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1、大手孔隧道混凝土管片裂纹的成因分析及改善措施丁庆军1,曾波1,彭波1,陈政权2,余详明2,蔡茂涛2(1.武汉理工大学材料科学与工程学院,湖北武汉430070;2.武汉市市政工程水泥制品厂,湖北武汉430070)摘要结合武汉市长江过江隧道管片生产的实际情况,针对管片在生产过程中手孔位置产生的规律性裂缝,从材料配合比,设备,生产工艺与养护制度等几个方面分析了裂缝产生的原因,并提出了相应的改善措施.关键词混凝土;隧道;管片;裂缝;改善措施1前言目前在上海,广州,武汉等国内大城市的地铁隧道和过江,跨海隧道的施工中,盾构法施工因其施工速度快,劳动强度低,施工占地小等优点得到越来越多的应用.管片作为盾构法
2、施工的隧道结构主体,除对其强度,抗渗及尺寸等指标有严格规定外,对混凝土管片表面的缺棱,掉角及表面的气泡和裂纹等也作了严格限制.在表面质量的几项要求中,表面裂纹对隧道结构的影响尤其突出,当管片表面出现裂纹时,混凝土的防水,防腐性能大大降低,影响混凝土结构的耐久性能.因此,在钢筋混凝土管片生产中减少或杜绝可见的裂纹具有十分重要的意义.本文结合武汉市过江隧道工程的管片生产过程中遇到的实际问题,从材料配合比,模具设计,生产工艺与养护制度等方面分析了混凝土管片裂缝的成因,提出了改善措施.2生产情况2.1原材料(1)水泥:亚东42.5R普通硅酸盐水泥(2)砂:巴河中砂,细度模数2.6,堆积密度1535kg
3、/m3(3)碎石:5mm25mm连续级配,堆积密度1656kg/m3(4)矿粉:武钢绿色冶金渣公司生产的磨细矿粉(BFS),比表面积为440m2/kg,密度2.8g/cm3(5)外加剂:萘系高效减水剂,萘系高效减水剂花王迈地150简称,聚羧酸系高效减水剂GRACEADVA180简称(6)水:自来水2.2生产情况武汉市长江过江隧道盾构工程设计共需管片2533环,每环管片有9块预制管片组成,9块等分管片结构布置详见图1,由1块封顶块K,2块邻接块B1,B2和6块标准块A1A6组成,每块的圆心角均为40.每片管片有8处螺栓手孔,如图2所示,环内纵向采用8.8级45型螺栓36个,等圆心角布置;环向螺栓
4、也采用8.8级36型螺栓,每个接缝处在幅宽方向布置两个螺栓手孔,每个螺栓手孔处设置2个螺栓,每个接缝处共4个螺栓,一环内共布置36个环向螺栓.整个圆形衬彻的外径11m,内径10m,每环管片的宽度为2m,厚度为0.5m,混凝土设计强度等级C50,抗渗等级为P12.由于工期与模具周转的原因,管片在混凝土静养一段时间后均采用蒸汽加热养护.根据规定管片的脱模强度不小于20MPa,管片达脱模强度后脱模,立即吊至修补区进行编号,检查,修补,完成后移入养护池内浸水养护7天,然后吊出自然养护至28天龄期并进行尺寸及强度检验.图3为混凝土管片生产工艺流程.管片预制厂自2005年12月份生产一段时间后,管片的强度
5、和尺寸均满足设计要求,但管片螺栓手孔部位出现明显的规则的裂纹,裂纹呈外八字型状态,如图4所示.裂纹最大宽度0.3mm左右,深度1mm左右. 图19块等分管片衬砌结构布置混凝土制品CONCRETEPRODHCTS59 图2管片示意图图3混凝土管片生产工艺流程a右上方螺栓手孔b左下方螺栓手孔图4手孔出现的裂纹3主要原因分析通过对生产该管片的混凝土原材料,配合比及管片生产中的投料,振捣,抹面,蒸养,拆模等各个可能引起管片开裂的因素进行全面分析或试验后,初步得出导致管片产生表面裂纹的原因有以下几个方面.3.1热膨胀钢模受热迅速膨胀是产生手孔部位混凝土裂纹的主要原因.与国内外同类型混凝土管片相比,本工程
6、采用的混凝土管片的尺寸较大,相应的手孔尺寸也较大,国内大部分混凝土管片的深度在15cm左右,而本工程采用的管片的手孔尺寸达到了23cm,具体尺寸如图5所示.手孔模具所采用的A3钢板厚度较薄(仅有8mm),且与管片钢模形成一个整体.按照原蒸养制度,升温速率15/h,蒸养恒温温度45,手孔部位钢模在蒸汽养护过程中直接受到模具下方管道出来蒸汽的加热,由于钢模传热性能好,能够按照控制的升温速率达到预定的恒温温度,并迅速产生一定量的膨胀,由于混凝土与钢模的热膨胀系数不同(钢的热膨胀系数为1510-6/左右,混凝土的热膨胀系数为1010-6/左右),两者产生的膨胀也不一致,生产时的环境温度大约为5,混凝土
7、入模温度与静养温度都比较低,与蒸养恒温温度有较大的温差,较大的温差也导致它们的热膨胀量有较大的差别,膨胀量大的钢模对膨胀量小的混凝土产生拉应力;而且混凝土的传热性能较差,在钢模达到预定温度时,混凝土只有表面层达到了该温度,具有了一定的强度,而混凝土的内层的强度仍然很低,不足以承受这种拉应力,所以当产生了这种变形拉应力之后,在手孔部位的断面突变区形成应力集中,最终使手孔部位产生45方向外八字型的斜向裂纹. 图5管片手孔尺寸3.2水泥用量在前期生产过程中,为了达到设计要求的脱模强度,在配合比中采用了高水泥用量来提高其早期强度,造成水泥在早期水化过程中自收缩较大,产生了相应的拉应力,也加剧了裂纹的发
8、展.4改善措施4.1调整混凝土管片蒸养工艺针对上述原因,对现有的蒸养工艺进行了调整.具体调整措施如下:(1)取消模具底部蒸汽管道,避免蒸汽对钢模底部的手孔部位直接加热,在模具两侧分别增设一根蒸汽管道,以确保蒸汽均匀分布.模具两侧端部加设钢支架以利蒸汽流通循环.(2)用木塞封堵手孔孔洞,减少钢模手孔部位直接受热,从而减少其膨胀,改善钢模膨胀导致的手孔部位裂纹.(3)混凝土及时进行收光,收光后迅速用塑料薄膜进行覆盖,收光全部完成后,适当延长混凝土的静养时间使混凝土具备一定强度后开始蒸养.严格控制升温速率以及恒温温度,升温速率小于10/h,控制静养温度与恒温温度之间的差值小于25,当时武汉环境温度为
9、5左右,于是控制最高恒温温度30左右,当环境温度升高时,可以适当提高恒温温度,恒温时间3h,降温3h,混凝土管片入水池养护温差不大于20.同条件养护试件强度达设计强度的40%使用真空吸盘机脱模.4.2优化混凝土配合比(1)严格控制水泥用量,降低水化热.在满足强度和抗渗性的条件下,尽量减少水泥的用量,掺加矿物掺合料.表1为我们经调整前后使用的配合比.(2)严格控制水灰比.混凝土中的水由两部分组成:一部分为水泥水化所需的水(水泥完全水化所需要的水量为总用水量的20%25%);另一部分为改善施工和易性所需的水.尽量减少水的用量,可以减少混凝土的凝固收缩和泌水干缩现象.实践证明,水泥用量每增加100k
10、g混凝土收缩增加5%;水泥用量不变,水的用量每增加10%,混凝土强度降低20%,混凝土和钢筋粘着力降低10%,干缩约增加20%30%.因此控制水的用量,也是保证混凝土抗渗抗裂的重要因素之一.5结语管片生产厂在综合采取了上述措施后,管片质量得到明显改善,后续生产的管片在手孔部位的裂纹基本没有出现.管片混凝土产生裂纹的主要原因为钢模与混凝土受热膨胀不一致下转第68页60 件一个个拼装,镶嵌方式的施工速度,可以成倍提高,并可机械化施工,是人工镶嵌施工所无法比拟的.而且将砌块在工厂预制时还要耗费时间影响工期,提高成本.总体比较其综合效率,成本,可知整体浇筑优势明显.可恢复植被的环保混凝土比较粘稠,为使
11、水泥浆均匀地包裹于骨料表面,需采用强制式搅拌机拌和.将所有物料准确计量加入,搅拌2min4min.常温下浇筑,振捣完毕后10h内进行养护,采用1层塑料薄膜(或湿草帘或麻袋片)覆盖,洒水养护3d7d4.3可恢复植被的环保混凝土的种植试验开始是将掺有草种的土壤撒满混凝土表面,撒水,一般5d7d即可出芽,与正常草坪同样维护,不料长出的幼芽逐渐死掉,最后荡然无存.检查植物生长土壤的pH值基本上是中性,适合于生长条件.分析原因是没有保水材料,造成幼芽缺水,缺少养分不能存活.而一般的土工植被护坡中需采用锚杆,挂网预防岩层松动产生滑坡;采用进口粘合剂,木纤维,黄壤等材料,以提高土壤对岩石的附着能力;采用进口
12、保水剂,泥炭等材料,提高土壤的持水能力,同时改善植被根系的生长环境;采用复合肥,农药,提供植被生长无病虫环境,保证植被正常生长;采用多种根系发达,耐旱能力强,抗瘠薄能力优的进口多年生草种,保证植被的持久能力;采用双层无纺布覆盖,减少水分蒸发,提高抗冲刷能力,同时调节小环境5.相形之下,开始的种植条件差距甚远,不能维持植物基本的生存要求.在此基础上加入适量的保水剂,与土壤,草种拌和均匀,铺满混凝土表面,浇水,使土壤,保水剂及草种流入混凝土孔洞,结果在5d7d后,草种纷纷发芽,正常生长,按照普通草坪维护方法操作,结果没有二样.目前,该试验已经过一年多的时间,依然生长旺盛.其中仅在零下十度的寒冬季节
13、草叶由绿变黄以外,到气温基本上是零上时枯草又逐渐发芽生长,恢复正常.种植试验的照片如图4所示.由图和一年多的种植试验可知,混凝土边部草的生长情况不如中心结果好,原因是中心较边缘水分更加难以挥发,致使边部植物容易缺水干死,而中心生长茂盛.因此能够推断:可以进行较大规模试验,体系越大效果会更好. 图44结语可恢复植被的环保混凝土用于生态防护是一个系统工程,涉及到材料选择,组成比例,配制工艺,施工方法,种植体系设计,实施,管理,维护等多方面,全方位的工作,需要用到材料,施工,生物,种植等多方面的知识,应当在各方面都具备一定了解基础之上,才能够较好地完成支护与恢复生态的协调发展.从事此项工作,对于不同
14、地点的生态防护选择何种生态防护方法和植物种类,需综合考虑当地降雨和气温情况等.相信随着我国经济的发展,对生态要求的不断提高,我国用可恢复植被的环保混凝土进行生态防护的事业必将得到进一步的发展.参考文献1施勇峰,杨晓.三峡混凝土浇筑量连续3年破纪录N.三湘都市报,2002,1,7.2沙原.可长草的环保混凝土J.中国建筑材料,2001,22(1):20.3张健.建筑材料与检测M.化学工业出版社,2003,6:82-84.4王永福,李彩云.无砂多孔混凝土作承重透水层的施工技术J.施工技术,2004,31(4):14-14.5张凤泉,邱江,等.贵开路岩石边坡人工复合基质法绿化技术初探J.贵州农业科学,
15、2002,30(6):47-49.作者简介卢经扬(1956-),男,浙江乐清;学士;副教授,高级工程师;徐州建筑职业技术学院土木系,建筑材料教研室主任;主要从事建筑材料的教学,研究,开发和应用工作.单位地址联系电话13852030506,0516-83889122E-mail:收稿日期2006-04-28徐州市南郊学院路徐州建筑职业技术学院土木系(221008)表1管片试生产阶段用混凝土配合比产生的拉应力,针对这种原因,建议在以后的隧道管片模具设计中,对于这种具有大尺寸手孔的模具,手孔部位模具应与整体分开,并采用导热性差的材料作为手孔模具的材料.参考文献1地下铁道工程施工及验收规范(GB50299-1999)S.北京:中国计划出版社,1999.2王铁梦.工程结构裂缝控制M.北京:中国建筑工业出版社,2000.作者简介丁庆军(1962-),男,武汉理工大学教授,主要从事高性能水泥与混凝土的研究单位地址武汉理工大学材料科学与工程学院(430070)联系电话13517228653,027-87668602;E-mail:收稿日期2006-05-15