摘要：混凝土管片是盾構(gòu)隧道的主要結(jié)構(gòu)形式，也是隧道防水、防火和耐久等綜合性能的保證，因此，對(duì)管片整體性能有著極高要求。但大直徑混凝土管片在生產(chǎn)中易出現(xiàn)較多氣泡，易形成滲漏通道，影響管片的耐久性。本文從混凝土原材料、配合比設(shè)計(jì)、模具、脫模劑、振搗工藝等方面入手，試驗(yàn)摸索出減少管片氣泡的一套方法，在生產(chǎn)實(shí)踐中收到了較好的效果。

關(guān)鍵詞：大直徑；盾構(gòu)；混凝土；管片；氣泡

1 引言

盾構(gòu)法施工是城市軟土地層中修建地下隧道主要方法，其中混凝上管片不僅是盾構(gòu)隧道的主要結(jié)構(gòu)形式，也是隧道防水、防火和耐久等綜合性能的保證，因此，對(duì)管片強(qiáng)度、剛度及耐久性等方面均有著極高要求。防水工作是地下隧道工程的其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，隧道工程通過管片自防水、壁外注漿、止水帶防水、嵌縫防水等數(shù)個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行防水、引水。而無論哪種防水方式，都建立在管片具備良好的抗?jié)B性能上，不僅管片內(nèi)部密實(shí)度、耐久性要求高，而且對(duì)管片表面氣泡的要求也非常高。

慶春路過江隧道橫穿杭州錢塘江，為杭州錢塘江第一條隧道。管片每環(huán)九片，外徑 11.3m，內(nèi)徑10.3m，厚度0.5m，環(huán)寬2m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)P12，每環(huán)管片混凝土用量34方，采用通用楔形環(huán)錯(cuò)縫拼裝；

表1為慶春路大直徑管片與某地鐵隧道管片兩種隧道管片尺寸、外露面面積比較表，由表1可見，慶春路管片外弧面與側(cè)面面積是某地鐵工程的2.6倍，因此更容易形成氣泡和空洞。在管片生產(chǎn)初期，管片氣泡較多，業(yè)主提出改進(jìn)要求后，我們著手對(duì)管片氣泡現(xiàn)象進(jìn)行成因分析、防治研究。

表1 兩種隧道項(xiàng)目管片尺寸、外露面面積比較

 1 總面積為：管片四個(gè)側(cè)面與外弧面面積和，不包括內(nèi)弧面面積。

2 氣泡的危害

外觀：嚴(yán)重影響了管片的外觀。

強(qiáng)度：氣泡的存在，降低了混凝土的致密性，管片混凝土內(nèi)部留下氣泡(孔隙)越多，強(qiáng)度下降越多，混凝土強(qiáng)度與膠空比成正比關(guān)系：

膠空比 X =0.68α/(0.32α+W/C)

強(qiáng)  度 P ∝ C/W

其中：W/C：水灰比；  α：水化程度

膠空比：膠凝材料與孔隙率的比率

在膠凝材料用量一定后，孔隙率的多少?zèng)Q定了強(qiáng)度的低高，因此若管片結(jié)構(gòu)內(nèi)氣泡多，管片整體強(qiáng)度將下降。

耐久性：氣泡的存在，降低了混凝土的致密性，管片表面氣泡的存在，等于減少了鋼筋保護(hù)層的有效厚度，降低了混凝土管片的耐腐蝕性能，在地下水豐富的隧道中，管片百年耐久受到威脅。

滲水通道：管片側(cè)面存在較多的氣泡時(shí)，即使使用止水帶防水，但凹陷的氣泡容易連通，形成連通的滲漏通道，降低了管片的防水性能，靠近內(nèi)弧面的側(cè)面氣泡，會(huì)導(dǎo)致嵌縫防水效果下降。

3 管片表面氣泡形成的原因

當(dāng)管片結(jié)構(gòu)氣泡≤50nm時(shí)，對(duì)管片的耐久性和抗腐蝕能力是有益的，當(dāng)管片氣泡大于以上標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)降低管片強(qiáng)度和耐久性。我們這里探討的是50nm以上的氣泡。生產(chǎn)實(shí)踐表明，以下因素是導(dǎo)致產(chǎn)生氣泡的主要原因。

3.1 原材料因素

水泥品質(zhì)：一些水泥廠為提高水泥早強(qiáng)、降低成本，在熟料粉磨時(shí)加入帶有木鈣、二乙二醇、丙二醇等的混雜型助磨劑，這些助磨劑帶有引氣效果，拌制混凝土后引入的氣泡不均勻且偏大。

減水劑品質(zhì)：聚羧酸系減水劑在生產(chǎn)中需要先用消泡劑來消泡，然后摻入引氣劑以引入微氣泡，優(yōu)質(zhì)的聚羧酸引氣劑在混凝土中能引入大量均勻分布、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡，但如果減水劑廠家為節(jié)約成本，使用廉價(jià)低質(zhì)的引氣劑（如松香類），則會(huì)在混凝土管片中形成較大的氣泡，因這種氣泡表面能較低，容易形成聯(lián)通性大氣泡，導(dǎo)致管片氣泡過多?；蛘咄饧觿┲杏胁缓侠淼脑龀斫M份，會(huì)導(dǎo)致混凝土料過于粘稠，振搗時(shí)氣泡難以排出。

粗集料顆粒形狀：沒有經(jīng)過整形的粗集料棱角過多、針片狀顆粒含量過多，會(huì)使混凝土中氣泡難以排出，導(dǎo)致管片內(nèi)滯留氣泡過多。

細(xì)集料顆粒形狀：天然砂資源越來越少，一些管片工程會(huì)采用人工砂或混合砂替代；這些砂如果沒有充分整形，其顆粒形狀較差時(shí)，氣泡難以排出，且管片外弧面收水時(shí)會(huì)造成較多的砂眼。

3.2 混凝土配合比因素

外加劑摻量：若為了降低水灰比，過于提高減水劑的摻量，所產(chǎn)生氣泡的狀況也將隨之改變，如果過振，將會(huì)使微氣泡聯(lián)通組合成大氣泡。

砂率：粗集料過多，細(xì)集料偏少，如果細(xì)集料及膠凝材料不足以填充粗集料之間的空隙，會(huì)導(dǎo)致管片混凝土不密實(shí)，形成空隙；粗集料偏少，細(xì)集料偏多，會(huì)導(dǎo)致混凝土粘稠，氣泡難以排出。

水灰比：混凝土水灰比過小，混凝土料粘稠，難以振搗、氣泡難以排出。水灰比過大，攪拌所用的水達(dá)到飽和后，多余的水份形成自由水，最后轉(zhuǎn)換成氣泡，混凝土產(chǎn)生的氣泡增多。

攪拌時(shí)間：管片混凝土水灰比較低，用水量較少，如果攪拌時(shí)間過短會(huì)產(chǎn)生攪拌不勻現(xiàn)象，外加劑多的部分產(chǎn)生氣泡多，外加劑少的部分會(huì)出現(xiàn)坍落度小、難以振搗的現(xiàn)象。

坍落度控制：混凝土坍落度偏大時(shí)，自由水相對(duì)較多，管片因?yàn)榍嫣卣?，混凝土入模后不能充分振搗，管片內(nèi)大量氣泡無法排出；若坍落度過小，難以振搗，氣泡也難以排出。

3.3 生產(chǎn)工藝因素

脫模劑：管片模具一般使用水性脫模劑，仍具有一定粘性，若稀釋比例過低脫模劑仍會(huì)對(duì)氣泡有吸附作用，但稀釋比例過高，混凝土?xí)衬?，氣泡均無法順利隨機(jī)械振搗而逐步上升、排出。

振搗情況:管片能否密實(shí)、氣泡能否排出與振搗有密切關(guān)系。表2 所列為混凝土正常振搗及欠振、漏振和超振的“三振”現(xiàn)象表現(xiàn)。國內(nèi)混凝土管片的澆搗多采用人工振搗方式施工，由于工人隊(duì)伍的建立、操作的穩(wěn)定性和技術(shù)熟練程度的差異，對(duì)混凝土管片氣泡的多少有著根本性區(qū)別。

表2  混凝土正常振搗及“三振”表現(xiàn)

模具保養(yǎng)：混凝土振搗時(shí)振搗棒難免會(huì)觸碰到模具，管片鋼筋籠放置時(shí)偶爾也會(huì)碰撞模具，手孔、螺栓孔加強(qiáng)筋焊接時(shí)也難免發(fā)生電弧損傷管片模具表面，以及管片模具正常磨損等等，均會(huì)造成模具內(nèi)表面粗糙，使得排氣不暢氣泡殘留過多。

4 對(duì)管片表面氣泡的防治

對(duì)管片氣泡產(chǎn)生原因進(jìn)行分析后，就可以采取有針對(duì)性措施來減少氣泡的產(chǎn)生。

水泥：選用大廠有品質(zhì)保證的水泥，慶春路管片一開始就選用了華東地區(qū)水泥品質(zhì)較好的海螺52.5P.II水泥，避免小水泥廠摻加過多的摻合料和助磨劑的問題。

減水劑：使用杭州市構(gòu)生產(chǎn)的HG-PCA600聚羧酸減水劑，經(jīng)過引氣劑比對(duì)試驗(yàn)，最終選擇了三萜皂甙類引氣劑，該類引氣劑與聚羧酸相容性適應(yīng)性超過松香類、十二烷基類引氣劑，引入微氣泡小、穩(wěn)定，成品效果明顯。

集料：粗集料選擇了帶圓磨整形機(jī)的生產(chǎn)線，雖然增加了采購價(jià)格，但集料顆粒圓潤，針片狀顆粒含量從原來的12%降低到5%；

細(xì)集料中起潤滑作用的主要為0.315mm、0.630mm兩種顆粒，杭州市場上幾種不同的細(xì)集料品種及對(duì)管片氣泡形成的影響見表3，最終我們選擇了江西贛江天然河砂，級(jí)配μ2.6~3.0，實(shí)際使用中，對(duì)氣泡的減少有著非常明顯的作用。

表3 細(xì)集料品種對(duì)管片氣泡形成的影響

配合比:表4為不同水灰比對(duì)管片氣泡形成的影響，可見當(dāng)水灰比在0.30~0.35之間時(shí)，不僅具有較好的強(qiáng)度，且氣泡含量較少，最終水灰比定確定為0.33。

表4 水灰比對(duì)管片氣泡形成的影響

坍落度控制：在混凝土生產(chǎn)攪拌樓上安裝高精度的攪拌機(jī)主機(jī)電流、電壓表，從電流電壓上側(cè)面反映攪拌機(jī)內(nèi)混凝土的坍落度，在攪拌機(jī)主機(jī)殼上開挖一個(gè)觀察孔并安裝防護(hù)網(wǎng)，方便工人直接觀察攪拌機(jī)內(nèi)的混凝土。對(duì)堆場集料安裝防雨棚，確保集料含水率波動(dòng)不受天氣影響，同時(shí)，提前做好材料含水率和水泥外加劑適應(yīng)性變動(dòng)調(diào)整的工作，將坍落度波動(dòng)減少到最低。

攪拌時(shí)間：經(jīng)過近20次對(duì)比試驗(yàn)，我們總結(jié)出水灰比為0.33的管片混凝土攪拌時(shí)間與坍落度關(guān)系曲線，見圖1。

由圖1可見，攪拌時(shí)間過短，外加劑與水泥接觸不完全，坍落度過小，難以振搗，管片成品氣泡多；攪拌時(shí)間過長，坍落度增加不明顯，影響生產(chǎn)進(jìn)度，因此我們選擇了90s作為標(biāo)準(zhǔn)攪拌時(shí)間。

圖1 混凝土攪拌時(shí)間與坍落度的關(guān)系

脫模劑：水性脫模劑廠家資料一般推薦攙兌水的比例為1：5，該攙兌比例為理想狀態(tài)下攙兌比例，生產(chǎn)中還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行不同比例攙兌試用摸索出最佳攙兌比例，這樣不僅管片表面氣泡少，且每平方脫模劑成本低，修補(bǔ)量低，達(dá)到整體最佳效益。表4所示為不同攙兌比例對(duì)管片表面質(zhì)量和氣泡的影響，由表4可見，攙兌比例為1：3時(shí)，管片表面性能良好，氣泡數(shù)量較少，實(shí)際生產(chǎn)中我們攙兌比例在1：3.0-1：3.5。

表4不同攙兌比例對(duì)管片表面質(zhì)量、氣泡的影響

振搗：在管片振搗中，延長振搗時(shí)間，可以提高振搗效果，但不能增加振搗范圍。在振搗范圍內(nèi)的氣泡才能排出，因此要選擇合理的振搗半徑，震動(dòng)波隨振搗半徑的延長而減弱，振搗有效范圍還跟混凝土的粘稠度有關(guān)，對(duì)于干硬性的管片混凝土，震動(dòng)能衰減大，有效距離短。

任何完美的振搗方案，都需要工人去執(zhí)行，因此要重視對(duì)管片澆筑工人的培訓(xùn)，提高其業(yè)務(wù)能力，必要時(shí)可將管片表面氣泡數(shù)量劃分等級(jí)后納入考核中。

綜合以上因素，我們根據(jù)管片水灰比及坍落度等情況，摸索、制定了管片振搗參數(shù)：混凝土分兩層播料，分兩次從模具環(huán)內(nèi)兩側(cè)向中間推導(dǎo)型振搗，模具環(huán)內(nèi)兩側(cè)采用斜向振搗，中間采用垂直振搗，每個(gè)點(diǎn)振搗時(shí)間20-25s，振搗半徑30cm，兩次振搗中心間距50cm，2米寬度管片每行4次振搗，整片振搗時(shí)移動(dòng)方式為行列式移動(dòng)。振搗要求快插慢拔，上下抽動(dòng)，逐點(diǎn)移動(dòng)，避免漏振，振搗以表面泛漿作為參考。基本杜絕了表2所列的“三振”現(xiàn)象，大大減少了管片側(cè)面氣泡數(shù)量，效果非常明顯。

模具保養(yǎng)：管片模具有磨損后不利于氣泡排出，因此需要適時(shí)打磨模具，減少氣泡吸附，以利氣泡排出。我們?cè)诠芷a(chǎn)期間使用120#木砂紙粗磨240#木砂紙細(xì)磨的方式對(duì)有局部磨損的模具開展了三次局部精細(xì)打磨。

5 減少氣泡形成的效果

經(jīng)本工程的實(shí)踐操作，從原材料、配合比、拌合、澆注工藝多環(huán)節(jié)提升管理水平著手，從09年度2月份開始對(duì)管片表面三種類型的氣泡平均數(shù)量進(jìn)行逐月抽查，見圖2。由圖2可見，管片側(cè)面氣泡數(shù)量呈現(xiàn)逐月下降趨勢(shì)，尤其是綜合采用了改善細(xì)集料選型、坍落度嚴(yán)格控制、振搗工藝調(diào)整及振搗過程加強(qiáng)管理這四項(xiàng)措施后，自2009年4月起，管片外弧面氣泡基本杜絕，側(cè)面氣泡數(shù)量大幅度降低，管片質(zhì)量獲得業(yè)主方數(shù)次贊譽(yù)。

圖2 管片側(cè)面氣泡逐月抽查數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖

6 結(jié)論

通過分析管片氣泡產(chǎn)生成因并采取以上措施后，可以大幅度減少管片氣泡，實(shí)踐證明以上措施值得借鑒。