摘要：管片性能優劣直接關系到隧道工程的服役壽命。針對武漢長江盾構隧道復雜的工程環境,引入功能梯度材料原理,設計并成功制備出功能梯度混凝土管片,探討了其生產關鍵技術,并對其綜合性能進行了跟蹤檢測。
關鍵詞：盾構隧道;功能梯度混凝土管片;生產工藝;性能
[中圖分類號] TU528 [文獻標識碼] A [文章編號] 100228498 (2008) 0120106203
目前,功能梯度材料在混凝土領域的研究及應用已越來越引起研究者們的重視。M. Maalej 等[1] 對比研究了功能梯度混凝土梁和普通鋼筋混凝土在腐蝕作用效應下的耐久性及結構特征,發現功能梯度鋼筋混凝土梁表現出更優異的抵抗腐蝕介質侵蝕的能力,因而耐久性更好。楊久俊等[223] 進行了水泥基梯度復合材料成型方法的研究,并就組分和密度梯度變化與材料的熱傳導性、抗折及抗壓強度的關系作了初步研究,發現采用多層振動成型的方法,可以基本保證組分的連續梯度變化,其隔熱性能和抗折、抗壓強度有明顯提高。
然而,從已有的研究資料看出,目前功能梯度材料在水泥基材料中的研究應用還很初步,大多集中在對試驗現象的報道,未見相關的理論探討及生產應用方面的系統研究。本文針對鋼筋混凝土管片進行設計優化,采用分層澆筑的手段,制備出具有多重功能并實現其梯度分布的功能梯度混凝土管片(Functionally Graded ConcreteSegment ,簡稱FGCS) ,使之具備外保護層高抗滲、抗裂,主體結構層高強度,內襯層防火抗爆等多重功能。
1 工程概況
武漢長江隧道工程是長江第一條大型過江交通隧道工程,設計為雙洞雙向四車道,采用盾構法施工,其中盾構隧道工程總長5 049.2m,鋼筋混凝土管片采用C50S15 混凝土,內徑為10m,外徑為11m,每片弧長約4m,環片厚度500mm,環片寬度2 000mm,共2 533 環,每環31.75m3 混凝土,折合混凝土總量約為80 423m3 。每環管片分為9 塊,其中封頂塊1 塊、鄰接塊2 塊、標準塊6 塊。管片在環縱向均設凹凸榫槽。
為了延長盾構隧道的水下服役壽命,提高盾構管片的抗滲、抗裂性能,本專題試驗對功能梯度材料在預制混凝土管片的生產做了較為系統的研究,并成功地在武漢長江隧道管片的生產中得到了應用實施。
2 FGCS 生產試驗
2.1 FGCS 生產工藝流程
模具組裝→模具調校→鋼筋骨架入模及預埋件安裝→混凝土結構層澆筑成型→混凝土抗滲層澆筑成型→蒸汽養護(自然養護) →脫模→成品檢驗、修補及標識→運至水池養護→噴涂外防水涂料→隧道安裝后噴涂外防火涂料。
2.2 施工工序及質量控制
2.2.1 施工準備
1) 模具組裝
徹底清理模具內外表面的殘渣,均勻涂抹脫模劑。按端模板、側模板與底模板的順序依次將固定螺栓裝上,從中間位置向兩端順序擰緊,嚴禁反順序操作,以免導致模具變形。
2) 模具調校
組裝好模具后,對其寬度、弧長、手孔位進行測量,不合格者進行及時調校,必須達到模具限定公差范圍,以保證精度。檢測方法為:利用0～2 100mm 量程的內徑千分尺檢測鋼模的寬度,誤差為+ 0.2P- 0.4mm;利用0～5m量程的鋼卷尺檢測鋼模底板的弧長,誤差為±1mm。
3) 鋼筋骨架入模及預埋件安裝
用四點吊鉤將鋼筋骨架按模具規格對號入模。起吊過程必須平穩,不得使鋼筋骨架與模具發生碰撞;螺桿頭部必須全部插入到手孔座的模孔內,防止連接不緊出現縫隙,造成漏漿現象;檢查各附件是否按要求安放齊全、牢固; 檢查鋼筋骨架保護層墊塊是否安放正確,保證主筋保護層外側為50mm,內側為40mm。
2.2.2 結構層混凝土澆搗
結構層混凝土配合比如表1 所示。
注:J0 組為常規工藝管片配合比,J1 組為FGCS 結構層配合比;砂、石以飽和面干狀態為基準
混凝土按先模具兩端后中間的順序進行放料;澆搗采用混凝土分批放料,從而實現分層振搗。當混凝土加到合適的量后加蓋界面處理蓋板,采用人工插入式振搗方式,使用振搗棒振動成型。
2.2.3 高抗滲保護層混凝土澆搗
高抗滲保護層采用無細觀界面過渡區水泥基材料MIF ,擴展度控制在(140 ±10)mm內。經過測試,MIF 材料蒸養12h 脫模強度≥15MPa ,7d 出池時抗壓強度>35MPa ,且28d 強度≥60MPa ;Cl - 擴散系數≤0.8 ×10 - 13m2Ps ,抗滲等級≥S40 。高抗滲保護層混凝土配合比: ①水泥686kgPm3 ; ②改性增強密實填充組分M1 為51.5kgPm3 ( 5 %) , M2 為257.7kgPm3 ( 25 %) , M3 為30.9kgPm3 ( 3.0 %) ; ③減縮抗裂組分SRC S1 為20.6kgPm3 (2.0 %) ,S2 為1.82kgPm3 。集膠比1.33 ,水膠比0.24 。
在結構層澆筑振搗完成后20min 左右,將攪拌好的保護層混凝土澆筑于結構層之上,使用振搗棒進行布點插搗,每個振動點振動時間控制在10～20s 內,振動密實后振搗棒必須慢慢拔出,然后蓋上頂板。
2.2.4 混凝土抹面
打開頂板的時間一般在混凝土澆筑后45min 左右,具體時間隨氣溫及混凝土凝結情況而定。
1) 粗抹面 使用鋁合金壓尺,刮平去掉多余混凝土(或填補凹陷處) ,使混凝土表面平順。
2) 中抹面 待混凝土表面收水后使用灰匙進行光面,使管片表面平整光滑。
3) 精抹面 以手指輕按混凝土有微平凹痕時,用長匙精工抹平,力求使表面光亮無灰匙印。混凝土澆筑完1h 左右在混凝土表面噴灑混凝土抗裂養護液M1500 。
2.2.5 蒸汽養護
采用蒸汽養護提高混凝土脫模強度、縮短養護時間,混凝土初凝后合上頂板,在模具外圍罩上一個緊密不透氣的養護罩,進行蒸汽養護。
混凝土降溫后將同期同條件成型混凝土試件進行試壓。強度達到15MPa 以上時,開始脫模。脫模順序:
松開灌漿孔固定螺桿,打開模具側模板,打開模具端板,將吊具連上管片,振動脫模。
2.2.6 噴涂防水涂料
管片脫模水養7d 后,進行外層防水涂料噴涂。
1) 保證混凝土基層的防水作用表面應干凈、無油污、灰塵及其它雜物,涂刷的防水涂料完工后48h 內不得積水。
2) 防水涂料用量為1.5kgPm2 以上。
3) 施工采用噴涂方式,噴涂時噴嘴距涂層要近些,以保證灰漿能噴進表面微孔或微裂紋中。在第1 遍防水涂層完成后,用手指輕壓無痕,4h 后即可進行第2 遍防水涂層施工,如太干則應噴水濕潤養護。
2.3 管片尺寸檢測
1) 單塊管片尺寸檢驗
用0～2 100mm和0～510mm量程的游標卡尺分別測量管片的寬度和厚度;用5m規格的鋼卷尺測量管片弧長;用直徑1mm,7m 的尼龍線對扭曲變形情況進行檢驗。檢測標準如表2 所示。
2) 環片水平拼裝檢驗
管片生產后,對每套鋼模生產的環片按如下規定作水平拼裝檢驗:開始正式生產三環后,經一次水平拼裝檢驗合格后可定為每生產200 環作一次水平拼裝檢驗[4] 。水平拼裝的檢驗標準如表3 所示。
本研究試驗生產的三環管片經尺寸檢驗皆符合設計標準。
2.4 管片外觀檢測
通過表面觀測及裂縫測寬儀對常規工藝管片及FGCS 進行現場檢測。常規工藝管片用肉眼可以觀察到明顯裂紋,經測寬儀測試裂紋寬度在0.15～0.3mm,而FGCS 無肉眼可見裂紋,用測寬儀測試裂紋寬度在0.02～0.1mm,同時由于MIF 材料具有長期的自修復、自愈合功能,因而小于0.1mm 的初始裂縫在實際工程應用中是可以接受的。
2.5 管片力學性能測試
由于管片體積大、造價高,使用常規的檢測手段無法對其進行有效的監測。本研究采用回彈法和超聲回彈綜合法對常規工藝管片和功能梯度管片28d 抗壓強度進行檢測,并結合同批成型試件強度測試結果進行分析,其結果如圖1 所示。由圖1可知, FGCS 的28d 抗壓強度,無論內表面還是外表面均高于常規工藝管片。
2.6 管片抗滲試驗
將達到28d 齡期的混凝土管片置于檢漏試驗臺,以0.2MPa 為初始水壓值,每隔15min 增加0.2MPa ,達到0.8MPa 后恒壓4h。抗滲性能標準值為0.8MPa 下恒壓4h ,滲透深度不超過50mm。根據檢漏試驗表征管片抗滲性能,得到FGCS 與常規工藝管片的對比情況: ①常規工藝管片 0.8MPa 下恒壓4h ,出現1 條滲透,滲透深度15mm; ②FGCS 0.8MPa 下恒壓4h ,未出現滲透,滲透深度0mm。
3 結語
1) 本研究從梯度材料角度出發,提出混凝土功能結構的復合設計。采取雙重或多重結構設計及功能層疊加等復合結構設計,實現混凝土結構的特殊性能要求。研究結果表明,通過材料與結構的設計變化,實現了裝飾性能與物理力學性能的三階段梯度。
2) 采用自行設計加工的界面處理蓋板對功能梯度混凝土管片界面(結構層2保護層) 進行處理,形成嵌入式網格形界面,使得結構層材料與保護層材料完美有機統一。
3) 對生產的FGCS 性能進行了跟蹤檢測,結果表明,FGCS 力學性能優良,28d 外弧面(保護層) 強度達80MPa 以上,主體結構層強度滿足C50 強度要求;混凝土各齡期抗裂性能優良,管片表面未見肉眼可見裂紋,纖維均勻分布于表面,起到了有效的裂縫細微化作用;28d 管片抗滲性能優良,0.8MPa 恒壓4h 未見滲水現象;用于三環拼裝性能檢測,效果良好。
4) 通過FGCS 的試生產,在大直徑隧道管片預制施工工藝上有了較大突破,并在施工過程中積累了大量的現場資料,有利于進一步完善梯度功能混凝土的設計理論。
參考文獻:
[1 ] M. Maalej , K. S. Leong. Engineered cementitious composites foreffective FRP2strengthening of RC beams[J ] . Composites Science andTechnology , 2005 , 65(728) :112021128.
[2 ] 楊久俊,海然,董延玲,等. 組分梯度復合對水泥基材料力學性能的影響[J ] . 硅酸鹽學報,2002 ,30(6) :8032806.
[3 ] 楊久俊,賈曉林,譚偉,等. 水泥基梯度復合功能材料物理力學性能的初步研究[J ] . 新型建筑材料, 2001 , (11) :123.
[4 ] 北京城鄉建設委員會. GB5029921999 地下鐵道工程施工及驗收規范[ S] . 北京:中國計劃出版社,2004.
