地铁隧道混凝土管片蒸汽养护恒温期研究.pdf

7 0 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 1 1 0 0 7 0 0 3 地铁隧道混凝土管片蒸汽养护恒温期研究 黄绪泉。 ， 彭艳 周 ， 杨雄 利 ( 1 三峡大学 水利与环境学 院 ， 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ； 2 三峡大学 土木与建筑学院 ， 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ； 3 中铁十八局集团有限公司 ， 天津3 0 0 2 2 2 ) 摘要 ： 蒸 汽养护 制度是 生产 高品质 地铁 混 凝 土 管 片 的关键 ， 而 恒 温期 是 管 片混 凝 土 强度 增 长 的 重要 阶 段 ， 其具体参数的优选至关重要 。本文在前期预养期优化参数的基础上， 通过对水泥混凝土水化产物的 组成和实际蒸汽养护情况的分析 ， 在混凝土管片试生产 中采用分别固定恒温时间和恒温温度 ， 变动其他 参数 的 方法 ， 研 究 不 同养护 制度 下恒 温时 间和恒 温温度 对 混凝 土 管片 强度 、 残 余 变形 、 抗渗 和 裂 缝情 况 的影响， 并最终确定混凝土管片蒸汽养护制度恒温期的具体参数， 为混凝 土管片蒸汽养护提供技 术 支持 。 关键词： 混凝土管片 蒸汽养护 恒温期 恒温温度 恒温时间 中图分类 号 ： T U 5 2 8 0 6 4 ； T U 5 2 8 0 6 2文献标 识码 ： B D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 1 1 2 2 盾构 技术 具有对 环境影 响小 、 施工 自动化 程度 高 、 施工速度较快 、 劳动强度低等诸多优势 ， 因而被地铁隧 道施工建设广泛使用。但是盾构施工精度要求高 ， 尤 其是采用盾构法施： 时隧道结构的主要组成部分地铁 混凝土管片 ， 其性能和精度直接影响到后期的管片拼 装精度 、 隧道的防水防漏性能和整个隧道的安全程度。 天津地铁 2号 、 3号线 建设需 1 2 5 0 0 环管片， 管片 设 计 强 度 等级 C 5 0 ， 抗 渗 等 级 P 1 0 。按 照业 主工 期 要 求 ， 采用钢模预制和蒸汽养护混凝土管片 ， 要求蒸汽养 护时间不超过 8 h ， 蒸汽养 护后混凝土管片表 面无裂 纹 ， 脱模 强度 不小 于 2 0 M P a ， 宽度 残余 变形 0 2 m m、 弧弦长残余变形0 7 mm。同条件养护试件( 以下简 称 同条 件试 件 ) 2 1 d时抗 压强度 达到 强度等 级 C 5 0， 抗 渗等级达到 P I O 。因此， 最佳 的蒸汽养护制度成为管 片预制的关键。而在蒸汽养护制度 中预养期 、 升温期 、 恒温期和降温期 4个阶段中， 恒温期是混凝 土强度的 主要 增长 阶段 ， 恒温期 温 度 和 时 间决 定 了混凝 土 强 度 ( 文 中强度 均 指 抗 压 强 度 ) 及 其 他 物 理 力 学性 能 。钢 模 和混 凝土 热膨胀 系数 差别较 大 ， 混凝土 恒温 温度 高 ， 而实际蒸养时为加快模板周转， 会直接降温 ， 导致混凝 土管 片产生 表 面裂纹 。水泥 水化初 期产 物 主要 是水 化 硅酸钙凝胶和起骨架作用的钙矾石晶体 ， 管片蒸养 中 恒温温度超过 7 0 时 ， 具有膨胀性的钙矾石会部分分 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 3 0 6； 修 回日期 ： 2 0 1 3 0 4 - 2 5 基金项 目： 三峡大学人才科研启动基 金项 目( K J 2 0 1 2 B 0 2 9 ) 作者简介 ： 黄绪泉 ( 1 9 7 5 一) ， 男 ， 湖北荆门人 ， 副教授 ， 博士。 解 ， 造 成 内部 结 构 破 坏 而 导 致 混 凝 土 管 片 开 裂 。 因此 ， 必须 根据 现场原 材料 和场地 情况 ， 进行 现场混 凝 土管片试生产 ， 探讨蒸汽养护制度 中恒温温度和恒温 时间对混 凝土管 片 的影 响 ， 为 混 凝 土管 片 大 面积 生 产 做 准备 。 1 原材料及配合 比 1 1 原材 料 天 津振兴 P O4 2 5水 泥 ； 福 建 闽 江 中粗 砂 ， 细 度 模数 2 5 3 1 ； 河北蓟县 5 2 5 m m连续级配碎石 ； 天 津大港 电厂 级粉煤 灰 ， 烧失量 7 ， 需水 比 1 0 3 ； 天 津鑫永强外加剂厂 S P 4 0 1 高效减水剂 ， 减水率 2 0 。 1 2 管 片混凝 土 配合 比 水泥 ： 水 ： 砂 ： 碎 石 ： 粉 煤 灰 ： 减 水 剂 =3 9 0 ： 1 4 7 ： 6 7 0 ： 1 2 4 4 ： 8 0 ： 1 0 。坍 落度控 制在 ( 4 0 4 - 2 0 ) m m。 2蒸汽养护试验方案 2 1 养护罩 和热 电偶设 置 采用 2 t 蒸 汽锅 炉 提供 蒸 汽 。在蒸 汽 养护 罩 中 养 护 ( 图 1 ) ， 养护 罩长 4 3 m、 宽 2 1 m、 高 1 6 m， 由角 钢 骨架上蒙双层帆布制成， 帆布问夹 5 m m石棉保温层 。 蒸汽养护罩与混凝土管片表 面之 间的间距 为 2 0 c m， 保证 罩 内水蒸 汽充分 对 流 ， 在 混凝 土 管 片 上覆 盖 一 层 0 3 m m厚塑料膜， 避免水蒸汽与混凝土管片表面直接 接 触 。采 用 预埋在 管片 中部 的铜 一康 铜热 电偶测 量混 凝 土管 片 内部 温度 随蒸 汽养护 恒温 温度 的变化 。 2 0 1 3年第 1 1期 黄绪泉等 ： 地铁隧道混凝土管片蒸汽养护 恒温期研 究 7 1 图 1 养护罩 2 2基础蒸汽养护制度主要参数设定 预养 温度 为 2 0 ， 按 照 文 献 6 中预 养 期 公 式 t =一 5 4 8 + 2 9 3 ( 为预养温 度) ， 计算 出预养 时间 t 为 1 8 3 m i n ， 即 3 0 5 h 。其 它参 数 根据 文 献 7 8 和 经 验暂 定 为 ： 升 温速 度 2 0 h ， 降 温 速度 4 0 h ， 降 温 后 与环 境温 度相 差 2 0 。测试 恒 温 时 间 为 1 h ， 恒 温 温度 为 4 5 ， 5 O ， 5 5 ， 6 O ， 6 5和 7 0时 混凝 土 的温 度 变化 曲线 ， 以及 固定 每个 恒 温温 度 而变 化 恒 温 时 间 对混 凝 土管 片性 能 的影 响 。 3结果与分析 3 1 恒 温 温度对 蒸 汽养 护混 凝 土管 片性能 的影 响 图 2中 ， 实线 为不 同恒 温 温 度 下 混凝 土 管 片 内部 温度 变化 曲线 ， 虚 线 为不 同恒 温 温 度 下蒸 汽养 护 温 度 曲线 ， 其 中水 平虚 线段 为恒 温期 。 从图 2可以看 出， 混凝土管 片内部最高温度约在 恒温期结束后 0 51 5 h ， 恒温温度越高到达最高温 度 的 时间 越 短 ， 之 后 混 凝 土 管 片 内 部 温 度 基 本 处 于 p 赠 70 6 0 5 0 4 0 3 O 2 O 1 0 0 8 O 7 0 6O p 5 0 4 O 蛹 3 0 2 O l 0 O 时 间， l l ( a 1 恒 温温度4 5时 时 间 h ( c 恒温 温度5 5时 7 6 。 0 5 0 蓦 4。0 2 1 。 0 O 8 0 7O 6O p 5 0 4 O 赠 3 0 2 O l 0 O 时间 h ( b )恒温温度5 0时 时间， h ( d ) 恒温 温度6 0时 时 间九 1 时 间， I1 ( e ) 恒温 温度6 5 时 ( f 恒温温度 7 O时 图 2 不 同恒温温度下混凝土管片 内部温度变化 缓慢的降温阶段 。在基础蒸汽养护制度所设定的前提 条件 下 ， 要 保 证 混 凝 土管 片 内部最 高 温 度 不 超 过 7 0 ， 恒 温温 度 不 可 超 过 6 0 。因 此 在 研 究 恒 温 温 度对混凝土管片性能的影响时， 只考虑 4 5至 6 0， 按预 定方 案选 取 ， 结 果如 表 1 。 表 1 恒温温度对混凝土管片性能 的影 响 由表 1可见 ， 随着恒温温度的升高 ， 混凝土脱模强 度 升高 ， 且 在 5 5 和 6 0 脱 模 强 度 达 到 2 0 M P a以 上 ， 同条件 试件 强度 和抗 渗等 级下 降 ， 混 凝土 管片 残余 变形增 大 ， 6 0 时宽 度 残余 变形 已经 达 到 规 定 的 0 2 mm的限值 ， 但管片未见裂纹 。这是因为： 在恒温 温度高时 ， 水化反应更快 ， 新生水化产物以非常小 的粒 子 出现， 构成 比较多的具有一定结 晶连生体 ， 低密度的 钙 矾石 大量 向高密 度 的单 硫 型 水 化 硫 铝 酸 钙转 变 ， 可 能影响水泥石微观结构 ， 使孔 隙率增加 ， 导致强度 、 抗 冻抗渗性 等性能降低 。但 因并没达 到钙矾 石分解 温度 ， 不 会 出现钙 矾石分 解 而导致 的 内部结构 破坏 ， 因 而管 片无 裂缝 。 3 2 恒 温 时间对 蒸汽 养护 混凝土 管片 性能 的影 响 恒温 时 间为 0 5 ， 1 0 ， 1 5， 2 0， 2 5和 3 0 h时不 同恒温 温度 下混凝 土 管片均 无裂缝 产 生 。在 同一 恒温 温 度下 不 同恒 温 时 间段 混 凝 土管 片 裂 缝 情 况 、 抗 渗 、 7 2 铁道建筑 宽度残余 变形和弧弦长残余变形没有变化。恒温 时 问对 脱 模 强度 和 同 条 件 试 件 强 度 的 影 响见 图 3和 图 4 。不 同恒 温 温 度 下 恒 温 时 间 与 脱 模 强 度 的 关 系 见 表 2。 皇 越 皤 盔 恒温 时间， l 图 3 恒温时间对脱模强度的影响 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3 0 恒温 时间 ll 图 4恒温时间对同条件试件 强度的影 响 表 2不 同恒温温度下恒温时 间和脱模 强度关系及 脱模 强度达到 2 0 MP a所需恒温 时间 由表 2 、 图 3和 图 4可 见 ， 随着 恒温 时 间 的延 长 ， 混凝土脱模强度逐渐增大 ， 其 中恒温温度 为 5 5和 6 O c I = 时 ， 恒 温时 间 在 1 h以 内脱 模 强 度超 过 2 0 MP a 。 同条件试件强度平稳波动， 残余变形 、 抗渗等级和裂缝 情况亦无明显变化 ； 恒温温度越高 ， 混凝土脱模强度越 高 ， 而同条件试件强度却越低。这是因为经过预养 和 升 温期 的养 护 ， 在恒 温 温 度 高 时 ， 水化 反 应 更快 ， 新 生 水化物以非常小的粒子出现 ， 构成 比较多的结晶连生 体 ， 继续蒸养时 ， 结晶的生长使 最初的连生体密实强 化 ， 因而脱模强度较高。 同条件试件强度是模拟管片实际生产情况采用先 蒸养后湿养程序所得结果， 所 以试件是在强度 已形成 的情况 下再 继续 发生 水 化反 应 和 产 生水 化 产 物 ， 从 而 在 已经很密 实 的结构 体 内部 产 生 膨胀 内应 力 ， 影 响连 生体的整体性并导致混凝土内部微裂纹的产生 。随着 恒 温时 间延 长 ， 新 生成 的水 化产 物 的填充 逐 渐 使 水 泥 石 的微裂缝 及缺 陷 自愈 ， 强度 又恢 复增长 ， 这种 影响直 接 导致 同条 件试 件 强度 波 动 。恒 温温 度 越 高 ， 水 化越 迅速 ， 消耗 原料越 多 ， 初 期产 生 的 水化 物 越 多 ， 导致 内 应力更大 ， 产生的微裂纹更多 ， 后期产生的水化产物相 对较少， 不足以填充微裂纹起到强化作用 ， 因而恒温温 度越高， 同条件试件强度总体反而低 ， 残余变形最大 ， 抗渗 也最差 。 4 结 论 1 ) 恒温 温度 在 4 5 6 0 c I = 时 ， 随着 恒 温 温 度 的 升高， 混凝土脱模强度升高 ， 同条件试件强度和抗渗等 级下降 ， 混凝土管片残余变形增大 ， 管片未见裂纹。在 同样条件下 ， 恒温 1 h ， 恒温温度为 6 0时 ， 虽然弧弦 长残余变形 、 强度、 抗渗等级和裂缝情况均达标 ， 但 宽 度 残余变形 已经达到 规定 的 0 2 h i m 的限值 。 2 ) 随着 恒温 时 间的 延长 ， 混 凝 土脱模 强 度逐 渐增 大 ， 同条件 试件 强度平 稳波 动 ， 混凝 土管 片其 它性 能未 见 明显 变化 。在 恒 温温 度 为 5 5 和 6 0 时 ， 恒 温 时 间分别 为 0 6 0 2 h和 0 2 6 4 h时 ， 强度就 能达 到 2 0 MP a 以上 ， 满足脱模要求。 3 ) 为保证 混凝土 管片 的养 护质量， 在 预养温度 2 0、 时间 3 1 h 、 升温速度 2 0 h 、 降温速度4 O h 、 降温后 与环 境温差 2 0 c C的条件下 ， 恒 温温度 和恒 温时 间宜分别定为 5 5和 0 6 0 2 h 。 参 考 文 献 1 马保 国 ， 白建飞 ， 王凯 ， 等 隧道管片混凝 土蒸养工艺参数 的 研究 J 现代隧道技术 ， 2 0 0 8 ， 4 5 ( 1 ) ： 7 1 7 6 2 丁庆军 ， 曾波 ， 彭波 ， 等 大手孔隧道混凝土管片裂纹的成 因 分析及改善措施 J 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 7 ) ： 5 9 6 0 ， 6 8 3 阎培渝 ， 覃 肖， 杨文言 大体积补偿 收缩混凝 土 中钙 矾石 的 分解与二次生成 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 4 ) ： 3 1 9 3 2 4 4 杨久俊 ， 海然 ， 吴科如 钙矾石 的结构变异 对膨胀水 泥膨胀 性 的影 响 J 无机材料学 报， 2 0 0 3 ， 1 8 ( 1 ) ： 1 3 6 1 4 2 5 L A WR E N C E C D Mo r t a r e x p a n s i o n s d u e t o d e l a y e d e t t r i n g i t e f o r ma t i o n J C e me n t C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 5， 2 5( 4)： 9 0 3 9 1 4 6 杨雄利 地铁隧道衬砌管 片蒸汽养 护预养期试 验研究 J 铁道建 筑 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 6 7 7 O 7 庞强特 混 凝土 制 品工 艺学 M 武汉 ： 中国铁 道 出版社 ， 1 99 0 8 马保 国 ， 温小栋 ， 潘伟 ， 等 蒸养温度与水化热协 同下 混凝土 热稳定性研究 J 硅酸盐通报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 2 ) ： 2 3 7 2 4 1 ( 责任审编葛全红) 甜 鳃 日 、 疆 蛙枣礤匠