2022/8/2525图3-1 混凝土坍落度图3-2 混凝土收光时间图3-3 混凝土12h脱模强度图3-4 混凝土28d强度2022/

18、8/25263.2 免蒸养管片高性能混凝土水化热在混凝土中粉煤灰取代部分水泥能改善混凝土的工作性能和耐久性能,粉煤灰需要在水泥水化产物的激发下进行二次水化反应,粉煤灰的掺入降低了水泥的用量,因此混凝土早期强度明显降低。粉煤灰的掺量对混凝土早期水化热的影响规律见图3-5。图3-5 粉煤灰掺量对混凝土早期水化热的影响2022/8/25273.3 免蒸养管片高性能混凝土X射线衍射结果测试表3-2中纯水泥体系F1、F2、F3浆体12h、28d的X射线衍射, 其结果可以看出,相对于纯水泥体系,随着粉煤灰的掺量的提高，水泥石中CH、AFt对应的CPS(X射线衍射峰的强度)降低,且F3降低相对明显。由于有超

19、早强减水剂的作用,水泥水化速率提高,这也促进了粉煤灰的早期参与水化。2022/8/25284 免蒸养管片混凝土体积稳定性及耐久性能免蒸养管片混凝土掺入100kg/m3粉煤灰后,提高了混凝土耐久性能,免蒸养混凝土和蒸养混凝土的90d碳化深度分别为1.51mm和1.84mm;标养的28d的300次冻融循环后质量损失率,分别为0.32%和1.03%,相对动弹性模量分别为97.1%和92.4%；经硫酸盐侵蚀溶液180d质量损失率分别为0%和3.12%,抗压强度抗侵蚀系数Kc分别为105.5%和95.2%,与蒸养管片混凝土相比,免蒸养管片高性能混凝土其体积稳定性及耐久性能优于蒸养管片混凝土。2022/8

20、/25295 免蒸养砼管片的制备项目依托武汉科技攻关项目和武汉地铁隧道工程。根据武汉市城市规划,地铁2号线一期工程,起点为常青花园北侧的马池路站,终点为鲁巷站。线路贯穿武汉市西北一东南,一期工程线路全长27.98km,设站21座,均为地下车站。过江盾构隧道长3206m,在常青花园与中山北路站分别设车辆段和车场各一座。2号线一期工程投资估算为149.12亿元,平均公里造价5.5亿。地铁4号线一期工程全长15km,全线共设13个车站。线路起自武昌火车站,经紫阳东路一中南路一中北路一岳家嘴,沿武青四干道至武汉火车站,在岳家嘴设车辆段,全部为地下车站。4号线一期工程投资估算为77.18亿元,平均公里造

21、价5.14亿。2022/8/25305.1 C50砼管片技术要求和特点武汉地铁隧道工程对管片的防水、抗渗等性能要求极高（强度达到C50、抗渗等级达到P15、使用寿命达100年以上）,且施工技术难度也大。管片内径为5.4m,外径为6m,每个宽1.5m、厚0.3m,每6个管片就可拼成一个圆形的隧道壁,2010年武汉地铁建设共需要管片38050环。钢筋砼管片衬砌需在高精度钢模内制作成型,每环由封顶块、标准块等六块构成,结构示意图见图5-1。管片在环纵向均设凹凸榫槽,管片环向采用弯螺栓连接,纵向采用直螺栓连接。2022/8/2531图5-1 6块等分管片衬砌结构布置图2022/8/2532隧道盾构管片

22、预制构件,其管片的尺寸精度影响整个隧道衬砌施工。为保证隧道整体工程的线性准确以及整体结构的无缝,其尺寸精度技术指标控制严格,见表5-1。管片作为永久性衬砌深埋土层内,土层内含有大量侵蚀性有害物质,严重影响砼管片的使用寿命。故对其防水、抗渗等性能要求极高,对砼氯离子扩散系数、碱含量和氯离子含量也有较高要求,其设计耐久性指标见表5-2。管片拼装要满足成环后管片内径误差范围2.0mm,外径误差范围6.0mm一-2.0mm之间,环向和纵向缝间隙小于2.0mm。另外砼表面不得出现结构性裂缝,表面裂缝宽度应小于0.2mm,管片表面应平整光滑。2022/8/25332022/8/25345.2 免蒸养管片成

23、型工艺5.2.1 工艺流程与蒸养管片生产相比,免蒸养管片的生产取消了蒸汽养护的施工环节,其工艺流程分为两部分：钢筋笼的制作和管片的生产。钢筋笼的制作：原材料进场检验断料钢筋弯弧钢筋骨架焊接钢筋笼检查。管片的生产：清理模具脱模剂模具组转、调校安装钢筋骨架砼浇筑砼第一次表面收光砼第二次表面收光脱模管片验收。2022/8/25355.2.2 管片生产配合比原材料为：（1）水泥：华新P.O 42.5水泥；（2）砂：巴河河砂，细度模数2.8，含泥量小于0.8，泥块含量小于0.5%；（3）碎石：5-25 mm连续级配石灰石碎石，压碎值5.7%，针片状含量6.9%；（4）粉煤灰:选用I级粉煤灰，需水量比90

24、%;（5）减水剂:研究配制的超早强聚羧酸减水剂。表5-3 管片砼生产配合比2022/8/25365.2.3 生产质量管理控制生产质量管理控制是生产的重要环节,其管理质量直接影响管片的质量,进而影响整体隧道工程的施工质量。1.原材料控制砼砂、石、水泥等原材料进场立即抽样检验,检验合格后方可使用。砂石集料的表面应该是清洁的,不应被粉尘、泥土等污染,含泥量控制在1%以下。水泥等粉料应注意防潮,水泥使用温度不得超过50,否则须采取措施降低水泥温度,如温度过高可存放5-7d后再使用。应提前做好物质准备工作,保证施工生产中水泥货源稳定。水泥应分批检验,质量应稳定。若存放期超过个3月应重新检验。2022/8

25、/25372.管片浇筑施工砼拌合时采用自动机械,应保证电子称料系统称量准确,尤其免蒸养砼对减水剂的掺量较敏感,所以减水剂的称量要保证在误差许可范围内。为使减水剂分散均匀,应保证砼搅拌时间为150 s,最佳加水方式是先加入一半水量,砼搅拌50 s后,再将水和减水剂加入搅拌机,再搅拌100s，保证砼的匀质性。浇筑前应保证模具清洁干净,无脱模后残留物,脱模剂的涂抹应均匀涂抹至整个模具,尤其应注意模具的边角,保证管片脱模时无缺棱掉角。2022/8/2538砼浇筑时应分层浇筑,砼入模后先采用高频振动,浇筑第一层结束后调整为中频振动,浇筑完毕后采用低频振动,振动时间不应过久,防止砼分层离析,表面出现蜂窝麻面。砼初凝后,打开模具面板进行抹面。使用硬质平直尺进行粗抹面,刮掉多余的砼,抹平表面；等砼收水后使用灰匙进行光面,使管片外弧面平整、光滑；最后用灰匙精工抹平,力求管片表面光滑无灰匙印。应严格控制砼的收光抹面时间,在成型时应在浇筑同时取样,参照砼试样进行收光抹面时间的确定。2022/8/25393.管片养护管片养护可分为脱模前静养和脱模后水养,砼收光抹面结束后,应立即盖上吸水性强的不脱色的纤维织物加水进行润湿养护,然后将模具面板合上并盖上紧致不透气的帆布,防止砼水分散失。脱模时应注意脱模时间,应根据现场留样测试砼脱模时