預制混凝土管片表面氣泡影響因素研究

李方利，施小民，張培育

(1.中鐵十三局集團有限公司，天津 300308;2.內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014010)

預制混凝土襯砌管片是盾構法中的主要結構構件，管片的整體性能對工程質量影響極大，因此，必須嚴格控制管片生產質量[1]。防水性能是管片的一個主要功能，好的防水性能建立在良好抗滲性能的基礎上。但是管片在生產中表面易出現較多氣泡，不僅影響工程的美觀，而且易形成滲漏通道，影響管片的強度與耐久性能。如何消除混凝土表面氣泡是技術人員常遇到的問題。引起混凝土結構表面氣泡的原因較多。本文針對神華新街TBM斜井工程預制混凝土襯砌管片表面存在不同程度氣泡的問題，通過試驗研究分析氣泡的成因，提出解決預制混凝土管片表面氣泡的有效措施。

1 工程概況

本工程為新街臺格廟礦區一號礦井的主井，采用預制鋼筋混凝土管片襯砌，管片結構外徑7.3 m，內徑6.6 m，管片厚度0.35～0.87 m，寬度1.5 m，個別管片的混凝土為大體積混凝土。管片表面要求密實、光潔、平整，邊棱角完整無缺損，麻面面積不得大于管片面積的5%。混凝土設計強度等級C40，抗滲等級P12。

2 試驗原材料與方法

2.1 原材料

水泥備選了冀東、蒙西、天浩3個廠家P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其主要物理力學性能如表1所示。粉煤灰采用達拉特電廠(華宇)粉煤灰。細骨料為細度模數2.42的中砂，含泥量為3%。粗骨料為5.0～31.5 mm連續級配碎石。水為普通自來水。減水劑為包頭鋼鹿建材公司聚羧酸減水劑，減水率35%。脫模劑為四川某公司生產的脫模劑T-1，青島某公司生產的脫模劑T-2，上海某公司生產的脫模劑T-3，液壓油T-4。

表1 水泥主要物理力學性能

2.2 試驗方法

混凝土基準配合比見表2。選用表面光滑，尺寸150 mm×150 mm×150 mm的鋼試模，模擬混凝土管片預制過程。在其他條件不變的情況下，分別逐一改變單一影響因素，研究不同因素對混凝土表面氣泡的影響?；炷翑嚢琛⒊尚偷劝凑铡镀胀ɑ炷涟韬衔锪W性能試驗方法標準》(GB 50080—2002)執行，對成型后試塊標準養護，測其3 d和28 d強度。

表2 基準混凝土配合比

3 試驗結果與分析

3.1 水泥品種對混凝土表面氣泡的影響

3種水泥配制的混凝土物理力學性能見表3。3種水泥對混凝土表面氣泡的影響見圖1。

表3 不同品種水泥混凝土抗壓強度

圖1 3種水泥對混凝土表面氣泡的影響

由表3看出，3種水泥配制的混凝土3 d強度接近、28 d的強度接近，均能滿足工程要求。從圖1可以看出，3種水泥對混凝土表面氣泡的影響不大，但蒙西水泥效果相對最好，所以該工程優選蒙西水泥，試驗也采用蒙西水泥。

3.2 砂率對混凝土表面氣泡的影響

根據工程特點、要求以及混凝土配合比設計原則，砂率分別按30%，33%，35%，37%共設計了A，B，C，D 4組混凝土，分析不同砂率對混凝土表面氣泡的影響。不同砂率混凝土的配合比及抗壓強度見表4，砂率對混凝土表面的影響見圖2。

表4 不同砂率的混凝土強度

圖2 不同砂率對混凝土表面氣泡的影響

由表4可以看出，砂率對混凝土強度的影響不大。但從圖2可以看出，不同砂率對混凝土試塊外觀質量的影響不同。在表面氣泡的數量和孔徑大小上看，砂率為33%時混凝土表觀質量最優?？梢?，砂率是影響混凝土表面氣泡的一個重要因素。在水泥用量和水灰比一定的條件下，一方面，由于砂子與水泥漿組成的砂漿在粗骨料間起到潤滑和滾珠軸承作用，可以減小粗骨料間的摩擦力，有利于氣泡的逸出。在合理砂率范圍內，隨砂率的減少，混凝土黏聚性、流動性增大，對混凝土表面氣泡起到改善作用。另一方面，由于砂子的比表面積比粗骨料大，隨著砂率的增加，粗細骨料的總表面積增大，在水泥漿用量一定的條件下，骨料表面包裹的漿量減薄，潤滑作用下降，使混凝土流動性降低，阻礙氣泡的逸出。所以砂率既不能大，也不能小，從本次試驗來看，砂率取33%效果較好。

3.3 不同水膠比對混凝土表面氣泡的影響

選用蒙西水泥，涂脫模劑T-1，按表5配合比進行試驗。調整混凝土水膠比，研究水膠比對混凝土表面氣泡的影響，結果見圖3。不同水膠比混凝土的抗壓強度見表5。

圖3 不同水膠比對混凝土表面氣泡的影響

表5 不同水膠比混凝土的抗壓強度

從圖3可以看出，隨水膠比增大，混凝土表觀質量變差;隨水膠比的減小，試塊表面氣泡減少，對混凝土外觀質量改善作用較明顯。由表5可知，隨水膠比的減小，強度增大。但過小的水膠比可能會影響混凝土的工作性能，增大混凝土的收縮，經濟方面也不合適。由此可見，水膠比是影響混凝土表面氣泡的一個重要因素。水膠比對混凝土平均氣泡直徑及比表面積、氣泡的孔徑分布等特征會產生顯著的影響[2-5]。其主要原因是隨著用水量的降低，膠材用量相對增加，膠凝材料水化所消耗的用水量增加，使混凝土中自由水降低，從而有利于減少表面氣泡的生成。

3.4 脫模劑對混凝土表面氣泡的影響

選用蒙西水泥，按表2基準混凝土配合比進行試驗，分別涂刷脫模劑T-1，T-2，T-3和液壓油T-4，分析脫模劑對混凝土表面氣泡的影響，結果見圖4。

圖4 3種脫模劑和液壓油對混凝土表面氣泡的影響

由圖4可以看出，脫模劑性能對混凝土表面氣泡影響較大。使用T-1，T-2，T-3時，對混凝土表觀質量的改善效果明顯。其中使用T-1時，混凝土表面氣泡直徑最小，氣泡最少，外觀質量最好。使用液壓油T-4時，試塊表面氣泡孔徑較大，且分布較密集，外觀質量很差?？傮w來看，使用脫模劑T-1能有效解決混凝土表面氣泡的問題。

涂刷T-1脫模劑能有效解決表面氣泡問題的主要原因:①脫模劑是一種水性聚合物，能夠均勻地涂刷在模板表面，降低混凝土與模板之間的界面結合力，使氣泡容易逸出破滅，減少混凝土表面氣泡數量;②T-1脫模劑中含有一定的消泡成分，有利于氣泡的破滅或向內部移動，減小混凝土表面氣泡直徑，并降低氣泡數量;③T-1脫模劑中含有一定的緩凝組分，可延長混凝土表面漿體的凝結時間，漿體的自身重力作用使生成的氣泡破滅或向內部移動，減少混凝土表面氣泡的數量。④脫模劑附著于成型物和模具之間直接起到隔離作用(圖5)，脫模時能在B面剝離，使得脫模效果最優[6-7]，有利于改善混凝土表觀質量。

圖5 脫模示意

采用表2基準配合比，將T-1脫模劑用于現場預制混凝土管片構件，經養護，拆模后觀察制品表面狀況，表面光滑，有少許微小氣泡，表觀質量良好，詳見圖6。

圖6 預制混凝土管片成品

4 結論

1)水泥品種對混凝土表面氣泡影響不大。

2)砂率對混凝土表面氣泡有一定的影響。在合理砂率范圍內，隨著砂率的減小，混凝土的表觀質量得到改善。

3)降低水膠比能有效解決混凝土表面氣泡問題。但過小的水膠比可能會影響混凝土的工作性能，增大混凝土的收縮，經濟性也不佳。

4)脫模劑對混凝土表面氣泡的改善效果明顯。不同脫模劑效果不同，均明顯優于液壓油。

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