摘要：管片性能優(yōu)劣直接關(guān)系到隧道工程的服役壽命。針對武漢長江盾構(gòu)隧道復(fù)雜的工程環(huán)境,引入功能梯度材料原理,設(shè)計(jì)并成功制備出功能梯度混凝土管片,探討了其生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù),并對其綜合性能進(jìn)行了跟蹤檢測。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道;功能梯度混凝土管片;生產(chǎn)工藝;性能

[中圖分類號] TU528 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A 　　　　[文章編號] 100228498 (2008) 0120106203

　　目前,功能梯度材料在混凝土領(lǐng)域的研究及應(yīng)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(yīng)下的耐久性及結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)功能梯度鋼筋混凝土梁表現(xiàn)出更優(yōu)異的抵抗腐蝕介質(zhì)侵蝕的能力,因而耐久性更好。楊久俊等[223] 進(jìn)行了水泥基梯度復(fù)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(dǎo)性、抗折及抗壓強(qiáng)度的關(guān)系作了初步研究,發(fā)現(xiàn)采用多層振動成型的方法,可以基本保證組分的連續(xù)梯度變化,其隔熱性能和抗折、抗壓強(qiáng)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(yīng)用還很初步,大多集中在對試驗(yàn)現(xiàn)象的報(bào)道,未見相關(guān)的理論探討及生產(chǎn)應(yīng)用方面的系統(tǒng)研究。本文針對鋼筋混凝土管片進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,采用分層澆筑的手段,制備出具有多重功能并實(shí)現(xiàn)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(hù)層高抗?jié)B、抗裂,主體結(jié)構(gòu)層高強(qiáng)度,內(nèi)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(shè)計(jì)為雙洞雙向四車道,采用盾構(gòu)法施工,其中盾構(gòu)隧道工程總長5 049.2m,鋼筋混凝土管片采用C50S15 混凝土,內(nèi)徑為10m,外徑為11m,每片弧長約4m,環(huán)片厚度500mm,環(huán)片寬度2 000mm,共2 533 環(huán),每環(huán)31.75m3 混凝土,折合混凝土總量約為80 423m3 。每環(huán)管片分為9 塊,其中封頂塊1 塊、鄰接塊2 塊、標(biāo)準(zhǔn)塊6 塊。管片在環(huán)縱向均設(shè)凹凸榫槽。

　　為了延長盾構(gòu)隧道的水下服役壽命,提高盾構(gòu)管片的抗?jié)B、抗裂性能,本專題試驗(yàn)對功能梯度材料在預(yù)制混凝土管片的生產(chǎn)做了較為系統(tǒng)的研究,并成功地在武漢長江隧道管片的生產(chǎn)中得到了應(yīng)用實(shí)施。

2 　FGCS 生產(chǎn)試驗(yàn)

2.1 　FGCS 生產(chǎn)工藝流程

　　模具組裝→模具調(diào)?！摻罟羌苋肽＜邦A(yù)埋件安裝→混凝土結(jié)構(gòu)層澆筑成型→混凝土抗?jié)B層澆筑成型→蒸汽養(yǎng)護(hù)(自然養(yǎng)護(hù)) →脫?！善窓z驗(yàn)、修補(bǔ)及標(biāo)識→運(yùn)至水池養(yǎng)護(hù)→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(zhì)量控制

2.2.1 　施工準(zhǔn)備

　　1) 模具組裝

　　徹底清理模具內(nèi)外表面的殘?jiān)?均勻涂抹脫模劑。按端模板、側(cè)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(yán)禁反順序操作,以免導(dǎo)致模具變形。

　　2) 模具調(diào)校

　　組裝好模具后,對其寬度、弧長、手孔位進(jìn)行測量,不合格者進(jìn)行及時調(diào)校,必須達(dá)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(nèi)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(yù)埋件安裝

　　用四點(diǎn)吊鉤將鋼筋骨架按模具規(guī)格對號入模。起吊過程必須平穩(wěn),不得使鋼筋骨架與模具發(fā)生碰撞;螺桿頭部必須全部插入到手孔座的?？變?nèi),防止連接不緊出現(xiàn)縫隙,造成漏漿現(xiàn)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(hù)層墊塊是否安放正確,保證主筋保護(hù)層外側(cè)為50mm,內(nèi)側(cè)為40mm。

2.2.2 　結(jié)構(gòu)層混凝土澆搗

　　結(jié)構(gòu)層混凝土配合比如表1 所示。

　　注:J0 組為常規(guī)工藝管片配合比,J1 組為FGCS 結(jié)構(gòu)層配合比;砂、石以飽和面干狀態(tài)為基準(zhǔn)

　　混凝土按先模具兩端后中間的順序進(jìn)行放料;澆搗采用混凝土分批放料,從而實(shí)現(xiàn)分層振搗。當(dāng)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?jié)B保護(hù)層混凝土澆搗

　　高抗?jié)B保護(hù)層采用無細(xì)觀界面過渡區(qū)水泥基材料MIF ,擴(kuò)展度控制在(140 ±10)mm內(nèi)。經(jīng)過測試,MIF 材料蒸養(yǎng)12h 脫模強(qiáng)度≥15MPa ,7d 出池時抗壓強(qiáng)度>35MPa ,且28d 強(qiáng)度≥60MPa ;Cl - 擴(kuò)散系數(shù)≤0.8 ×10 - 13m2Ps ,抗?jié)B等級≥S40 。高抗?jié)B保護(hù)層混凝土配合比: ①水泥686kgPm3 ; ②改性增強(qiáng)密實(shí)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(jié)構(gòu)層澆筑振搗完成后20min 左右,將攪拌好的保護(hù)層混凝土澆筑于結(jié)構(gòu)層之上,使用振搗棒進(jìn)行布點(diǎn)插搗,每個振動點(diǎn)振動時間控制在10～20s 內(nèi),振動密實(shí)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(jié)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(bǔ)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(jìn)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(yǎng)護(hù)液M1500 。

2.2.5 　蒸汽養(yǎng)護(hù)

　　采用蒸汽養(yǎng)護(hù)提高混凝土脫模強(qiáng)度、縮短養(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)罩,進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。

　　混凝土降溫后將同期同條件成型混凝土試件進(jìn)行試壓。強(qiáng)度達(dá)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(cè)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(yǎng)7d 后,進(jìn)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(yīng)干凈、無油污、灰塵及其它雜物,涂刷的防水涂料完工后48h 內(nèi)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(jìn)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(jìn)行第2 遍防水涂層施工,如太干則應(yīng)噴水濕潤養(yǎng)護(hù)。

2.3 　管片尺寸檢測

　　1) 單塊管片尺寸檢驗(yàn)

　　用0～2 100mm和0～510mm量程的游標(biāo)卡尺分別測量管片的寬度和厚度;用5m規(guī)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(jìn)行檢驗(yàn)。檢測標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

　　2) 環(huán)片水平拼裝檢驗(yàn)

　　管片生產(chǎn)后,對每套鋼模生產(chǎn)的環(huán)片按如下規(guī)定作水平拼裝檢驗(yàn):開始正式生產(chǎn)三環(huán)后,經(jīng)一次水平拼裝檢驗(yàn)合格后可定為每生產(chǎn)200 環(huán)作一次水平拼裝檢驗(yàn)[4] 。水平拼裝的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

　　本研究試驗(yàn)生產(chǎn)的三環(huán)管片經(jīng)尺寸檢驗(yàn)皆符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 　管片外觀檢測

　　通過表面觀測及裂縫測寬儀對常規(guī)工藝管片及FGCS 進(jìn)行現(xiàn)場檢測。常規(guī)工藝管片用肉眼可以觀察到明顯裂紋,經(jīng)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(fù)、自愈合功能,因而小于0.1mm 的初始裂縫在實(shí)際工程應(yīng)用中是可以接受的。

2.5 　管片力學(xué)性能測試

　　由于管片體積大、造價(jià)高,使用常規(guī)的檢測手段無法對其進(jìn)行有效的監(jiān)測。本研究采用回彈法和超聲回彈綜合法對常規(guī)工藝管片和功能梯度管片28d 抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測,并結(jié)合同批成型試件強(qiáng)度測試結(jié)果進(jìn)行分析,其結(jié)果如圖1 所示。由圖1可知, FGCS 的28d 抗壓強(qiáng)度,無論內(nèi)表面還是外表面均高于常規(guī)工藝管片。

2.6 　管片抗?jié)B試驗(yàn)

　　將達(dá)到28d 齡期的混凝土管片置于檢漏試驗(yàn)臺,以0.2MPa 為初始水壓值,每隔15min 增加0.2MPa ,達(dá)到0.8MPa 后恒壓4h?？?jié)B性能標(biāo)準(zhǔn)值為0.8MPa 下恒壓4h ,滲透深度不超過50mm。根據(jù)檢漏試驗(yàn)表征管片抗?jié)B性能,得到FGCS 與常規(guī)工藝管片的對比情況: ①常規(guī)工藝管片　0.8MPa 下恒壓4h ,出現(xiàn)1 條滲透,滲透深度15mm; ②FGCS 　0.8MPa 下恒壓4h ,未出現(xiàn)滲透,滲透深度0mm。

3 　結(jié)語

　　1) 本研究從梯度材料角度出發(fā),提出混凝土功能結(jié)構(gòu)的復(fù)合設(shè)計(jì)。采取雙重或多重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能層疊加等復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性能要求。研究結(jié)果表明,通過材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變化,實(shí)現(xiàn)了裝飾性能與物理力學(xué)性能的三階段梯度。

　　2) 采用自行設(shè)計(jì)加工的界面處理蓋板對功能梯度混凝土管片界面(結(jié)構(gòu)層2保護(hù)層) 進(jìn)行處理,形成嵌入式網(wǎng)格形界面,使得結(jié)構(gòu)層材料與保護(hù)層材料完美有機(jī)統(tǒng)一。

　　3) 對生產(chǎn)的FGCS 性能進(jìn)行了跟蹤檢測,結(jié)果表明,FGCS 力學(xué)性能優(yōu)良,28d 外弧面(保護(hù)層) 強(qiáng)度達(dá)80MPa 以上,主體結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度滿足C50 強(qiáng)度要求;混凝土各齡期抗裂性能優(yōu)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(xì)微化作用;28d 管片抗?jié)B性能優(yōu)良,0.8MPa 恒壓4h 未見滲水現(xiàn)象;用于三環(huán)拼裝性能檢測,效果良好。

　　4) 通過FGCS 的試生產(chǎn),在大直徑隧道管片預(yù)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(xiàn)場資料,有利于進(jìn)一步完善梯度功能混凝土的設(shè)計(jì)理論。

參考文獻(xiàn):

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　　[2 ] 　楊久俊,海然,董延玲,等. 組分梯度復(fù)合對水泥基材料力學(xué)性能的影響[J ] . 硅酸鹽學(xué)報(bào),2002 ,30(6) :8032806.

　　[3 ] 　楊久俊,賈曉林,譚偉,等. 水泥基梯度復(fù)合功能材料物理力學(xué)性能的初步研究[J ] . 新型建筑材料, 2001 , (11) :123.

　　[4 ] 　北京城鄉(xiāng)建設(shè)委員會. GB5029921999 地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[ S] . 北京:中國計(jì)劃出版社,2004.