预制混凝土管片表面气泡影响因素研究

李方利 ¹ ，施 小民 ¹ ，张 培 育 ²  

    (1.  中铁十三局集团有限公司，天津 300308;2. 内蒙古科技大学，内蒙古包头   014010)

摘要： 预制混凝土衬砌管片是地铁隧道的主要受力构件，管片质量是地铁隧道结构安全性、耐久性的主要保障。本文针对神华新街 TBM 斜井工程预制混凝土衬砌管片表面存在不同程度气泡的问题，分析水泥品种、砂率、水胶比及脱模材料等对预制混凝土管片表面气泡的影响规律及改性方法。研究结果表明：水泥品种对混凝土表面气泡的影响不大；砂率对混凝土表面气泡的影响较明显；水胶比对混凝土表面气泡的影响较明显；脱模剂对混凝土表面气泡的改善效果明显，且明显优于液压油 。  

     预制混凝土衬砌管片是盾构法中的主要结构构件，管片的整体性能对工程质量影响极大，因此，必须严格控制管片生产质量 ^[l]。防水性能是管片的一个主要功能，好的防水性能建立在良好抗渗性能的基础上。但是管片在生产中表面易出现较多气泡，不仅影响工程的美观，而且易形成渗漏通道，影响管片的强度与耐久性能。如何消除混凝土表面气泡是技术人员常遇到的问题。引起混凝土结构表面气泡的原因较多。本文针对神华新街 TBM 斜井工程预制混凝土衬砌管片表面存在不同程度气泡的问题，通过试验研究分析气泡的成因，提出解决预制混凝土管片表面气泡的有效措施。

1  工程概况

    本工程为新街台格庙矿区一号矿井的主井，采用预制钢筋混凝土管片衬砌，管片结构外径7.3m,内径6.6m,管片厚度0.35-0.87m,宽度1.5m,个别管片的混凝土为大体积混凝土。管片表面要求密实、光洁、平整，边棱角完整无缺损，麻面面积不得大于管片面积的5%。混凝土设计强度等级C40,抗渗等级Pl2。

2  试验原材料与方法 

2.1 原材料

   水泥备选了冀东、蒙西、天浩 3 个厂家 P.042.5 级普通硅酸盐水泥，其主要物理力学性能如表 1 所示。粉煤灰采用达拉特电厂（华宇）粉煤灰。细骨料为细度模数 2.42 的中砂，含泥量为 3% 。粗骨料为 5.0-31.5mm 连续级配碎石。水为普通自来水。减水剂为包头钢鹿建材公司聚狻酸减水剂，减水率 35% 。脱模剂为四川某公司生产的脱模剂 T-1, 青岛某公司生产的脱模剂 T-2, 上海某公司生产的脱模剂 T-3, 液压油 T-4 。

2.2 试验方法

    混凝土基准配合比见表 2 。选用表面光滑，尺寸 150mm x 150mm x 150mm 的钢试模，模拟混凝土管片预制过程。在其他条件不变的情况下，分别逐一改变单一影响因素，研究不同因素对混凝土表面气泡的影响。混凝土搅拌、成型等按照《普通混凝土拌合物力学性能试验方法标准》 (GB50080-2002) 执行，对成型后试块标准养护，测其 3d 和 28d 强度  .  

3  试验结果与分析

3.1 水泥品种对混凝土表面气泡的影响

     3 种水泥配制的混凝土物理力学性能见表 3 。 3 种水泥对混凝土表而 气 泡的影响见图 1 。

     由表 3 看出， 3 种水泥配制的混凝土 3d 强度接近、 28d 的强度接近，均能满足工程要求。从图 1 可以看出， 3 种水泥对混凝上表面气泡的影响不大，但蒙西水泥效果相对好，所以该工程优选蒙西水泥，试验也采用蒙西水泥。

3.2  砂率对混凝土表面气泡的影响

   根据工程特点、要求以及混凝土配合比设计原则，砂率分别按 30%,33%,35%,37% 共设计了 A,B,C,D4 组混凝土，分析不同砂率对混凝土表面汽泡的影响。不同砂率混凝土的配合比及抗压强度见表 4 ，砂率对混凝土表面的影响见图 2 。

图2  不同砂率对混凝土表面汽泡的影响

    由表 4 可以看出，砂率对混凝土强度的影响不大。但从图 2 可以看出，不同砂率对混凝土试块外观质量的影响不同。在表面气泡的数量和孔径大小上看，砂率为 33% 时混凝土表观质量优。可见，砂率是影响混凝土表面气泡的一个重要因素。在水泥用量和水灰比一定的条件下，一方面，由于砂子与水泥浆组成的砂浆在粗骨料间起到润滑和滚珠轴承作用，可以减小粗骨料间的摩擦力，有利于气泡的逸出。在合理砂率范围内，随砂率的减少，混凝土黏聚性、流动性增大，对混凝土表面气泡起到改善作用。另一方面，由于砂子的比表面积比粗骨料大，随着砂率的增加，粗细骨料的总表面积增大，在水泥浆用扯一定的条件下，骨料表面包裹的浆扯减薄，润滑作用下降，使混凝土流动性降低，阻碍气泡的逸出。所以砂率既不能大，也不能小，从本次试验来看，砂率取 33% 效果较好。

3.3   不同水胶比对混凝土表面气泡的影响

   选用蒙西水泥，涂脱模剂T-1, 按表5 配合比进行试验。调整混凝土水胶比，研究水胶比对混凝土表面气泡的影响，结果见图3。不同水胶比混凝土的抗压强度见表5

    图  3   不同水胶比对混凝上表面气泡的影响         

  表 5   不同水胶比混凝土的抗压强度

   从图3可以看出，随水胶比增大，混凝土表观质拭变差；随水胶比的减小，试块表面气泡减少，对混凝土外观质从改善作用较明显。由表5可知，随水胶比的减小，强度增大但过小的水胶比可能会影响混凝土的工作性能，增大混凝土的收缩，经济方面也不合适。由此可见，水胶比是影响混凝土表面气泡的一个重要因素。水胶比对混凝土平均气泡直径及比表面积、气泡的孔径分布等特征会产生显著的影响【2-5】。其主要原因是随疗用水量的降低，胶材用量相对增加，胶凝材料水化所悄耗的用水扯增加，使混凝土中自由水降低，从而有利于减少表面气泡的生成。

3.4 脱模剂对混凝土表面气泡的影响

       选用蒙西水泥，按表2基准混凝土配合比进行试验，分别涂刷脱模剂T-l,T-2,T-3和液压油T-4,分析脱模剂对混凝土表面气泡的影响，结果见图4。

图4   3种脱模剂和液压油对混凝土表面汽泡的影响

   由图4可以看出，脱模剂性能对混凝土表面气泡影响较大。使用T-1，T-2， T-3 时，对混凝土表观质量的改善效果明显。其中使用T-1 时，混凝土表面气泡直径小，气泡少，外观质量好。使用液压油T-4 时，试块表面气泡孔径较大，且分布较密集，外观质量很差。总体来看，使用脱校剂T-1能有效解决混凝土表面气泡的问题。
    涂刷 T-1 脱模剂能有效解决表面气泡问题的主要原因： ① 脱模剂是一种水性聚合物，能够均匀地涂刷在模板表面，降低混凝土与模板之间的界面结合力，使气泡容易逸出破灭，减少混凝土表面气泡数量； ② T-1 脱模剂中含有一定的消泡成分，有利于气泡的破灭或向内部移动，减小混凝土表面气泡直径，并降低气泡数量； ③ T-1 脱模剂中含有一定的缓凝组分，可延长混凝土表面浆体的凝结时间，浆体的自身重力作用使生成的气泡破灭或向内部移动，减少混凝土表面气泡的数量。 ④ 脱模剂附着于成型物和模具之间直接起到隔离作（图 5) ，脱模时能在 B 面剥离，使得脱模效果优 ^[6-7] ，有利于改善混凝土表观质量 。

         图5  脱模示意

   采用表2基准配合比，将T-1脱模剂用于现场预制混凝土管片构件，经养护，拆模后观察制品表面状况，表面光滑，有少许微小气泡，表观质量良好，详见图6。

       图  6  预制混凝土管片成品

4  结论  

   1) 水泥品种对混凝土表面气泡影响不大。

   2) 砂率对混凝土表面气泡有一定的影响。在合理砂率范围内，随着砂率的减小，混凝土的表观质量得到改善。

   3) 降低水胶比能有效解决混凝土表面气泡问题。但过小的水胶比可能会影响混凝土的工作性能，增大混凝土的收缩，经济性也不佳。

   4) 脱模剂对混凝土表面气泡的改善效果明显。不同脱模剂效果不同，均明显优于液压油。

参考文献

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本文转载自《铁道建筑》2014年第6期，旨在研究和学习预制混凝土表面汽泡问题，若遇版权问题，请联系本公司，将立即删除。