盾構(gòu)管片在不同pH值水養(yǎng)下質(zhì)量研究

曾 鋒， 宋天田, 2， 蘇華友，*

(1. 西南科技大學(xué)， 四川 綿陽 621000； 2. 深圳市地鐵集團有限公司， 廣東 深圳 518000)

盾構(gòu)管片在不同pH值水養(yǎng)下質(zhì)量研究

曾 鋒1， 宋天田1, 2， 蘇華友1，*

(1. 西南科技大學(xué)， 四川 綿陽 621000； 2. 深圳市地鐵集團有限公司， 廣東 深圳 518000)

原材料控制、混凝土配合比、模具結(jié)構(gòu)以及人工操作的熟練程度是影響盾構(gòu)管片質(zhì)量的主要因素，實踐表明水養(yǎng)池中水的pH值對其也有一定的影響。為了得到養(yǎng)護水最佳pH值，取一定數(shù)量同期生產(chǎn)的管片和試塊，均分為6組，分別在pH值為7、8、9、10、11、12的水中養(yǎng)護7 d，達到齡期28 d后，觀察各組管片和試塊的外觀顏色，并對其做抗壓和抗?jié)B實驗。結(jié)果表明： 1)隨著養(yǎng)護水的pH值變大，管片的外觀顏色由灰白色變成淺黑色，抗壓和抗?jié)B強度逐漸變小； 2)當(dāng)pH值在7～10時，管片顏色正常，抗壓和抗?jié)B強度變化較小； 3)當(dāng)pH>10時，管片顏色變?yōu)闇\黑色，抗壓和抗?jié)B強度急劇變小。因此，養(yǎng)護水的pH值合理范圍可設(shè)為 7～10。

武漢地鐵； 盾構(gòu)管片； 管片外觀顏色； 抗壓強度； 抗?jié)B強度； 養(yǎng)護水； pH值

0 引言

因高效、穩(wěn)定、舒適、安全、環(huán)保，地鐵建設(shè)越來越多。“十三五”階段將是建設(shè)城市軌道交通的黃金時期。盾構(gòu)管片的質(zhì)量是保證百年地鐵的重要環(huán)節(jié)。

國內(nèi)外學(xué)者對管片質(zhì)量做了大量的研究。如： 蔡亞寧等[1]利用正交試驗，得出了4種摻和料的高性能混凝土配合比，生產(chǎn)出的管片能夠滿足潮濕條件下耐久性的要求；啜志強等[2]介紹了管片溫度自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定管片混凝土強度、控制溫度平衡、保證管片質(zhì)量；李海潮等[3]從管片混凝土配合比設(shè)計、混凝土澆筑、管片蒸養(yǎng)、脫模后養(yǎng)護等幾方面闡述了管片生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制；楊紅軍[4]分析了管片外觀缺陷的原因，并提出了解決措施；傅樂峰等[5]提出使用早強型聚羧酸減水劑可以有效縮短管片靜養(yǎng)和蒸養(yǎng)時間，從而提高管片生產(chǎn)速率；代洪波等[6]介紹了大直徑盾構(gòu)管片預(yù)制生產(chǎn)技術(shù)，總結(jié)了高強度和高抗?jié)B性管片的預(yù)制技術(shù)；蔡茂濤[7]運用了QC方法解決了管片生產(chǎn)質(zhì)量問題；楊德銑等[8]對大體積混凝土管片生產(chǎn)過程中產(chǎn)生裂紋的原因進行了分析，提出優(yōu)化混凝土配合比、制定蒸養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程等解決措施；姜敦燦[9]對盾構(gòu)施工中管片出現(xiàn)裂紋、碎裂的原因進行詳細(xì)的分析和研究，并提出了相應(yīng)的防治措施；楊成等[10]通過對高溫后隧道-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能試驗的研究，得到了火災(zāi)高溫下盾構(gòu)隧道管片-加固體高溫力學(xué)性能;張建剛等[11]對大型水下盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)配筋問題進行了研究，提出了優(yōu)化管片結(jié)構(gòu)配筋的措施，使管片的質(zhì)量進一步提高。加工前對檢驗原材料是否合格，在生產(chǎn)過程中進行跟蹤控制，從而保證管片的質(zhì)量[12-13]。

目前對管片質(zhì)量的研究主要集中在管片生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而對管片養(yǎng)護，特別是水養(yǎng)階段的研究甚少。本文對不同pH值水養(yǎng)下管片的外觀顏色、抗壓和抗?jié)B強度進行研究和分析，并得到水養(yǎng)池?fù)Q水的標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

武漢地鐵11號線東延段需用管片18 564環(huán)，8號線1期工程需用管片4 143環(huán)，管片采用通用環(huán)設(shè)計，設(shè)計使用年限100年，一環(huán)由3片標(biāo)準(zhǔn)塊(A1、A2、A3)、2片相鄰塊(B1、B2)與1片封頂塊(K)組成，管片環(huán)內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，厚0.35 m，楔形量40 mm，采用錯縫拼裝，彎螺栓鏈接。管片混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級為P12。在設(shè)計的基礎(chǔ)上經(jīng)過多次試驗，最終確定混凝土配合比如表1所示。以上管片均由湖北某管片廠生產(chǎn)。該廠建設(shè)2條自動化流水生產(chǎn)線，每天生產(chǎn)量為60環(huán)，并配備8個水養(yǎng)池，雙層存放，每個水養(yǎng)池均可存放66環(huán)管片，一個水養(yǎng)池長寬高的尺寸約為32、16、3.7 m。

表1 混凝土配合比

2 發(fā)現(xiàn)問題

預(yù)制混凝土管片，國家標(biāo)準(zhǔn)對水養(yǎng)池中水(下文將水養(yǎng)池中的水稱為養(yǎng)護水)的pH值沒有明確規(guī)定，管片廠一般根據(jù)水養(yǎng)池的尺寸和以往經(jīng)驗來確定換水的時間。湖北某管片廠是剛成立的公司，對管片水養(yǎng)經(jīng)驗較少，由于養(yǎng)護水長期未換，導(dǎo)致管片的色差較大(正常管片達到齡期后為灰白色，而該管片為淺黑色)。管片外觀顏色如圖1所示。對養(yǎng)護水進行檢測，發(fā)現(xiàn)其pH值為11。對管片進行抗壓和抗?jié)B實驗，等效荷載加到350 kN時最大裂紋寬度為0.21 mm，大于正常平均值0.09 mm；壓強加至0.8 MPa，3 h后水頭高度為21 mm，大于正常平均值8 mm。猜想養(yǎng)護水的pH值會影響盾構(gòu)管片的外觀顏色、抗壓和抗?jié)B強度。

(a) 非正常顏色管片

(b) 正常顏色管片

影響管片強度的主要原因是堿對混凝土和鋼筋具有腐蝕作用[14-15]。堿對混凝土的腐蝕主要體現(xiàn)在以下2方面： 1)堿性介質(zhì)與空氣中CO2和H2O化合物生成新的結(jié)晶體，它在混凝土內(nèi)部膨脹使混凝土遭到破壞。2)在NaOH濃度較大、溫度較高時，堿溶液與混凝土中的水化物發(fā)生反應(yīng)，生成硅酸鈉和偏鋁酸鈉，導(dǎo)致管片質(zhì)量受損。堿對鋼筋的破壞作用主要是受到氯離子的侵蝕。管片變色主要是由于硬化混凝土中發(fā)生結(jié)晶而導(dǎo)致。

3 質(zhì)量研究

按照表1所示混凝土的配合比同期生產(chǎn)一定數(shù)量的試塊和管片。取蒸養(yǎng)后的Ⅱ型A1管片36片，分成6組，每6片一組，分別標(biāo)記為A、B、C、D、E、F組。由于水泥成弱堿性，當(dāng)混凝土試塊處于酸性環(huán)境中，水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣就會分解成氧化鈣和水，從而降低混凝土試塊的強度，所以將以上6組管片分別放置在pH值為7、8、9、10、11、12的水養(yǎng)池中，水養(yǎng)7 d，管片到達齡期28 d后，觀察并記錄外觀顏色如表2所示，并將每組管片平均分成2小組，其中一小組用于抗壓實驗如圖2所示，另一小組用于抗?jié)B實驗如圖3所示。對于抗壓實驗，根據(jù)GB 50204—2002《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》采用分級加荷，在設(shè)計載荷前，每級按載荷設(shè)計值的20%加荷；在設(shè)計載荷后到裂縫寬度達到0.2 mm時，每級載荷按設(shè)計值的10%加荷；接近破壞載荷值時，按破壞載荷的5%加荷。每級加荷完成后，持荷時間10 min，在持荷時間結(jié)束時，記錄最大裂縫寬度，每組數(shù)據(jù)取平均值，并繪制如圖4所示的變化曲線。對于抗?jié)B實驗，把壓力分成6級進行，第一級從0加至0.2 MPa，每級加0.2 MPa，每級之間的持荷時間不少于15 min，達到1.2 MPa后，持荷2 h。每次加壓前記錄管片各端面的滲水深度，每組數(shù)據(jù)取平均值，繪制如圖5所示的變化曲線。

表2 管片的外觀顏色

圖2 管片抗壓實驗

圖3 管片抗?jié)B實驗

圖4 不同pH值管片抗壓強度變化曲線

Fig. 4 Varying curves of compressive strength of segments in curing water with different pH values

圖5 不同pH值管片抗?jié)B強度變化曲線

Fig. 5 Varying curves of anti-permeability strength of segments in curing water with different pH values

由圖4可知： 同一荷載下，隨著養(yǎng)護水pH值變大，管片的最大裂縫寬度也變大，說明管片的抗壓強度隨著養(yǎng)護水pH值的增大而減小；當(dāng)pH值在7～10時，最大裂紋寬度隨著pH值的增大而緩慢增大；當(dāng)pH>10時，最大裂紋寬度隨著pH值的增大而急劇增大。由圖5可知： 同一壓強下，隨著養(yǎng)護水pH值變大，管片各端面的滲水深度也變大，說明管片抗?jié)B強度隨著養(yǎng)護水pH值的增大而減小；當(dāng)pH值在7～10時，滲水深度隨著pH值的增大而緩慢增大；當(dāng)pH>10時，滲水深度隨著pH值的增大而急劇增大。由表2可知: 當(dāng)養(yǎng)護水pH值在7～10時，管片顏色為灰白色，顏色正常；當(dāng)pH>10時，管片顏色由灰白色變成淺黑色。

取36個試塊，分成6組，每6塊一組，分別標(biāo)記為a、b、c、d、e、f組。將以上6組試塊分別放置在pH值為7、8、9、10、11、12的養(yǎng)護水中，水養(yǎng)7 d，試塊達到28 d齡期后，觀察并記錄試塊的顏色如表3所示，并將每組試塊分成2小組，其中一小組用于抗壓實驗如圖6所示，另一小組用于抗?jié)B實驗如圖7所示。對于試塊抗壓實驗，加壓步驟同上文分級加荷一致，記錄每次荷載后裂縫寬度，每組數(shù)據(jù)取平均值，并繪制如圖8所示的變化曲線。對于試塊抗?jié)B實驗，加壓過程同上文分級加壓一致，記錄每次加壓前管片各端面的滲水深度，每組數(shù)據(jù)取平均值，并繪制如圖9所示的變化曲線。

表3 試塊的外觀顏色

圖6 混凝土試塊抗壓實驗

圖7 混凝土試塊抗?jié)B實驗

比較圖4和圖8、圖5和圖9、表2和表3，管片和試塊的抗壓、抗?jié)B強度、外觀顏色隨著養(yǎng)護水pH值變化是同步的，說明研究的結(jié)果正確。當(dāng)pH>10時，試塊和管片的外觀顏色均逐漸變?yōu)闇\黑色，并且抗壓和抗?jié)B強度急劇降低；當(dāng)pH<10時，試塊和管片的外觀顏色均正常，抗壓和抗?jié)B強度變化不大。因此，把養(yǎng)護水的pH達到10作為水養(yǎng)池?fù)Q水的標(biāo)準(zhǔn)。按照該換水標(biāo)準(zhǔn)，之后生產(chǎn)出的管片，外觀顏色、抗壓和抗?jié)B強度均正常。

圖8 不同pH值試塊抗壓強度變化曲線

Fig. 8 Varying curves of compressive strength of test pieces in curing water with different pH values

圖9 不同pH值試塊抗?jié)B強度變化曲線

Fig. 9 Varying curves of anti-permeability strength of test pieces in curing water with different pH values

4 結(jié)論與建議

1)養(yǎng)護水的pH值對管片的外觀顏色、抗壓和抗?jié)B強度都有影響。管片的抗壓和抗?jié)B強度隨著養(yǎng)護水pH值的變大而變小，外觀顏色隨著pH的變大由灰白色變成淺黑色。當(dāng)pH值在7～10時，管片的抗壓和抗?jié)B強度變化不大，外觀顏色變化不大，屬于正常顏色；當(dāng)pH大于10時，管片的抗壓和抗?jié)B強度急劇下降，管片的顏色也由灰白色變成淺黑色；因此把養(yǎng)護水的pH達到10作為水養(yǎng)池?fù)Q水的標(biāo)準(zhǔn)。

2)由于水泥水化產(chǎn)生氫氧化鈣，所以管片在水養(yǎng)過程中養(yǎng)護水的pH值不斷變大。經(jīng)過長期檢測，長寬高分別為2、16、3.7 m(體積為118.4 m3)的水養(yǎng)池，存放66環(huán)管片，45 d后養(yǎng)護水的pH=10，換水一次。

3)在后期研究中，可從孔結(jié)構(gòu)、水泥水化程度等微觀角度深入分析pH值對管片質(zhì)量影響機制以及不同pH值對管片各原材料的影響。

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Study of Curing Quality of Shield Segment in Water with Different pH Values

ZENG Feng1, SONG Tiantian1, 2, SU Huayou1,*

(1.SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621000,Sichuan,China; 2.ShenzhenMetroGroupCo.,Ltd.,Shenzhen518000,Guangdong,China)

The raw material control, concrete mixing proportions and skilled level of manual operation are the main factors for quality of shield segment manufacturing. The practice shows that the pH value of curing water also has some influence on it. In order to obtain the optimal pH value of segment curing water, segments and test pieces produced at a same time are divided into 6 groups and cured for 7 days in water with pH values of 7, 8, 9, 10, 11 and 12. After 28 days, the colour of the appearance of segments and test pieces are observed; and then the compressive test and anti-permeability test are carried out. The results show that: 1) The colour of segment appearance darkened (from gray to dark) and the compressive strength and anti-permeability strength of segment decrease as pH value of segment curing water increases. 2) The colour of segment appearance remains original and the compressive strength and anti-permeability strength of segment vary little under the pH value of 7-10 of the segment curing water. 3) The colour of segment appearance darkened and the compressive strength and anti-permeability strength of segment decrease rapidly under the pH value of segment curing water larger than 10. Thereby, the rational pH value range of segment curing water is 7-10.

Wuhan Metro; shield segment; colour of segment appearance; compressive strength; anti-permeability strength； curing water； pH value

2016-09-18;

2016-11-14

曾鋒(1989—)，男，河南信陽人，西南科技大學(xué)安全工程專業(yè)在讀碩士，主要研究方向為盾構(gòu)隧道建設(shè)。E-mail: 946910815@qq.com。*通訊作者： 蘇華友，E-mail: suhy@swust.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.008

U 45< class="emphasis_bold"> 文獻標(biāo)志碼： A

A

1672-741X(2017)02-0174-05