大直径盾构管片清水混凝土制备及施工关键技术研究

徐海源 周脉席 姜骞 于诚

(江苏省建筑科学研究院有限公司)

盾构法是修建过江隧道常见方法，具有安全、快速、对环境影响小等优势。预制管片是盾构隧道施工的主要装配构件，是隧道最内层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力等荷载的作用[1-2]。随着公路交通运输能力的提升，盾构隧道的开挖直径越来越大，与之匹配的混凝土管片尺寸也逐渐增大。在大直径混凝土管片生产过程中，表观质量是管片质量控制的重要方面[3-5]，主要涉及裂纹、气泡、色差等问题，对盾构隧道耐久性能、防水性能影响较大，是大直径混凝土管片生产的一大难点[6-8]。

江阴靖江长江隧道北接靖江，南连江阴，采用水下盾构形式穿越长江，是内地在建最大直径的盾构隧道、国内水压最高的水下隧道、全国长度排名第二的长江隧道，工程建设质量要求高。项目管片外径15.5m、内径14.2m、厚度0.65m、环宽2m，楔形量52mm，错缝拼装，管片沿环向分10 个，即7 块标准块，2 个邻接块，1 个封顶块，结构设计使用年限为100年。

本文针对大直径混凝土管片技术要求，从外加剂、配合比方面开展了管片清水混凝土配制技术研究，并在原材料、浇筑及养护等方面优化施工工艺，提出管片清水混凝土质量控制技术，可为大直径盾构混凝土管片的质量控制提供参考。

1 管片清水混凝土的配制

1.1原材料

⑴胶凝材料：采用安徽P·Ⅱ52.5 硅酸盐水泥，其性能均满足GB175-2007 标准的相关要求；皖能马鞍山发电有限公司F 类Ⅰ级粉煤灰，密度2.4g/cm3，流动度比为100%；安徽富鑫S95级矿渣粉，比表面积456m2/kg，流动度比为100%。

⑵骨料：细骨料，粒径分布为0～2.36mm 河砂，细度模数2.15；粗骨料，粒径分布为5～25mm碎石，表观密度2.65g/cm3，针片状含量为1.0%。

⑶减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司聚羧酸高性能减水剂，A 为一种聚醚型聚羧酸减水剂，B 为一种聚脂类减水剂，固含量均为20%。

⑷纤维：苏博特润强丝®-Ⅰ聚丙烯纤维，长度19mm。

1.2试验方案与方法

管片C60 混凝土配合比如表1 所示，采用调整减水剂品种、调整单位用水量的方法对管片清水混凝土最优配合比进行了优选。混凝土工作性能测试按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能方法试验标准》执行，混凝土搅拌、成型、力学性能测试按照GB/T 50081-2002《普通混凝土拌合物力学性能试验方法标准》执行。

表1 混凝土配合比(kg/m3)

目前定量表征混凝土表观质量还较少。本试验提出的定量表征方法如下：在相同光照条件下，采用相同相机相同拍摄参数对混凝土表面进行拍照，将采集的图像数据通过Image-pro 软件进行灰度处理，并统计混凝土表面气泡数量和尺寸，取气泡占分析面积比值作为混凝土外观质量的主要评价指标，并根据图片的灰度分布计算灰度均值，评价混凝土管片的色泽特征。

1.3配合比优选与性能分析

不同配合比混凝土工作性能与力学性能如表2 所示，其相应的表观质量如图1 所示。可以看出，同一种外加剂，降低单位用水量、提高减水剂，使坍落度保持一致时，混凝土含气量略有降低，力学性能有所提升，混凝土气泡占分析面积面积比例有所降低，有助于提升混凝土表观质量，这可能是减少单位用水量后，水化后混凝土中自由水含量降低，使得这部分引起的气泡数量也相应减少。对不同种外加剂，相同配比条件下，外加剂B的消泡效果更强，使得新拌浆体的含气量更低，构件表面气泡数量更少。综合考虑，采用配合比5 作为生产配合比最为合适，测试其温升情况如图2 所示，蒸汽养护结束后内外温差低于25℃，开裂风险较低。

图1 气泡占分析面积比值

图2 混凝土内外温差

表2 不同混凝土工作性能及力学性能

2 施工关键技术研究

影响盾构管片表观质量的因素较多，要提高预制管片的表观质量，必须从混凝土原材料、施工工艺及养护等多方面同时管控，最大程度降低混凝土外观缺陷的产生。针对大盾构管片生产工艺特点，着重开展了以下三个方面施工关键技术控制。

2.1原材料质量控制

混凝土原材料包括水泥、粉煤灰、砂、石和外加剂等，首先以粉煤灰为例，试验分析了不同颜色对管片表观性能的影响规律。按上述基准配合比，将采用图3 中三种颜色粉煤灰同掺量进行替换后，分析了其对管片表观质量的影响规律。图4 中，灰度值反应了硬化混凝土的色泽深浅，灰度值越大，其混凝土表面颜色越浅，灰度标准差表征了混凝土灰度离散性，其值越大，表明离散越大，即色差越大。可以看到，掺粉煤灰a和b混凝土的灰度值分别为148 与156，远高于掺粉煤灰c 混凝土的灰度值103，说明粉煤灰原色的差异，显著影响硬化混凝土的颜色，且呈较对应的关系。因此，控制粉煤灰的颜色对改善管片清水混凝土色泽问题有显著效果，考虑到不同批次甚至是不同运送车辆间粉煤灰的颜色均差异较大，在本项目中，提出按车次对粉煤灰进行管理，将颜色相近的粉煤灰储存于同一个料罐后，有效解决了管片色差问题，显著提升了管片批量生产的表观质量。

图3 几种粉煤灰原色差异

图4 粉煤灰颜色对硬化混凝土灰度分布的影响

可见，原材料是影响混凝土外观质量，特别是不同批次管片外观颜色均匀性最为关键的因素。对于其他原材料还需重点控制以下方面：水泥是用量最多的胶凝材料，由于水泥生料是按一定的化学成份比例配制的并研磨到一定的细度，均匀混合，在立窖或转窖中煅烧而成，要采用同厂的，同标号，同类型的水泥，并尽可能选择同批号、同炉号的水泥，严格控制水泥厂的矿物混合料的种类与掺量。外加剂是现代混凝土制备的关键组分，一旦确定外加剂的供应厂家和外加剂的种类，应提前做大量的验证试验，如没有充分的试验验证，不宜更换品种。

2.2振动工艺

合适的振动工艺是降低管片气泡问题的重要方面。在振动工艺方面，着重分析了振动时间对管片表观质量的影响规律。从图5 和图6 可以看出，不同振动时间对混凝土表面气泡问题影响较大，当振动时间依次为10min、15min、20min 时，管片表面气泡占分析面积的比例从1.6%降低到了1.3%，气泡数量和大小呈降低趋势。但20min与25min的两种工艺的混凝土表面气泡分布特征差别不明显，说明振动以后20min 再延长时间后对气泡的改善效果不明显。因此，在本项目生产线上，选取振动时间为20min 时，具有较好的经济性与表观质量。此外，在浇筑过程中，对于防水条粘结、螺栓孔的气泡易聚集的位置，还应采用人工振捣的方式进行配合，在模具内斜向插捣，两个振捣中心间距控制在50cm 左右，有利于促使局部位置的气泡排出。

图5 振动时间对管片表观气泡的影响

图6 振动时间对管片气泡的影响

2.3养护水pH值

管片养护是管片生产质量控制的重要环节。分析发现，养护水的pH 值对管片成品外观质量有显著影响。如图7 所示，当养护水的pH 值为7、8、9、10、11、12 时，管片的颜色逐渐加深，当pH值在10以内时，管片均为正常颜色，灰度均值分别为178、168、165、162，相差不大，但当pH 值为11 时，灰度均值急剧降为135，颜色变为浅黑色，当pH 值为12 时，灰度均值为109，管片表面也变为了深黑色，说明碱性越大，混凝土表面的颜色越深。因此，在水养过程中，由于水泥水化产生氢氧化钙和水池中石灰的溶解会使得养护水的pH 值不断增大，因此应加强养护水的检测，当pH值达到10后时应及时换水，确保管片不会产生色差问题。

图7 养护水pH值差异对管片灰度分布的影响

3 工程应用效果

综合以上研究成果，采用优化混凝土配合比、严控原材料质量稳定性、优选适当振捣时间及实时检测养护水pH 值等系统方案后，可显著提升大直径盾构混凝土管片的表观质量，相关技术已成功应用于江阴靖江长江隧道工程，如图8 所示，现场生产的管片表观质量达到了清水混凝土标准，有效提升了盾构隧道工程建设的施工质量。

图8 工程应用效果

4 结论

⑴采用优化减水剂品种、调整单位用水量的方法，制备的混凝土管片具有优异的外观性能与抗裂性能，可满足大直径管片生产的外观质量要求。

⑵管片生产过程中，严格控制原材料质量稳定性、振动时间及养护水pH 值，可有效提升混凝土管片的表观性能，是管片清水混凝土生产质量控制的重要手段。

⑶研制的管片清水混凝土制备及施工关键技术已成功应用于江阴靖江长江隧道大直径管片的生产，管片成品色泽一致，气泡少，无裂纹，为同类工程质量控制提供了新思路。