盾構(gòu)隧道鋼筋混凝土管片色差影響因素分析

田安然

(中鐵十四局集團房橋有限公司,北京 102400)

隨著盾構(gòu)隧道施工的高速發(fā)展,襯砌管片在保證尺寸精度、基本性能的同時,其外觀顏色的一致性越來越受到重視。管片的表觀色澤直接影響了隧道成型后的觀感,做好盾構(gòu)隧道鋼筋混凝土管片的色差控制是施工管理的一個重要方面。目前針對管片色差的影響因素,大多從原材料、配合比、施工工藝等角度粗略分析,未系統(tǒng)的、根本性的揭示相關(guān)因素對管片色差的影響規(guī)律。且研究期間對于盾構(gòu)管片色差一般依靠人工肉眼判斷,少數(shù)輔以標(biāo)準(zhǔn)色卡對比。該方法嚴(yán)重依賴觀察人員的個人標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗,缺乏客觀性。不同管片之間的顏色差異僅能用顏色深淺等定性描述,難以準(zhǔn)確量化表示。

針對以上情況,筆者依據(jù)色差形成機理,利用圖像采集+視覺識別分析技術(shù),將混凝土顏色量化,通過試驗分析了水泥化學(xué)成分、粉煤灰燒失量、粗骨料含泥量、坍落度及養(yǎng)護溫度對色差的影響,制定了色差控制措施,為管片色差控制提供了參考。

1 管片色差形成機理

混凝土從本質(zhì)上來說,是一種成分極其復(fù)雜的多相多孔體系。水泥的本色會構(gòu)成管片的基色。水泥經(jīng)水化反應(yīng)會生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸三鈣、水化硫鋁酸鈣、硅酸三鈣、硅酸二鈣等水化產(chǎn)物。不同水化產(chǎn)物的微觀形貌特點有很大差異,且對原始孔隙的填充程度不同,最終混凝土形成不同的毛細(xì)孔。光通過若干毛細(xì)孔在各種水化產(chǎn)物、粗細(xì)骨料以及混凝土中的泥、雜質(zhì)等物質(zhì)表面不斷散射、反射,最終表現(xiàn)為有差異的混凝土顏色。

根據(jù)對相關(guān)文獻(xiàn)的研讀以及對水化反應(yīng)過程的分析,發(fā)現(xiàn)管片色差的形成可能與水泥化學(xué)成分、粉煤灰燒失量、混凝土坍落度、粗骨料含泥量、蒸汽養(yǎng)護溫度有關(guān)。

1)水泥中鐵通常都是以鐵鋁酸鈣的形式存在,鐵鋁酸四鈣又稱鈣鐵石,是鐵鋁酸鹽礦物固溶體系列之一,化學(xué)式4CaO·Al2O3·Fe2O3(簡寫為C4AF)。光學(xué)常數(shù):ng=2.04(Li),nm=2.01,np=1.96,ng-np=0.08,(-)2V=75°,有明顯多色性、np為棕黃、ng為棕色。Fe2O3和MgO能形成橄欖石(Mg·Fe)[SO4]固溶體,并且橄欖石的結(jié)構(gòu)隨Mg2+,Fe3+離子濃度的不同發(fā)生變化,從而引起顏色差異[1]。因此,水泥中氧化鐵含量越高,形成的有色橄欖石越多,管片顏色越深。

2)粉煤灰是在燃燒煤電廠煙囪中收集的灰塵,再從高溫到低溫,溫度急劇下降的過程中形成的大量表面光滑的球狀玻璃體。粉煤灰的燒失量是表征粉煤灰中未燃燒完全的有機物包括炭粒的數(shù)量的指標(biāo)。燒失量越大,表明未燃盡炭分越多,顏色越深。

3)混凝土在振搗和攪拌過程中除水泥水化外,水與空氣形成極小的氣泡,在混凝土養(yǎng)護時這些小氣泡隨之蒸發(fā)而留下許多微孔形的凹穴。混凝土坍落度越大,混凝土的單位體積用水量就越大,自由水相對越多。光射到物體上時,有色的不透明物體反射與它顏色相同的色光,呈現(xiàn)出顏色。凹穴越多越大,使入射光更多的發(fā)生散射,通過混凝土的光的強度減弱,反射色減弱從而使混凝土色調(diào)變淺。

4)粗骨料中含泥量偏大,潤濕這些石粉顆粒和黏土顆粒需要占用一定量的水,導(dǎo)致混凝土中膠凝材料的用水量相對降低,從而減小了坍落度。自由水少,水分蒸發(fā)形成的凹穴小而少,光的反射更多,管片顏色發(fā)深。

5)張高展等研究表明,養(yǎng)護溫度的提高大幅提升了C-S-H凝膠的聚合度,降低了Ca/Si比,改善了細(xì)觀力學(xué)性能,并使其形貌由絮狀或顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)榉涓C狀或網(wǎng)狀。同時,促進(jìn)輔助膠凝材料發(fā)生火山灰反應(yīng),消耗更多Ca(OH)2晶體(CH),生成C-S-H凝膠或托勃莫來石[2]。C-S-H凝膠色白、疏松,其聚合度的提高和量的增加會表現(xiàn)出混凝土顏色變淺的特征。此外,物體溫度越高,吸收的光越少,對光的反射能力越強,本色越淺,亮度越大。因此養(yǎng)護溫度升高會使得管片顏色變淺。

2 試驗論證

依據(jù)混凝土色差形成的機理,為對以上管片色差的影響因素進(jìn)行驗證,筆者進(jìn)行了系列實驗。

2.1 水泥化學(xué)成分

針對水泥中不同化學(xué)成分含量對管片顏色的影響,特選取了三個顏色差異較大的不同廠家水泥作為樣品,委托第三方進(jìn)行了化學(xué)成分分析,比較水泥中的氧化鐵、游離氧化鈣、氧化鎂含量。分別利用三種水泥制作試件對比不同水泥生產(chǎn)的管片顏色差異。使用相機對水泥樣品及試件進(jìn)行拍攝,并利用圖像處理軟件對拍攝圖片進(jìn)行顏色取樣分析,確定其RGB顏色數(shù)值,依據(jù)公式Gray=0.229×R+0.587×G+0.114×B將轉(zhuǎn)化為灰度值,利用圖片的灰度值量化表示其顏色[3]。實驗情況如圖1,表1所示。

表1 水泥化學(xué)成分對色差影響分析表

根據(jù)水泥中不同成分含量與試件顏色灰度值相關(guān)數(shù)據(jù),運用軟件數(shù)據(jù)分析功能對上述相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出試件顏色隨水泥中不同成分含量變化的回歸曲線及回歸方程。水泥化學(xué)成分對試件顏色影響線性擬合圖見圖2—圖4,數(shù)據(jù)擬合分析見表2—表4。

表2 回歸統(tǒng)計表

表3 方差分析表

表4 回歸參數(shù)表

從回歸分析結(jié)果可以看出,R2與調(diào)整R2均大于50%,說明數(shù)據(jù)與模型擬合程度良好;回歸方程F檢驗、P均小于0.05,說明回歸方程顯著,自變量能夠顯著影響因變量;Adjusted R Square為0.599 299 082,說明自變量能夠說明因變量的59.93%。三個變量中氧化鐵的顯著性水平P<0.001,說明其對試件顏色的影響較大,游離氧化鈣和氧化鎂對試件顏色無明顯影響規(guī)律,可以忽略。可以得出氧化鐵含量越高,構(gòu)件顏色越深[4]。

2.2 粉煤灰燒失量

針對粉煤灰燒失量對混凝土表面顏色的影響,選取了四個不同廠家的粉煤灰進(jìn)行取樣,并分別制作試件,拍照后使用圖像軟件進(jìn)行顏色取樣分析,確定其RGB顏色數(shù)值,結(jié)合公式將轉(zhuǎn)化為灰度值,進(jìn)行顏色分析(見圖5,表5)。

根據(jù)粉煤灰燒失量與試件顏色灰度值相關(guān)數(shù)據(jù),運用軟件數(shù)據(jù)分析功能對上述相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出試件顏色隨粉煤灰燒失量變化的回歸曲線及回歸方程(見圖6)。

表5 粉煤灰燒失量對預(yù)制試件顏色影響分析表

從回歸分析結(jié)果可以看出,R2(0.602 786 613)與調(diào)整R2(0.536 584 382)均大于50%,說明數(shù)據(jù)與模型擬合程度良好;回歸方程F檢驗(0.023 472 941)、P(0.023)均小于0.05,說明回歸方程顯著,自變量能夠顯著影響因變量,即粉煤灰燒失量對試件顏色有較大影響。燒失量越大,構(gòu)件顏色越深[5]。

2.3 混凝土坍落度

針對混凝土的坍落度對管片顏色的影響開展實驗研究,通過使用相同原材料制作試件,控制其他影響因素一致,對比不同坍落度下的管片顏色差異,確定其對管片顏色的影響。坍落度試件效果圖見圖7。

利用圖像軟件進(jìn)行顏色取樣分析,確定其RGB顏色數(shù)值,通過公式將轉(zhuǎn)化為灰度值,作為顏色分析(見表6)。

通過照片比對及灰度值分析可以得出,隨著坍落度的升高,混凝土顏色由深變淺。

2.4 粗骨料含泥量

粗骨料含泥量是指卵石、碎石中粒徑小于75 μm的顆粒含量。管片中要求含泥量不大于0.5%。針對粗骨料含泥量對于管片顏色的影響開展實驗研究。采用單一變量法,使用除粗骨料外其他相同原材料制作試件,對比不同含泥量的粗骨料生產(chǎn)的試件顏色差異,確定其對管片顏色的影響。粗骨料含泥量試件效果圖見圖8。

表6 混凝土坍落度對試件顏色分析表

利用圖像軟件進(jìn)行顏色取樣分析,確定其RGB顏色數(shù)值,通過公式將轉(zhuǎn)化為灰度值,作為顏色分析(見表7)。

表7 粗骨料含泥量對試件顏色分析表

通過照片比對及灰度值分析,可以看出含泥量升高,混凝土顏色深。

2.5 蒸汽養(yǎng)護溫度

管片的養(yǎng)護溫度不同,直接影響管片的水化反應(yīng)進(jìn)程和水化產(chǎn)物的生成,間接影響管片的顏色。通過使用相同的原材料制作板件,在不同蒸養(yǎng)溫度下進(jìn)行養(yǎng)護,分析養(yǎng)護溫度對于混凝土顏色的影響[6]。養(yǎng)護溫度效果圖見圖9。

利用圖像軟件進(jìn)行顏色取樣分析,確定其RGB顏色數(shù)值,通過公式將轉(zhuǎn)化為灰度值,作為顏色分析(見表8)。

結(jié)合目視觀感比較和圖像數(shù)據(jù)分析可以看出,隨著養(yǎng)護溫度的升高,混凝土顏色變淺。

表8 蒸汽養(yǎng)護溫度對試件顏色分析表

3 盾構(gòu)隧道鋼筋混凝土管片色差控制措施

依據(jù)前文對管片色差影響因素的實驗及分析,針對顏色影響較大的幾個因素制定了相關(guān)控制措施。

1)針對水泥氧化鐵含量、粉煤灰燒失量、粗骨料含泥量對色差的影響,嚴(yán)格把控進(jìn)場原材料質(zhì)量。

水泥、粉煤灰每車原材料進(jìn)場后采取對比留樣方式,進(jìn)行留樣,放置于拌合站適當(dāng)位置,由試驗室對來料進(jìn)行顏色比對,合格后方可卸車,對顏色差異較大的原材料堅決進(jìn)行退場處理,并做好記錄。對粉煤灰燒失量、粗骨料含泥量兩個進(jìn)場檢驗項目加強控制,控制相鄰兩批次進(jìn)場原材料指標(biāo)差異幅度。

2)針對混凝土坍落度:增加現(xiàn)場管控試驗人員數(shù)量,加大坍落度檢驗頻次,嚴(yán)格控制施工過程混凝土的水灰比,保持坍落度浮動在20 mm內(nèi)。

3)針對管片養(yǎng)護溫度:嚴(yán)格控制混凝土的養(yǎng)護溫度,升溫速度不得超過15 ℃/h,恒溫溫度控制在45 ℃以內(nèi),在生產(chǎn)條件允許的情況下,通過降低恒溫養(yǎng)護溫度,延長恒溫養(yǎng)護時間的手段提高混凝土拆模強度。避免短期內(nèi)頻繁、大幅調(diào)整養(yǎng)護溫度,在確保養(yǎng)護效果的基礎(chǔ)上避免養(yǎng)護溫度大幅度變化。

通過采取上述色差控制措施,經(jīng)過一段時期的施工驗證,施工要素趨于穩(wěn)定,管片外觀顏色較以前差異減小,觀感一致性得到提升。

4 結(jié)論

1)水泥氧化鐵含量越高,管片顏色越深;粉煤灰燒失量越大,管片顏色越深;粗骨料含泥量越大,管片顏色越深;隨著坍落度的升高,管片顏色由深變淺;養(yǎng)護溫度升高,管片顏色變淺。

2)通過采取相關(guān)施工控制措施,從水泥、粉煤灰燒失量、粗骨料含泥量、坍落度及養(yǎng)護溫度幾個方面入手,控制施工要素趨于穩(wěn)定,管片色差情況得以改善。管片色差的影響因素判斷準(zhǔn)確,控制措施有效。

3)實際施工中,往往是多種因素綜合作用造成了管片表觀顏色差異。除水泥氧化鐵含量、粉煤灰燒失量、粗骨料含泥量、坍落度及養(yǎng)護溫度幾個主要因素外,還可能存在其他影響色差的原因,有待今后進(jìn)一步探索研究。