0 引言
因高效、稳定、舒适、安全、环保,地铁建设越来越多。“十三五”阶段将是建设城市轨道交通的黄金时期。盾构管片的质量是保证百年地铁的重要环节。
国内外学者对管片质量做了大量的研究。如: 蔡亚宁等[1]利用正交试验,得出了4 种掺和料的高性能混凝土配合比,生产出的管片能够满足潮湿条件下耐久性的要求; 啜志强等[2]介绍了管片温度自动控制系统,该系统能够稳定管片混凝土强度、控制温度平衡、保证管片质量; 李海潮等[3]从管片混凝土配合比设计、混凝土浇筑、管片蒸养、脱模后养护等几方面阐述了管片生产过程中的质量控制; 杨红军[4]分析了管片外观缺陷的原因,并提出了解决措施; 傅乐峰等[5]提出使用早强型聚羧酸减水剂可以有效缩短管片静养和蒸养时间,从而提高管片生产速率; 代洪波等[6]介绍了大直径盾构管片预制生产技术,总结了高强度和高抗渗性管片的预制技术; 蔡茂涛[7]运用了QC 方法解决了管片生产质量问题; 杨德铣等[8]对大体积混凝土管片生产过程中产生裂纹的原因进行了分析,提出优化混凝土配合比、制定蒸养标准作业流程等解决措施;姜敦灿[9]对盾构施工中管片出现裂纹、碎裂的原因进行详细的分析和研究,并提出了相应的防治措施; 杨成等[10]通过对高温后隧道- 复合腔体界面粘结性能试验的研究,得到了火灾高温下盾构隧道管片- 加固体高温力学性能; 张建刚等[11]对大型水下盾构隧道管片衬砌结构配筋问题进行了研究,提出了优化管片结构配筋的措施,使管片的质量进一步提高。加工前对检验原材料是否合格,在生产过程中进行跟踪控制,从而保证管片的质量[12 - 13]。
目前对管片质量的研究主要集中在管片生产环节,而对管片养护,特别是水养阶段的研究甚少。本文对不同pH 值水养下管片的外观颜色、抗压和抗渗强度进行研究和分析,并得到水养池换水的标准。
1 工程概况
武汉地铁11 号线东延段需用管片18 564 环,8号线1 期工程需用管片4 143 环,管片采用通用环设计,设计使用年限100 年,一环由3 片标准块( A1、A2、A3) 、2 片相邻块( B1、B2) 与1 片封顶块( K) 组成,管片环内径5. 5 m,外径6. 2 m,厚0. 35 m,楔形量40mm,采用错缝拼装,弯螺栓链接。管片混凝土强度等级为C50,抗渗等级为P12。在设计的基础上经过多次试验,最终确定混凝土配合比如表1 所示。以上管片均由湖北某管片厂生产。该厂建设2 条自动化流水生产线,每天生产量为60 环,并配备8 个水养池,双层存放,每个水养池均可存放66 环管片,一个水养池长宽高的尺寸约为32、16、3. 7 m。
表1 混凝土配合比
2 发现问题
预制混凝土管片,国家标准对水养池中水( 下文将水养池中的水称为养护水) 的pH 值没有明确规定,管片厂一般根据水养池的尺寸和以往经验来确定换水的时间。湖北某管片厂是刚成立的公司,对管片水养经验较少,由于养护水长期未换,导致管片的色差较大( 正常管片达到龄期后为灰白色,而该管片为浅黑色) 。管片外观颜色如图1 所示。对养护水进行检测,发现其pH 值为11。对管片进行抗压和抗渗实验,等效荷载加到350 kN 时最大裂纹宽度为0. 21 mm,大于正常平均值0. 09 mm; 压强加至0. 8 MPa,3 h 后水头高度为21 mm,大于正常平均值8 mm。猜想养护水的pH 值会影响盾构管片的外观颜色、抗压和抗渗强度。
图1 管片外观颜色
影响管片强度的主要原因是碱对混凝土和钢筋具有腐蚀作用[14 - 15]。碱对混凝土的腐蚀主要体现在以下2 方面: 1) 碱性介质与空气中CO2和H2O 化合物生成新的结晶体,它在混凝土内部膨胀使混凝土遭到破坏。2) 在NaOH 浓度较大、温度较高时,碱溶液与混凝土中的水化物发生反应,生成硅酸钠和偏铝酸钠,导致管片质量受损。碱对钢筋的破坏作用主要是受到氯离子的侵蚀。管片变色主要是由于硬化混凝土中发生结晶而导致。
3 质量研究
按照表1 所示混凝土的配合比同期生产一定数量的试块和管片。取蒸养后的Ⅱ型A1 管片36 片,分成6 组,每6 片一组,分别标记为A、B、C、D、E、F 组。由于水泥成弱碱性,当混凝土试块处于酸性环境中,水泥水化产物氢氧化钙就会分解成氧化钙和水,从而降低混凝土试块的强度,所以将以上6 组管片分别放置在第2 期 曾 锋,等 : 盾构管片在不同 pH 值水养下质量研究 175pH 值为7、8、9、10、11、12 的水养池中,水养7 d,管片到达龄期28 d 后,观察并记录外观颜色如表2 所示,并将每组管片平均分成2 小组,其中一小组用于抗压实验如图2 所示,另一小组用于抗渗实验如图3 所示。对于抗压实验,根据GB 50204—2002《混凝土结构工程施工及验收规范》采用分级加荷,在设计载荷前,每级按载荷设计值的20%加荷; 在设计载荷后到裂缝宽度达到0. 2 mm 时,每级载荷按设计值的10%加荷; 接近破坏载荷值时,按破坏载荷的5% 加荷。每级加荷完成后,持荷时间10 min,在持荷时间结束时,记录最大裂缝宽度,每组数据取平均值,并绘制如图4 所示的变化曲线。对于抗渗实验,把压力分成6 级进行,第一级从0 加至0. 2 MPa,每级加0. 2 MPa,每级之间的持荷时间不少于15 min,达到1. 2 MPa 后,持荷2 h。每次加压前记录管片各端面的渗水深度,每组数据取平均值,绘制如图5 所示的变化曲线。
表2 管片的外观颜色
图2 管片抗压实验
图3 管片抗渗实验
图4 不同pH 值管片抗压强度变化曲线
图5 不同pH 值管片抗渗强度变化曲线
由图4 可知: 同一荷载下,随着养护水pH 值变大,管片的最大裂缝宽度也变大,说明管片的抗压强度随着养护水pH 值的增大而减小; 当pH 值在7 ~ 10时,最大裂纹宽度随着pH 值的增大而缓慢增大; 当pH > 10 时,最大裂纹宽度随着pH 值的增大而急剧增大。由图5 可知: 同一压强下,随着养护水pH 值变大,管片各端面的渗水深度也变大,说明管片抗渗强度随着养护水pH 值的增大而减小; 当pH 值在7 ~ 10时,渗水深度随着pH 值的增大而缓慢增大; 当pH >10 时,渗水深度随着pH 值的增大而急剧增大。由表2 可知: 当养护水pH 值在7 ~ 10 时,管片颜色为灰白色,颜色正常; 当pH > 10 时,管片颜色由灰白色变成浅黑色。
取36 个试块,分成6 组,每6 块一组,分别标记为a、b、c、d、e、f 组。将以上6 组试块分别放置在pH 值为7、8、9、10、11、12 的养护水中,水养7 d,试块达到28 d 龄期后,观察并记录试块的颜色如表3 所示,并将每组试块分成2 小组,其中一小组用于抗压实验如图6 所示,另一小组用于抗渗实验如图7 所示。对于试176 隧道建设 第37 卷块抗压实验,加压步骤同上文分级加荷一致,记录每次荷载后裂缝宽度,每组数据取平均值,并绘制如图8 所示的变化曲线。对于试块抗渗实验,加压过程同上文分级加压一致,记录每次加压前管片各端面的渗水深度,每组数据取平均值,并绘制如图9 所示的变化曲线。
表3 试块的外观颜色
图6 混凝土试块抗压实验
图7 混凝土试块抗渗实验
比较图4 和图8、图5 和图9、表2 和表3,管片和试块的抗压、抗渗强度、外观颜色随着养护水pH 值变化是同步的,说明研究的结果正确。当pH > 10 时,试块和管片的外观颜色均逐渐变为浅黑色,并且抗压和抗渗强度急剧降低; 当pH < 10 时,试块和管片的外观颜色均正常,抗压和抗渗强度变化不大。因此,把养护水的pH 达到10 作为水养池换水的标准。按照该换水标准,之后生产出的管片,外观颜色、抗压和抗渗强度均正常。
图8 不同pH 值试块抗压强度变化曲线
图9 不同pH 值试块抗渗强度变化曲线
4 结论与建议
1) 养护水的pH 值对管片的外观颜色、抗压和抗渗强度都有影响。管片的抗压和抗渗强度随着养护水pH 值的变大而变小,外观颜色随着pH 的变大由灰白色变成浅黑色。当pH 值在7 ~ 10 时,管片的抗压和抗渗强度变化不大,外观颜色变化不大,属于正常颜色; 当pH 大于10 时,管片的抗压和抗渗强度急剧下降,管片的颜色也由灰白色变成浅黑色; 因此把养护水的pH 达到10 作为水养池换水的标准。
2) 由于水泥水化产生氢氧化钙,所以管片在水养过程中养护水的pH 值不断变大。经过长期检测,长宽高分别为2、16、3. 7 m( 体积为118. 4 m3 ) 的水养池,存放66 环管片,45 d 后养护水的pH = 10,换水一次。
3) 在后期研究中,可从孔结构、水泥水化程度等微观角度深入分析pH 值对管片质量影响机制以及不同pH 值对管片各原材料的影响。
摘自:隧道建设