预制混凝土地铁盾构管片混凝土气泡研究

预制混凝土地铁盾构管片混凝土气泡研究

李河1

中铁八局集团第七工程有限公司，四川 成都 610300

摘 要：混凝土预制管片是盾构法隧道施工的主要装配构件，是隧道的永久衬砌结构，因此其必须具备高强、高抗渗、高精度和高外观质量。目前，管片在生产过程中常见并形成困扰的一大难题就是脱模后管片表面存在较多的气泡，严重影响混凝土耐久性能。本文结合中铁八局集团第七工程有限公司在管片生产过程中存在的气泡问题，分析了外观气泡的危害及成因，并重点在混凝土方面展开研究，从混凝土的水胶比、砂率、坍落度、含气量指标，试验摸索出减少管片气泡的一套方法，在生产实践中收到了较好的效果。

关键词:预制管片；混凝土；气泡；配合比；力学性能；耐久性能

0 前言

本文研究对象为成都地铁13号线1期工程用预制管片，外径8.3m，内径7.5m， 厚度0.4m，环宽1.5m，混凝土强度等级C50，抗渗等级P12，每环管片混凝土用量15m³，采用通用楔形环错缝拼装。每环衬砌环由7块管片组成，其中1块封顶块(圆心角18.9474° )、2块邻接块(圆心角56.8422°)、4块标准块(圆心角56.84220°)， 采用49楔形块接头角和9°插入角。为满足曲线地段线路拟合及施工纠偏的需要，设计了左、右转弯楔形环，通过与标准环的各种组合来达到以上目的。这种大直径管片更容易形成气泡和空洞。在管片生产初期，管片气泡较多，因此本文对管片表面气泡现象进行成因分析及危害进行研究，重点研究混凝土基本指标对裂纹气泡的形成影响。

1 管片气泡概况

1.1管片气泡的危害

外观：严重影响了管片的外观。

强度：气泡的存在，降低了混凝土的致密性，管片混凝土内部留下气泡(孔隙)越多，强度下降越多，混凝土强度与胶空比成正比关系。在胶凝材料用量一定后，孔隙率的多少决定了强度的低高。因此，若管片结构内气泡多，管片整体强度将下降。

耐久性：气泡的存在，降低了混凝土的致密性，管片表面气泡的存在，等于减少了钢筋保护层的有效厚度，降低了混凝土管片的耐腐蚀性能，在地下水丰富的隧道中，管片耐久性受到威胁。

渗水通道：管片侧面存在较多的气泡时，即使使用止水带防水，但凹陷的气泡还是容易形成连通的渗漏通道，降低了管片的防水性能，靠近内弧面的侧面气泡，会导致嵌缝防水效果下降。

1.2管片气泡的成因分析

1.2.1混凝土原材料因素

（1）水泥品质：一些水泥厂为增大水泥细度，提高水泥早期强度、又考虑节约电能，降低成本，往往在熟料粉磨时添加一些助磨剂，而其中有些助磨剂（如木钙、二乙二醇、丙二醇等）有一定的引气性，引入的气泡不均匀且偏大，会给硬化后的混凝土表面带来较多气泡。

（2）粉煤灰问题：粉煤灰品质较差，玻璃微珠含量较低，或品质太差，如从石灰石等其他物料人工粉磨而来，从而失去粉煤灰滚珠效应，增大了混凝土体系粘度，从而使得气泡难排出。

（3）减水剂品质：聚羧酸系减水剂在生产中需要先用消泡剂来消泡，然后掺入引气剂以引入微气泡，优质的聚羧酸引气剂在混凝土中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡,但如果减水剂厂家为节约成本，使用廉价低质的引气剂(如松香类)，则会在混凝土管片中形成较大的气泡，因这种气泡表面能较低,容易形成联通性大气泡，导致管片气泡过多。另外若外加剂中有不合理的增稠组份，也会导致混凝土料过于粘稠，振捣时气泡难以排出，从而影响表观质量。

（4）集料问题：

粗集料问题：若没有经过整形的粗集料棱角过多、针片状颗粒含量过多，则会使混凝土中气泡难以排出，导致管片内滞留气泡过多。

细集料问题：天然河砂资源越来越少，管片工程通常采用人工砂或混合砂替代，而这些砂含泥或者含粉超标，级配不好，这些砂如果没有充分整形，其颗粒形状较差时,气泡难以排出，且管片外弧面收水时会造成较多的砂眼。

1.2.2混凝土配合比因素

混凝土配合比问题指外加剂掺量、水灰比、砂率、石子级配、胶凝材料比例等，这些都会对混凝土性能造成一定影响。影响如下：

（1）外加剂掺量：若为了降低水灰比，过于提高减水剂的掺量，所产生气泡的状况也将随之改变，如果过振，将会使微气泡联通组合成大气泡。

（2）砂率：粗集料过多，细集料偏少，如果细集料及胶凝材料不足以填充粗集料之间的空隙，会导致管片混凝土不密实，形成空隙；粗集料偏少，细集料偏多，会导致混凝土粘稠，气泡难以排出。

（3）水灰比：混凝土水灰比过小，混凝土拌和料粘稠，难以振捣、气泡难以排出；水灰比过大，搅拌所用的水达到饱和后，多余的水份形成自由水，最后转换成气泡，混凝土产生的气泡增多。

1.2.3生产工艺相关因素

（1）脱模剂：管片模具一般使用水性脱模剂，但其仍具有一定粘性，若稀释比例过低，脱模剂仍会对气泡有吸附作用，若稀释比例过高，混凝土会粘模，气泡均无法顺利随机械振捣而逐步上升排出。

另外，脱模剂选择的不合理也是造成混凝土硬化之后产生表面麻面的主要原因。优质的脱模剂，有助于破泡的脱模剂。脱模剂的黏度要小，当脱模剂中含有的表面活性剂为憎水性时，则会排斥水泥浆，不利于水泥浆对气泡的挤压排出作用；当其为亲水性时，则对水泥浆有亲和效应，有利于气泡的排出具有憎水性、同时脱模剂内不能含有引气剂。

（2）搅拌时间：管片混凝土水灰比通常比较低，用水量较少，如果搅拌时间过短会产生搅拌不匀现象，外加剂多的部分产生气泡多，外加剂少的部分会出现坍落度小、难以振捣的现象。

（3）坍落度控制：混凝土坍落度偏大时，自由水相对较多，管片因为曲面特征，混凝土入模后不能充分振捣，管片内大量气泡无法排出;若坍落度过小，难以振捣，气泡也难以排出。

（4）振捣问题：管片混凝土能否密实、气泡能否排出与振捣有密切关系。不进行分层振捣或者振捣时间不够，都会导致气泡不易排出。基地混凝土管片的振捣方式都是机械振捣外加人工振捣，由于工人队伍的建立、操作的稳定性和技术熟练程度的差异，对混凝土管片气泡的多少存在很大差别。表1-1所列为管片混凝土正常振捣及欠振、漏振和超振的“三振”现象表现。

表1-1 管片振捣与外观关系表

（5）模具保养：混凝土振捣时振捣棒难免会触碰到模具，管片钢筋笼放置时偶尔也会碰撞模具，手孔、螺栓孔加强筋焊接时也难免发生电弧损伤管片模具表面，以及管片模具正常磨损等等，均会造成模具内表面粗糙，使得排气不畅气泡残留过多。

通过对大量的管片外观质量问题的初步分析，结合管片生产施工过程，总结了管片气泡、裂纹的几点形成原因，为后期展开气泡、裂纹的技术研究做好准备。

2 试验用原材料

2.1原材料的选择

（1）水泥： 四川亚东水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥；其性能指标见表2-2。

（2）掺合料：粉煤灰，选用神华四川能源江油发电厂生产的F类I级粉煤灰，其具体性能指标见表2-3。

（3）减水剂：安徽中铁生产的RAWY101聚羧酸高性能减水剂（标准型），减水率26.3%。具体性能指标见表2-4。

（4）细骨料：I区中砂，细度模数2.6、含泥量1.0%、表观密度2610kg/m³ ；

（5）粗集料：5-20mm连续级配碎石,针片状含量6.5%、含泥量1.7%，表观密度2700kg/m³ ；

表2-2 水泥的性能指标

表2-3 粉煤灰的性能指标

表2-4 标准型减水剂的性能指标

2.2配合比的选定

根据管片GB/T22082《预制混凝土衬砌管片》、JC/T 2030《预制混凝土衬砌管片生产工艺技术规程》标准规范，结合设计图纸要求，以成都管片混凝土配合比（表2-5）作为基准配合比研究对象展开各因素影响实验。

表2-5 成都管片基地混凝土配合比（kg/m3）

3 试验结果

3.1水胶比对气泡影响试验结果

根据管片设计资料要求，管片混凝土配合比的水胶比不大于0.36，结合工程应用实践，在试验室条件下，设计水凝胶在0.28~0.32之间的五个水胶比分别进行试验，观察混凝土的气泡状态，试验结果见表3-1，水胶比与气泡关系曲线见图3-1。

表3-1 水胶比与混凝土气泡形成统计表

水胶比

气泡数量/个

图3-1水胶比与单位面积气泡数量关系曲线图

3.2砂率对气泡影响试验结果

根据管片特点、要求以及混凝土配合比设计原则，砂率分别按36%、37% 、38%、39%、40%共设计了5组混凝土，分析不同砂率对混凝土表面气泡数量及开裂时间的影响（表3-2），关系曲线见图3-2。

表3-2 砂率与混凝土气泡形成统计表

砂率/%

气泡数量/个

图3-2 砂率与单位面积气泡数量关系曲线图

3.3坍落度与气泡形成试验研究

根据现场管片混凝土坍落度统计，选取坍落度在70mm~110mm之间的五个坍落度进行实验，进行成型管片外观气泡对比，观察管片侧面气泡数量，结果见表3-3，坍落度与侧面气泡关系曲线见图3-3。

表3-3 坍落度与混凝土气泡形成统计表

气泡数量/min

坍落度/%

图3-3 坍落度与管片侧面气泡数量关系曲线图

3.4含气量对气泡影响试验结果

根据现场管片混凝土含气量统计，选取在1.5~2.7范围内的五个含气量值，统计外观气泡数量进行对比。研究发现含气量与气泡关系接近正比关系，结果见表3-4，含气量与气泡关系曲线见图3-4。

表3-4 含气量与混凝土气泡形成统计表

含气量/%

气泡数量/个

图3-4 含气量与管片气泡数量关系曲线图

4 研究结论

通过以上个因素试验数据，得出以下结论：

（1）管片混凝土配合比中水胶比（在一定范围内）减小，试块表面气泡减少,对混凝土外观质量改善作用较明显，但过小的水胶比可能会影响混凝土的工作性能。

混凝土在管片模具里面凝固时要产生热量，而原来混凝土里面的水分受振捣棒的挤压作用也要排出来，当混凝土中水灰比过大，较多的水分就集中在模具的侧板和管片侧面的结合处，导致气泡占据了本来应该是混凝土所占据的位置，脱模后在此处易形成较多气泡孔。另外，混凝土水灰比越大，混凝土在凝结过程中未水化的水分就越多，而多余水分的缓慢蒸发，容易在管片表面留下气孔，影响管片的外观。

（2）随着砂率的增加，试块表面的气泡数量是先降低再升高，在37%~38%表现最优，管片外观气泡较少。

适当调整配合比中的砂率，如砂率在37%~38%范围内时，可以显著改善混凝土表面气孔数量，这是因为此时混凝土的粘性适度，浆体整体看起来饱满，且松软度适宜，粘性不会太大，这样有利于气泡的排出又能在浆体流动产生空隙时有足够、富余的浆体进行填充，提高表面光洁度。

（3）而在坍落度影响因素研究时，当坍落度在80~90mm之间逐渐变大时，气泡数量在逐渐减少，其原因是：随着坍落度的变大，混凝土黏度降低和易性较好，气泡容易排除且不容易形成孔洞，所以在外加剂调整配方时，建议加入一定组分的降粘剂，对减少表面气泡形成有一定作用。

当坍落度在80~90mm时，管片侧面气泡较少，此时混凝土粘度适宜，气泡形成最少。随着坍落度增加至90以上时，气泡数量又呈增加趋势，这是因为：坍落度在一定范围内变化时，其值越大，气泡数量越多，坍落度大的话，则混凝土中的流动水的含量就多，反之就少。如果水多的话，混凝土在模具中凝固时就会有较多的气泡集中在模具的侧板上，脱模后就会在管片的侧面上形成较多的气泡；

（4）从含气量与气泡关系曲线图上可以看出，含气量对气泡数量的关系接近正比关系，即含气量越大，硬化后管片表面气泡越多。

混凝土的含气量过大、引气剂的气泡质量偏差，在混凝土的施工过程中，会导致在混凝土在施工浇筑过程中小气泡汇集形成较大的气泡，而且加上气泡表面能较低，很容易形成联通性的大气泡，再加上振动不合理，大气泡很难完全外出，导致在混凝土硬化之后表面形成蜂窝麻面。

参考文献：

[1]《预制混凝土衬砌管片》GB/T22082-2017

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1作者简介：李河（1980- ），男，本科，高级工程师。

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