高性能混凝土在福州轨道交通1号线盾构管片中的应用.pdf

2 0 1 4 年 第 1 0期 (总 第 3 0 0 期 ) N u mb e r 1 0 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 CONCRET E PRODuCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 1 0 0 3 6 高性能混凝土在福州轨道交通 1号线 盾构管片中的应用 黄欢 ( 福建省建筑科学研究院，福建 福州 3 5 0 0 2 8 ) 摘要： 论述了福州轨道交通工程盾构管片混凝土原材料技术要求、 耐久性设计原则以及配合 比设计思路。 针对轨道交通工程盾 构管片混凝土的性能特征 ， 通过原材料质量控制、 配合比设计优化， 设计出符合耐久性设计要求的管片混凝土 ， 结合管片生产 、 养护 等特点 ， 提出了盾构管片混凝土质量控制措施建议 。 关键词： 高性能混凝土 ；轨道交通 ；盾构管片 中图分类号： T U 5 2 8 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 1 3 4 0 4 A p p l i c a t i o n o f h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e i n t h e F u z h o u r a i l t r a n s i t l i n e o n e s h i e l d s e g me n t p r o j e c t H【 NGHu a t ( F u j i a n A c a d e my o f B u il d i n g R e a s e a r c h ， F u z h o u 3 5 0 0 2 8 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th e s pe c i fic a t i o n o f r a w ma t e ria l s ， d u r a bi l i t y de s i g n a n d t h e pr i n c i p l e of mi x d e s i gn o f h i g h pe r f o r ma n c e c o n c r e t e i n the F u z h o u r a i l t r a n s i t s h i e l d s e g me n t p r o j e c t a r e d i s c u s s e d P a r t i c u l arl y ， c o n s i d e r i n g th e f e a t u r e s o f t h e c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n o f s h i e l d s e gm e n t i n the r a i l t r ans i t p r o j e c t T h e c o n f o r m i n g o f d ura b i l i ty d e s i gn r e q u i r e me n t s s h i e l d s e gm e n t c o n c r e t e w a s p r e p a r e d ， u n d e r c o n t r o l l i n g t h e a s p e c t s o f the q u a l i ty o f r a w ma t e ria l s and c o n c r e t e mi x o p t i ma l d e s i gn T o g e the r wi t h the c h a r a c t e ri s t i c o f p r o d u c ti o n a n d ma i n t e n anc e i n s h i e l d s e gm e n t ， the p r o p o s e o f s h i e l d s e g me n t c o n c r e t e q u ali ty c o n t r o l me a s u r e s wa s p r e s e n t e d K e ywo r d s ： h i 曲p e r f o r ma n c e c o n c r e t e ； r a i l t r a n s ； s h i e l d s e gm e n t 福州轨道交通 1 线土建工程全长约 2 9 k m， 全部为地 下线 ， 共设 7 座换乘站 。 目前全 国在建的地铁隧道大部分 都采用盾构施工法施工， 在地铁盾构隧道施工中， 管片是 盾构法施工的结构衬砌主体， 对整个地铁隧道的质量和使 用寿命起着关键作用。 福州轨道交通 1 号线土建工程 中区间 所采用的单圆盾构隧道衬砌管片， 衬砌管片外径 西 6 2 0 0 mm， 内径 5 5 0 0 r n l n ， 环宽 1 2 0 0 rai n ， 厚度为 3 5 0 mm。 管片为钢 筋混凝土结构 ， 采用错缝拼装。 衬砌圆环分为 6 块 ： 即小封顶 块 1 块( F ) ， 标准块 3 块( B 1 、 B 2 、 B 3 ) 和邻接块 2 块( L 1 、 L 2 ) 。 管 片环 、 纵 向采用弧形螺栓 连接 ， 环间 以 1 6根 M3 0 纵 向 螺栓连接 ， 每环块与块间以 1 2 根 M3 0的环向螺栓相连。 管片作为地铁隧道的重要组成部分应采用高耐久性 、 适当高强、 适当的工作性和尺寸稳定性的高性能混凝土 ， 因此管片混凝土配合比设计时， 需综合考虑原材料特点 ， 管片制作工艺 、 混凝土性能要求等因素。 而且高性能混凝 土在盾构管片中的应用既延长 了工程结构的使用 寿命 ， 也 能有效提高 自然资源 的利用率【 ” 。 1 管片混凝土原材料及技术要求 1 1 水 泥 盾构管片设计要求宜选用强度等级不低于 4 2 5的硅 酸盐水泥， 其质量必须符合 G B 1 7 5 2 0 0 7 通用硅酸盐水 泥 的要求， 碱含量小于 0 6 0 ， C 含量不宜超过 8 ， 硅 酸盐水泥 比表 面积为 ( 3 0 0 3 5 0 ) m k g ， 在确定最终水 泥品 种之前 ， 应对 水泥与所使用的掺合 料 、 外加剂等进 行复配 试验 ， 以选用匹配的、 性能优 良的水泥。 该配合比在设计过 程中采用福州 台泥水泥有限公 司生产 的 P I I 5 2 5 级水泥 ， 其性能详见表 1 。 表 1 水泥性能 收稿 日期 ：2 O 1 4 _ J0 4 _ 2 8 1 3 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 细集料 管片设计要求不得使用碱活性细骨料 ，要求使用中 砂 ， 品质符合 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 1 1 建设用砂 的规定， 细度 模数 2 9 2 _ 3 符合 I I 区颗粒级配 ， 粒径 0 6 0 0 r n l n累计筛量 不小于 6 5 ， 粒径 0 1 5 0 mm累计筛量不小于 9 5 ， 砂中含 泥量1 5 ， 泥块含量0 5 ， 不得使用海砂、 山砂及风化 严重多孔砂。 本配合比设计用细集料为河砂( I I 区中砂) ， 其 性能详见表2 。 表 2 细集料性能 1 3粗集料 混凝土管片设计要求不得使用碱活性粗骨料 ， 要求使用 碎石 ， 品质符合 G B T 1 4 6 8 5 2 0 l 1 建设用卵石 、 碎石 ， 要 求级配 良好 ， 最大粒径不得大于 3 8 mm， 建议粒径 5 - 2 5 mm， 碎石氯离子含量 0 0 2 ， 含泥量 0 7 ， 泥块含量 0 3 ， 针片状含量 8 0 ， 吸水率 1 0 。 建议粒级 5 2 5 mm， 本 配合 比设计用粗集料为碎石 ， 其性能详见表 3 。 1 4 外加剂 设计要求外加剂的质量应符合 G B 8 0 7 6 -2 0 0 8 混凝 土外加剂 及相关规范要求、 使用时应符合 G B 5 0 1 1 9 _ - 2 0 1 2 混凝土外加剂应用技术规范 及相关规定。 混凝土中采用 表 3 粗集料性能 的化学外加剂的氯离子含量小 于 0 0 2 ( 胶凝材料质量百 分 比) 且应 与水泥 、 掺合料等胶凝材料 匹配性能 良好 。 根据 混凝土性 能要求 ， 合 理选 择减水 剂和抗 裂防水 剂 ， 并 且与 水泥 、 掺合料等胶凝材料 的匹配性能 良好。 管片用混凝土 外加剂减水率应不低于 2 0 ， 高效减水剂 中的硫酸钠含量 不宜 大于减水剂 干重 的 1 5 。 本 配合 比设计用 减水剂 为 T W J s 型缓凝高效减水剂 ， 生产厂为福建建工建材科技开 发有 限公司 ， 其性能详见表 4 。 表 4 外加剂性能 1 5 粉煤灰 设 计要求 粉煤灰 原材料 必须符 合 G B T 1 5 9 6 -2 0 0 5 用于水 泥和混凝土中粉煤灰 中 I I 级灰 以上标准。 本配合 比设计用粉煤灰为 I I 级灰 ， 生产厂为福州市开发区华能实 业有限公司， 其性能详见表 5 。 表 5 粉煤灰性能 1 6砖 设 计要 求 矿 粉原 材 料必 须 符 合 G B T 1 8 0 4 6 -2 0 0 8 用于水泥和混凝 土中粒化 高炉矿渣粉 中 $ 9 5 级及 以上 要求 。 本配合 比设计用矿粉 为 $ 9 5 级 ， 生产厂为福州 罗强 建材有 限公司 ， 其性能详见表 6 。 表 6 矿粉性能 1 7 拌 和用水 管 片混凝土拌 和用水 的氯离子含量 为 9 1 2 mg L ， 碱 含量为 6 0 6 mg m。 2 盾构管片高性能混凝土耐久性设计原则 盾构管片配合 比设计应 以耐久性为核心 ， 根据预先确 定的使用环境类 型和环境作用等级 ， 采取相应的根本措施 和 附加措施 。 采用 合理 的结构构造 ， 便于施工 、 检查 和维 护 ， 减少环境 因素对结构 的不利影响 ， 并对盾构管片混凝 土的制备过程质量控制提出要求 。 在进行钢筋混凝土管片 配合 比设计时应注意如下事项 ： ( 1 ) 为达到混凝土高性能、 高耐久性的要求 ， 盾构管片 混凝 土配制时应选用优质的水 泥 ， 性 能优 良的矿粉 、 粉煤 灰等矿物掺合料 ， 或者选用有上述二者复配形成 的复合 型 胶凝材料 ， 并应限制每立方米混凝土 中胶凝材料 的最低 和 最高用量 ； ( 2 ) 在满 足工作性 、 和易性能条件 下 ， 尽量 降低用水 量 ， 减小水胶 比， 有利于混凝土抗压强度 、 体积稳定性 的提 高 ， 但为保证 混凝土 的抗 裂性能 ， 水胶 比应适 当 ， 不宜过 小 ， 过小的水胶比易导致混凝土 自收缩增大 ； ( 3 ) 尽量降低胶凝材料 中水泥 的用量 ， 掺合材料 中粉 煤灰和矿粉用量应在不 同季节宜作调整 ， 其掺量一般控制 在 3 0 - 4 5 ， 适量粉煤灰 、 矿粉 的掺入可有效提高混凝土 早期抗裂性能 、 体积稳定性圆 ， 掺入粉煤灰 、 矿粉 的 目的主 要在于充分发挥复掺矿物掺合料微骨料效应 、 活性效应 的 增强和增密作用等 ， 提高混凝土密实性 、 抗渗性 以及耐久 性能_3 1 ， 同时有效降低管片混凝土成本 ； ( 4 ) 采用粉煤灰、 矿粉与高效减水剂复掺法， 可降低 混凝土温升， 改善工作性， 提高混凝土后期强度， 并有利 于混凝土 内部结构 的改善 ， 提高混凝 土耐久性 和抗腐 蚀 性能 ； ( 5 ) 管 片混凝 土在 配合 比设计 和配 制过程 中 ， 在 满 足施工和易 性 、 强度 等级 的前提下 ， 应 以混凝土 密实性 、 1 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 抗渗透性能 、 抗裂性 能和抗碳化性 能为主要控制指标 。 为 降低碱一 骨料反应发生 以及管片微裂缝的产生 ， 混凝土宜 采用无碱活性集料 5 ， 混凝土单位立方米总碱含量应满 足要求 ， 同 时为避免 混凝 土 中的钢筋 锈蚀 ， 应 控制混 凝 土 中的氯 离子 含量 。 为提 高混凝 土密 实性 、 增 强抗 氯离 子渗透性 ， 应 降低 胶凝材料 用量 ， 有 利 于提高 管 片混凝 土的体积稳定性 。 3 盾构管片高性能混凝土配合比设计思路 由于管片对 抗渗性 能 、 抗碱集 料反 应性 能 、 抗氯 离 子渗 透性 能 、 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 ， 配 合 比设 计符 合 下列 设 计 要 求 。 ( 1 ) 根据混凝土耐久性设计主要技术要求盾构隧道管 片最小混凝土强度等级为 C 5 5 ， 最大水胶 比为 0 3 5 ， 混凝 土最大碱 含量 为 3 0 k g m ； 混凝土原材料 ( 水泥 ， 集料 、 矿 物掺合料 、 外加 剂等 ) 中引入 的水溶性氯离子 总量不超过 胶凝材料重的 0 1 ； 其 5 6 d 龄期电通量不大于 1 0 0 0 C， 氯 离子扩散系数不大于 3 0 1 0 一 m 2 s ， 抗裂等级不小于 I 级 ， 5 6 d 快速碳化深度不大于 1 0 c m t 6 1 ； ( 2 ) 根据盾构管片耐久性设计要求 ， 其最小胶凝材料用 量为 4 5 0 k g ， 最大胶凝材料用量为 5 2 0 k g ， 同时为减少胶凝 材料中的水泥用量要求矿物掺合料掺量控制在 3 0 4 5 ； ( 3 ) 因盾构管片高抗渗性要求， 抗渗性能应达到P 1 2 ， 管 片混凝土中对坍落度也有严格控制 ， 一般为 3 0 5 0 m n l ， 如果坍落度 大其混凝土 中水 的含量 就越多 ， 混凝 土在模 具 中凝 固时就会有较 多的气泡集 中在模具 的侧 板上 ， 脱 模后就会 在管片 的侧 面上形成较 多的气 泡 ； 而如果坍 落 度较 小 的话 ， 在振 捣过 程 中 ， 则混 凝土 将凝 固得 很快 而 无法振捣 ； ( 4 ) 选用适宜 的砂率 以确保混凝土和易性 良好 ， 易于 浇捣 ， 有利 于保证管片 的设计强度 ， 减少成 品产生裂缝 的 可能性。 砂率过大时， 混凝土吸水量大易收缩开裂； 砂率过 小时， 也不利于拌合物的和易性、 不易施工。 4 盾构管片混凝土性能检测结果和配合比设 计确定 4 1 管片混凝土试配配合 比 该配合 比在设计过程中通过试拌调整 ， 获得三组试配 配合 比见表 7 。 表 7 试配配合比 4 2 管片混凝土性能 混凝土性能详见表 8 。 表 8 混凝土拌合物性能 4 3 目标 配合 比确 定 根据水胶 比及 A、 B和 c三组试配 的 2 8 d抗压强 度 值， 绘制线性关系图， 结合盾构管片混凝土设计要求及经 1 3 6 济成本 ， 最终确定 B组为目标配合比。 通过目标配合 比制 作的混凝土拌合物坍落度为 4 5 mm且具有良好的流动性、 黏聚性及保水性能符合施工设计要求。 混凝土试件 2 8 d 抗 压强度达 6 5 5 P a 符合管片混凝 土设计要求 。混凝土 中 碱含量为 2 3 3 6 k g m ， 氯离子含量为 0 0 2 5 ， 混凝土抗裂 等级为 I 级 ， 混凝土电通量( 5 6 d ) 为 6 7 5 1 C， 5 6 d 快速碳 化深度为 0 5 c m， 氯离子扩散系数为 2 2 1 0 一 z m2 s ， 满足盾 构隧道管片耐久性设计要求。 5 盾构隧道管片混凝土质量控制措施建议 5 1 管片混凝土生产、 制作技术要点 ( 1 ) 管片混凝土采用插入式振捣工艺 时 ， 振 动棒严禁 与钢模 接触 ， 不得支撑在钢筋骨架上 ， 不允许碰撞 芯棒 及 预埋件 。 ( 2 ) 混凝土先两端后中间均匀布料， 并分层摊铺。 沿弧 长方向先两端后中同、 宽度方向先中间两侧进行混凝土振 捣 ， 振捣插入点间隔半径不大于 3 0 c m。 ( 3 ) 混凝土进行分层振捣， 振捣第二层时， 插入式振动 棒必须插入到下层 l O c m左右 ， 振捣棒拔时必须慢慢提拔 ， 不得留下插人孔 。 ( 4 ) 振捣 时振动棒严禁与钢模接触 ， 不碍支撑在钢筋 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 骨架上 ， 不允许碰撞芯棒及预埋件 ， 振动棒作做到快插慢提 。 ( 5 ) 混凝土采用分层下料方式以减少表面气泡 。 混凝 土下料后 开启 振动器 ， 模具不允许 空振。 应 保证混凝土连 续成型， 振动时间的控制以混凝土不出现离析分层并密实 为准 ， 不允许过振 ， 也不允许欠振 。 ( 6 ) 盾构隧道管片生产中， 要防止外弧面微细裂缝的 产生， 保证管片混凝土保护层厚度满足设计要求。 ( 7 ) 管片混凝土必须使用提高混凝土耐久性和脱模早 期强度 的外加剂 ， 严格控制管片脱模起 吊强度不低于设计 强度 的 4 5 。 5 2 管片混凝土养护和运输技术要点 ( 1 ) 养护混凝土浇筑成型后至开模前 ， 须覆盖保湿 、 静 停预养护后采用蒸汽养护或自然养护方式进行养护。 ( 2 ) 实行蒸汽养护制度时 ， 应经试验确定混凝土养护制 度。 管片混凝土应进行预养护， 升温速度不应超过 1 5 l 1 ， 降 温速度不应超过 2 0 l 1 ， 恒温最高温度不应超过 6 0 。 蒸养 过程中要勤观察 ， 及时调整供气量 、 控制温度 、 升降温速度。 时间过长 ， 管片水分易散失 ， 收缩产生裂纹 ； 时间过短 ， 水泥 水化产物无法及时扩散 、 分散不均匀 ， 管片表面易出现较大 的孔 ， 颜色不均匀 ， 产生青斑 ， 影响管片质量和性能。 管片在 脱模前 ， 应保证混凝土的温湿度 ， 避免温度下降太快而产生 裂纹 。 ( 3 ) 管片出模时 ， 注意 当管 片表 面温度 与环境 温度大 于 2 0时 ， 需在室 内车间降温 ， 直至管片表面温度 与环境 温差不大于 2 0。 管片在达到规定的蒸汽养护时间和起 吊 强度后才可进行起 吊 ， 以保证管片质量 ， 管 片在贮存 阶段 进行保湿养护 ， 在水养池养护时间不少于 7 d 。 在水 体中要 保持 C a ( O H) 溶液饱和， 杜绝裂缝发生。 管片经水养护后， 要专用场地集 中堆放 ， 夏季要做好喷淋养护。 ( 4 ) 在 管片 冬季生 产 中 ， 混凝 土 人模 温度 不宜低 于 2 0 ， 管片生产车间必须采取措施防止穿堂风 ， 冬季还要 防止管片混凝土受冻害的影响。 ( 5 ) 管片的运输 、 保存应采取措施 防止管片破损 ， 破损 管片 的修补应严格按照设计规定执行 。 6工 程 应 用 在福州市轨道交通工程盾构隧道管片混凝土中， 通过采 取上述配合比设计优化以及混凝土质量控制措施 ， 使得所设 计的管片混凝土的相关性能指标在具体工程应用 中均能满 足福州轨道交通工程盾构隧道管片混凝土耐久性设计要求。 ( 1 ) 混凝土拌合物性能 福州 轨道交通工 程所应用 的 C 5 5 P 1 2管片混凝 土混 凝土拌合物的和易性 良好 ， 初始坍落度控制在 3 0 5 0 1 T U T I 范围内 ， 含气量 2 0 3 0 。 ( 2 ) 混凝土力学性能 C 5 5 P 1 2 管片混凝土抗压强度为 6 5 0 6 7 9 MP a ， 由于 在配合 比设计过程 中依据 J G J 5 5 2 0 l 1 普通混凝土配合 比设计规程 ， 相应的提高了混凝土的设计强度值要求， 并 严格控制了原材料的质量， 因此实际工程应用的管片混凝 土质量均能达到优 良水平 。 ( 3 ) 管片混凝土耐久性能 管片混凝土的碱含量控制在 2 0 2 6 k g m 范围内 ， 混 凝土氯离子含量 为 0 0 1 8 0 0 3 0 ， 混凝 土的抗裂等级为 I 级 ， 混凝 土电通量( 5 6 d ) 不大于 1 0 0 0 C ， 5 6 d 快速碳化深 度 为 0 3 0 6 c m， 氯 离子扩 散系数 为 ( 2 0 2 4 ) 1 0 ： m 2 s ， 福 州轨道 交通工 程应用 的管片混凝 土耐久性 能均达到耐 久性设计要求 。 7结 论 福州 市轨道 交通 1 线工 程盾构 隧道 管片混 凝土 在 配 合 比设 计过 程 中 ， 通过 采用 粉煤灰 、 矿粉 和高效 减水 剂 的复掺技术 ， 实现减少 水泥用量 、 用水 量 ， 进 而提 高管 片 混凝 土密实度 、 抗渗性 能 、 抗裂性 能和抗碳化性 能等 ， 并通过严格控制原材料质量 、 掺合料掺量 的合理优化 ， 可 以设 计和 生产 出性 能符合 耐久 性设 计要 求 的高性 能钢 筋混凝土管 片。 参考文献： 1 NE WMAN J ， CHO O B S Ad v a n c e d C o n c r e t e T e c h n o l o g y M E n g l a n d： El s e v i e r Lt d ， 2 0 0 3 2 HAL E W M， e t a 1 P r o p e r t i e s o f c o n c r e t e mi x t u r e s c o n t a i n i n g s l a g c e me n t a n d f l y a s h f o r u s e i n t r a n s p o r t a t i o n s t u u c t u r e s J C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i ng Ma t e r i als， 2 0 08， 2 2： 1 9 0 02 00 0 【 3 】MEH T A P K， MO NT ER I RO P J M C o n c r e t e Mi c r o s t r u c t i o n， P r o p e r t i e s ， a n d Ma t e ria l s M Ame r i c a ： Mc G r a w - Hi l l ， T h i r d Ed i t i o n ， 2 0 0 3 【 4 】郭伟， 等 外加剂与水胶比对混凝土氯离子渗透性的影响 J 硅 酸盐通报 ， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 4 7 8 1 4 8 3 5 HE Z HE N， e t a 1 I n fl u e n c e o f a l k a l i o n r e s t r a i n e d s h ri n k a g e b e h a v i o r o f c e me n t - b a s e d ma t e ria l s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5： 45 7 46 3 【 6 】 朱祖熹， 陆明 ， 柳献 隧道工程防水设计与施工【 M】 - 京 ： 中国建 筑工业出版社 ， 2 0 1 2 作者简介： 黄欢( 1 9 8 5 一 ) ， 女， 硕士研究生， 研究方向： 从事高性 能混凝土材料 、 市政交通工程材 料检 测及应用研究 工作。 联系地址 ： 福建省福州市仓山区金塘路 5 2号( 3 5 0 0 2 8 ) 联系电话 ： 1 5 9 5 9 1 5 3 9 9 0 1 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m