大直徑盾構管片清水混凝土制備及施工關鍵技術研究

徐海源 周脈席 姜騫 于誠

(江蘇省建筑科學研究院有限公司)

盾構法是修建過江隧道常見方法，具有安全、快速、對環境影響小等優勢。預制管片是盾構隧道施工的主要裝配構件，是隧道最內層屏障，承擔著抵抗土層壓力、地下水壓力等荷載的作用[1-2]。隨著公路交通運輸能力的提升，盾構隧道的開挖直徑越來越大，與之匹配的混凝土管片尺寸也逐漸增大。在大直徑混凝土管片生產過程中，表觀質量是管片質量控制的重要方面[3-5]，主要涉及裂紋、氣泡、色差等問題，對盾構隧道耐久性能、防水性能影響較大，是大直徑混凝土管片生產的一大難點[6-8]。

江陰靖江長江隧道北接靖江，南連江陰，采用水下盾構形式穿越長江，是內地在建最大直徑的盾構隧道、國內水壓最高的水下隧道、全國長度排名第二的長江隧道，工程建設質量要求高。項目管片外徑15.5m、內徑14.2m、厚度0.65m、環寬2m，楔形量52mm，錯縫拼裝，管片沿環向分10 個，即7 塊標準塊，2 個鄰接塊，1 個封頂塊，結構設計使用年限為100年。

本文針對大直徑混凝土管片技術要求，從外加劑、配合比方面開展了管片清水混凝土配制技術研究，并在原材料、澆筑及養護等方面優化施工工藝，提出管片清水混凝土質量控制技術，可為大直徑盾構混凝土管片的質量控制提供參考。

1 管片清水混凝土的配制

1.1原材料

⑴膠凝材料：采用安徽P·Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥，其性能均滿足GB175-2007 標準的相關要求；皖能馬鞍山發電有限公司F 類Ⅰ級粉煤灰，密度2.4g/cm3，流動度比為100%；安徽富鑫S95級礦渣粉，比表面積456m2/kg，流動度比為100%。

⑵骨料：細骨料，粒徑分布為0～2.36mm 河砂，細度模數2.15；粗骨料，粒徑分布為5～25mm碎石，表觀密度2.65g/cm3，針片狀含量為1.0%。

⑶減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司聚羧酸高性能減水劑，A 為一種聚醚型聚羧酸減水劑，B 為一種聚脂類減水劑，固含量均為20%。

⑷纖維：蘇博特潤強絲?-Ⅰ聚丙烯纖維，長度19mm。

1.2試驗方案與方法

管片C60 混凝土配合比如表1 所示，采用調整減水劑品種、調整單位用水量的方法對管片清水混凝土最優配合比進行了優選。混凝土工作性能測試按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能方法試驗標準》執行，混凝土攪拌、成型、力學性能測試按照GB/T 50081-2002《普通混凝土拌合物力學性能試驗方法標準》執行。

表1 混凝土配合比(kg/m3)

目前定量表征混凝土表觀質量還較少。本試驗提出的定量表征方法如下：在相同光照條件下，采用相同相機相同拍攝參數對混凝土表面進行拍照，將采集的圖像數據通過Image-pro 軟件進行灰度處理，并統計混凝土表面氣泡數量和尺寸，取氣泡占分析面積比值作為混凝土外觀質量的主要評價指標，并根據圖片的灰度分布計算灰度均值，評價混凝土管片的色澤特征。

1.3配合比優選與性能分析

不同配合比混凝土工作性能與力學性能如表2 所示，其相應的表觀質量如圖1 所示。可以看出，同一種外加劑，降低單位用水量、提高減水劑，使坍落度保持一致時，混凝土含氣量略有降低，力學性能有所提升，混凝土氣泡占分析面積面積比例有所降低，有助于提升混凝土表觀質量，這可能是減少單位用水量后，水化后混凝土中自由水含量降低，使得這部分引起的氣泡數量也相應減少。對不同種外加劑，相同配比條件下，外加劑B的消泡效果更強，使得新拌漿體的含氣量更低，構件表面氣泡數量更少。綜合考慮，采用配合比5 作為生產配合比最為合適，測試其溫升情況如圖2 所示，蒸汽養護結束后內外溫差低于25℃，開裂風險較低。

圖1 氣泡占分析面積比值

圖2 混凝土內外溫差

表2 不同混凝土工作性能及力學性能

2 施工關鍵技術研究

影響盾構管片表觀質量的因素較多，要提高預制管片的表觀質量，必須從混凝土原材料、施工工藝及養護等多方面同時管控，最大程度降低混凝土外觀缺陷的產生。針對大盾構管片生產工藝特點，著重開展了以下三個方面施工關鍵技術控制。

2.1原材料質量控制

混凝土原材料包括水泥、粉煤灰、砂、石和外加劑等，首先以粉煤灰為例，試驗分析了不同顏色對管片表觀性能的影響規律。按上述基準配合比，將采用圖3 中三種顏色粉煤灰同摻量進行替換后，分析了其對管片表觀質量的影響規律。圖4 中，灰度值反應了硬化混凝土的色澤深淺，灰度值越大，其混凝土表面顏色越淺，灰度標準差表征了混凝土灰度離散性，其值越大，表明離散越大，即色差越大。可以看到，摻粉煤灰a和b混凝土的灰度值分別為148 與156，遠高于摻粉煤灰c 混凝土的灰度值103，說明粉煤灰原色的差異，顯著影響硬化混凝土的顏色，且呈較對應的關系。因此，控制粉煤灰的顏色對改善管片清水混凝土色澤問題有顯著效果，考慮到不同批次甚至是不同運送車輛間粉煤灰的顏色均差異較大，在本項目中，提出按車次對粉煤灰進行管理，將顏色相近的粉煤灰儲存于同一個料罐后，有效解決了管片色差問題，顯著提升了管片批量生產的表觀質量。

圖3 幾種粉煤灰原色差異

圖4 粉煤灰顏色對硬化混凝土灰度分布的影響

可見，原材料是影響混凝土外觀質量，特別是不同批次管片外觀顏色均勻性最為關鍵的因素。對于其他原材料還需重點控制以下方面：水泥是用量最多的膠凝材料，由于水泥生料是按一定的化學成份比例配制的并研磨到一定的細度，均勻混合，在立窖或轉窖中煅燒而成，要采用同廠的，同標號，同類型的水泥，并盡可能選擇同批號、同爐號的水泥，嚴格控制水泥廠的礦物混合料的種類與摻量。外加劑是現代混凝土制備的關鍵組分，一旦確定外加劑的供應廠家和外加劑的種類，應提前做大量的驗證試驗，如沒有充分的試驗驗證，不宜更換品種。

2.2振動工藝

合適的振動工藝是降低管片氣泡問題的重要方面。在振動工藝方面，著重分析了振動時間對管片表觀質量的影響規律。從圖5 和圖6 可以看出，不同振動時間對混凝土表面氣泡問題影響較大，當振動時間依次為10min、15min、20min 時，管片表面氣泡占分析面積的比例從1.6%降低到了1.3%，氣泡數量和大小呈降低趨勢。但20min與25min的兩種工藝的混凝土表面氣泡分布特征差別不明顯，說明振動以后20min 再延長時間后對氣泡的改善效果不明顯。因此，在本項目生產線上，選取振動時間為20min 時，具有較好的經濟性與表觀質量。此外，在澆筑過程中，對于防水條粘結、螺栓孔的氣泡易聚集的位置，還應采用人工振搗的方式進行配合，在模具內斜向插搗，兩個振搗中心間距控制在50cm 左右，有利于促使局部位置的氣泡排出。

圖5 振動時間對管片表觀氣泡的影響

圖6 振動時間對管片氣泡的影響

2.3養護水pH值

管片養護是管片生產質量控制的重要環節。分析發現，養護水的pH 值對管片成品外觀質量有顯著影響。如圖7 所示，當養護水的pH 值為7、8、9、10、11、12 時，管片的顏色逐漸加深，當pH值在10以內時，管片均為正常顏色，灰度均值分別為178、168、165、162，相差不大，但當pH 值為11 時，灰度均值急劇降為135，顏色變為淺黑色，當pH 值為12 時，灰度均值為109，管片表面也變為了深黑色，說明堿性越大，混凝土表面的顏色越深。因此，在水養過程中，由于水泥水化產生氫氧化鈣和水池中石灰的溶解會使得養護水的pH 值不斷增大，因此應加強養護水的檢測，當pH值達到10后時應及時換水，確保管片不會產生色差問題。

圖7 養護水pH值差異對管片灰度分布的影響

3 工程應用效果

綜合以上研究成果，采用優化混凝土配合比、嚴控原材料質量穩定性、優選適當振搗時間及實時檢測養護水pH 值等系統方案后，可顯著提升大直徑盾構混凝土管片的表觀質量，相關技術已成功應用于江陰靖江長江隧道工程，如圖8 所示，現場生產的管片表觀質量達到了清水混凝土標準，有效提升了盾構隧道工程建設的施工質量。

圖8 工程應用效果

4 結論

⑴采用優化減水劑品種、調整單位用水量的方法，制備的混凝土管片具有優異的外觀性能與抗裂性能，可滿足大直徑管片生產的外觀質量要求。

⑵管片生產過程中，嚴格控制原材料質量穩定性、振動時間及養護水pH 值，可有效提升混凝土管片的表觀性能，是管片清水混凝土生產質量控制的重要手段。

⑶研制的管片清水混凝土制備及施工關鍵技術已成功應用于江陰靖江長江隧道大直徑管片的生產，管片成品色澤一致，氣泡少，無裂紋，為同類工程質量控制提供了新思路。