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地鐵盾構管片混凝土配合比的設計與應用
2020-03-04 11:39:20   來源:焦作新礦機械

1 工程概述
      由沈陽張士開發區到黎明文化宮的地鐵一號線是沈陽乃至東北啟動建設的第一條地下鐵道工程。這條規劃中的東西交通地下大動脈,位于城區東西方向的主軸線上,橫跨市內五區,連接沈陽經濟開發區、鐵西工業區和沈陽站、太原街商業區、中街商業區等客流集散地區,具有重要的戰略地位。地鐵一號線全線擬設18座地下車站,西起沈陽經濟技術開發區的昆明湖街與滄海路交叉口的張士站,經黃海路、南十路、中華路、十一緯路、中街、小東路、珠林路、和睦路至終點黎明文化宮站。線路全長22.156 km,途經站點分別為張士站、沈新路站、黃海路站、洪湖北街站、重工街站、衛工街站、保工街站、鐵西廣場站、云峰北街站、沈陽站站、南京街站、南市站、青年大街站、懷遠門站、中街站、津橋路站、滂江街站和黎明文化宮站,平均站距1 310m。設車輛段和控制中心各一處,主變電所2座,設置4條折返線。計劃建設工期為54個月,工程總投資94.8億元,平均每公里造價4.3億元。
2 管片簡介與技術要求
      每環管片外徑6 m,內徑5.4 m,由6片襯砌(3A+2B+C)組成,每環由3塊標準塊(A型),2塊鄰接塊(B1、B2型)和1塊封頂塊(C型)組成。每環寬度1 200 mm。管片混凝土設計強度等級為C50,抗滲等級為P10。
3 原材料的選擇
3.1 水泥
      由于管片的生產采用生產線蒸養的方式,為了縮短預養和蒸養的時間,水泥宜采用早期強度較高的水泥,要求水泥中的硅酸三鈣含量較高,這樣有利于混凝土中早期結構的形成。
      在為我集團供應水泥的多個廠家的P.O42.5或P.O42.5R中,我們從水泥的3 d和28 d的抗壓強度平均值、凝結時間、富余系數、方差等指標比較篩選后,我們選用了平均值和富余系數較大、方差較小、3 d強度較高的鐵嶺鐵新P.O42.5水泥,該水泥的具體技術指標為初凝時間105 min,終凝時間為165 min,3 d平均強度為25.1 MPa,28 d平均強度為49.6 MPa。
3.2 摻合料
      我公司采用的摻合料是粉煤灰,為提高混凝土的和易性,降低水灰比,增加后期強度,對粉煤灰的具體要求是細度小于12%,需水量比不大于95%,燒失量小于5%,強度活性指數大于70%的Ⅰ級粉煤灰。
3.3 外加劑
      由于管片在生產過程中要減少抹面時間和預養時間,縮短蒸養時間,加快生產速度,這就要求外加劑具有早強和早凝的性能,尤其是外加劑中不要有引氣和緩凝的成分,這是因為管片生產采用蒸養技術,如果發生緩凝現象,管片表面就會有起鼓、酥松和氣泡的現象發生,嚴重影響管片的質量和外觀。另外外加劑還要有較高的減水率和對水泥和摻合料有良好的適應性,從以上幾方面考慮,我們從多個廠家的多種外加劑中進行了大量的試驗,這些外加劑包括聚羧酸系、萘系、密胺系等,最后我們選擇了大連西卡外加劑廠生產的聚羧酸系高濃高效減水劑。該減水劑具有低摻量(摻量為0.6%),高的減水率,良好的早強性能,對水泥和粉煤灰有良好的適應性,在生產過程中大大提高了管片質量和生產速度。
3.4 砂石
      由于管片混凝土屬于高強混凝土,所以對砂石的要求有嚴格的限制,對于砂分別在細度模數、級配、含泥量、泥塊含量上要嚴格限制,對于石分別在級配、含泥量、泥塊含量、針片狀含量、壓碎指標要嚴格限制,砂試驗具體參數如下,含泥量1.6%,小于規定值的3.0。泥塊含量0.4,小于規定值的1.0。石試驗具體參數如下,含泥量0.4,小于規定值的1.0。泥塊含量0.2,小于規定值的0.5,針片狀含量5.5,小于規定值的15%,壓碎指標值8.4,小于規定值的10。以上數據都能滿足高強混凝土的要求。
      另外,由于混凝土在澆筑過程中要求的坍落度很小,一般控制在70 mm以下,而管片中又有很密的鋼筋,這就要求混凝土在受到振動后要有很好的流動性,才能使混凝土迅速的填滿整個模具,并且無蜂窩、無漏振,那么砂石的級配在此時就非常重要,在試驗過程中我們選用了細度模數較小的Ⅱ區中砂,實測細度模數為2.3,并且要求0.315 mm以下含量在25%~30%之間,這樣能夠保證混凝土在受振時有很好的流動性。對于石我們選用了5~25 mm的連續級配的碎石,并且要求粒徑16 mm以下顆粒達到總質量的60%以上,這樣和細度模數較小的中砂搭配,能夠實現骨料級配的整體連續性,保證混凝土在很小的坍落度的情況下受振后有很好的流動性。
3.5 水
      飲用水。
4 混凝土配合比的確定
4.1 膠凝材料總量及粉煤灰的摻量
      在試驗中我們首先把膠凝材料總量定在450 kg/m3,粉煤灰的摻量分別定為30、50、70、80 kg/m3進行了試驗,其28d強度均能達到設計強度的125%以上,區別是當粉煤灰摻量較大是會加長混凝土的初凝時間,影響混凝土管片的預養和蒸養時間,那么我們根據管片生產線的生產速度選擇了水泥400 kg/m3,粉煤灰50 kg/m3的比例進行生產,而沈陽地處北方,冬季溫度低,生產車間也會受到氣溫的影響,這時我們也選用了水泥420 kg/m3,粉煤灰30 kg/m3的比例,以減少混凝土的初凝時間,加快生產速度。
4.2 水灰比的確定
      如果混凝土中水灰比過大,那么混凝土在凝結過程中由于水分的損失而造成的體積收縮就越大,還有多余的拌合用水就會滯留在管片與模具側面之間,那么管片在蒸養的過程就會在管片側面留下氣孔,影響管片的外觀,同時過大的水灰比還會延長管片的收面抹面時間和預養時間,降低生產速度。大的水灰比也會降低混凝土的強度,增加膠凝材料的用量,增加了生產成本。在試驗中我們最后確定了0.33的水灰比。
4.3 砂率
      砂率的選擇不易過大,過大的砂率雖然會增加混凝土的流動性,但會降低混凝土的強度,容易在管片澆筑面形成很厚的砂漿層,降低混凝土表面抗拉強度,從而產生收縮裂縫,在試驗和生產中由于選用了細度模數較小的中砂和粒徑較小的碎石,這就要求砂率的選擇一定不要過大,在試驗中分別對35、32、29的砂率進行的試驗,發現砂率在29時仍能保證混凝土有很好的流動性,在受振后能很快的填滿整個模具,并且無蜂窩和漏振,因為石子含量大,澆筑后分布均勻,在澆筑后形成的砂漿層很小,有大量石子分布在澆筑面,大大增加了混凝土表面的抗拉強度,降低了產生收縮裂縫的可能性。
4.4 坍落度的控制
      混凝土的坍落度不宜過大,坍落度過大雖然易于混凝土的澆注,但會使混凝土澆筑面的灰漿層增厚,容易使混凝土產生大的收縮沉降,在收縮的過程中受到鋼筋的約束而使上弧面產生裂縫,同時也因為早期抗拉強度低而產生收縮裂縫和溫度裂縫。坍落度也不宜過小,坍落度過小不宜混凝土的振搗和澆注,容易在管片內部產生孔洞,造成不可見的缺陷,在管片表面形成蜂窩和麻面,影響管片的質量和外觀。在實際生產中,把坍落度控制在5~10 cm是比較合適的。
4.5 配合比的確定
      最終確定的配合比是水泥400、粉煤灰50、砂537、石1 315、水148、外加劑2.7 kg/m3。
      試驗強度為7 d 46.5 MPa,14 d 58.3 MPa,28 d 67.9MPa。分別占設計強度的93%,117%,136%。其強度值、膠凝材料用量、水灰比基本上符合鮑米羅公式的計算。
5 配合比的應用和管片的性能
      在工作性方面,實際生產中的混凝土保水性、粘聚性、流動性均良好,易于澆注,表面無泌水,混凝土組成成分均勻分布,管片成型后表面氣泡少,無蜂窩麻面,無大的孔洞,色澤亮白。
      在強度方面,管片在5 h的蒸養后,經回彈測得管片出窯強度均能達到20 MPa以上,完全滿足起片,吊裝,轉運的要求,24 h強度達到40 MPa以上,14 d強度均能達到設計強度的110%以上,28 d強度均能達到設計強度的130%以上。
      在抗滲方面,根據要求每100環進行一次檢漏試驗,其滲水高度均小于4 cm,均未超過管片厚度的1/5,滿足《地下防水工程質量驗收規范GB50208-2002》的要求。地鐵鋼管片

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