CN100516463C - 盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺。盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺，盾构隧道混凝土管片的钢筋混凝土结构层(1)与高抗渗保护层(2)相接触面为功能梯度材料界面，在钢筋混凝土管片钢模中先后浇注强度等级大于C50的高性能混凝土形成钢筋混凝土结构层和采用泵送工艺浇注高性能细集料混凝土至钢筋混凝土管片钢模上表面形成高抗渗保护层；其特征在于：它包括如下步骤：进行功能梯度材料界面强化处理：在钢筋混凝土结构层(1)的上表面压印出嵌入式折线形界面(3)，嵌入式折线形界面(3)的折线与水平面夹角(θ)为15～65°。本发明的功能梯度材料界面具有较高的整体稳定性的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺。
背景技术
上世纪60年代以来，盾构隧道衬砌结构逐渐推广并应用了拼装式钢筋混凝土管片。钢筋混凝土管片有一定强度，加工制作比较容易，采用钢模制作(单块生产)时可保证管片精度(国内外都能达到±0.5mm)，耐腐蚀，造价也低，目前国内最为常用。但是在工程应用上也存在着许多缺点，如：收缩变形大，易开裂，防水及耐久性不好，未考虑抗火性能等。因而对混凝土管片材料的优化设计，提高其工程服役寿命，就显得尤为重要。
功能梯度材料(Functionally Graded Material，简称FGM)是指两种或两种以上不同性质的材料组分，采用先进的复合技术，使其组分和结构达到连续梯度变化，而使内部组分间复合界面消失，缓和材料内部的热应力，得到性能呈连续平稳变化的新型非均质复合材料。地下工程隧道管片往往要受到多种破坏因素的交互作用，与大气环境下的工业与民用建筑结构相比，影响隧道工程耐久性的因素更为复杂，既有可能来自内部空气环境，又有可能来自外部土壤环境的侵蚀性，由于地下水中含有很多侵蚀性介质，侵蚀性盐在混凝土表面的吸附和沉积，使其局部的浓度达到很高，使得混凝土的局部形成严重侵蚀而导致混凝土的破坏。因此，对隧道混凝土管片材料性能提出了更高的要求，而引入功能梯度材料设计原理，在隧道管片混凝土中应用功能梯度材料，使之达到外层高防水、高抗渗、高抗蚀，结构层提供强度等多重功能，将会有效地提高混凝土管片的耐久性，延长整体结构的服役寿命。
然而，功能梯度材料的引入，由于不同性质的材料组分在物理、化学等特性上的不同必然会带来复合材料界面层性能的突变，即不同性质材料组分间界面层的统一性问题。因而如何确保功能梯度材料界面具有较高的整体稳定性，实现功能材料界面的梯度变化，建立多元协同复合界面就显得至关重要，也是目前功能梯度材料应用于混凝土材料过程中亟待解决的核心问题。如何确保功能梯度材料界面层的稳定性，其中一个重要的技术指标就是界面层的粘结强度。
将功能梯度材料引入地下隧道混凝土管片的设计，目前国内还未见报道，其功能材料界面过渡区的强化以及施工工艺等方面的技术、专利等均存在相当的空白，因而通过系统研究，建立我国具有自主知识产权的功能梯度隧道管片材料设计理论以及相关的界面强化技术是至关重要和势在必行的。
21世纪是地下空间开发时代。在未来数十年中，我国越江跨海隧道和城市轨道交通将进行大规模建设，其中有很多隧道工程要采用盾构工法。在盾构隧道中，管片是最重要和最关键的结构构件，管片性能的优劣对隧道工程质量和服役寿命具有决定性的影响。因此，引入功能梯度材料设计原理，制备高抗渗、长寿命功能梯度混凝土管片能有效提高盾构隧道的服役寿命，而在此关键技术中，对功能梯度材料界面进行有效的强化，使之具有较高的界面粘结强度将成为该技术开发及推广应用的重要组成部分。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功能梯度材料界面具有较高的整体稳定性的盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺，该工艺可以提高盾构隧道混凝土管片的耐久性能，进而延长盾构隧道工程的服役寿命。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺，盾构隧道混凝土管片的钢筋混凝土结构层1与高抗渗保护层2相接触面为功能梯度材料界面，在钢筋混凝土管片钢模中先后浇注强度等级大于C50的高性能混凝土形成钢筋混凝土结构层和采用泵送工艺浇注高性能细集料混凝土至钢筋混凝土管片钢模上表面形成高抗渗保护层；其特征在于：它包括如下步骤：进行功能梯度材料界面强化处理：在钢筋混凝土结构层1的上表面压印出嵌入式折线形界面3，嵌入式折线形界面3的折线与水平面夹角θ为15～65°。
所述的嵌入式折线形界面3的厚度h1与高抗渗保护层2的厚度h0之比为0.5～2.0。
所述的在钢筋混凝土结构层1的上表面压印出嵌入式折线形界面3是由第一不锈钢印模和第二不锈钢印模分别沿长向和短向在钢筋混凝土结构层1的上表面进行压印，形成规则的网状凹槽；第一不锈钢印模、第二不锈钢印模的折线与水平面夹角15～65°。
第一不锈钢印模、第二不锈钢印模的厚度为8～12mm。
本发明由于引入了嵌入式折线形界面形式，能较好地将管片的高抗渗保护层2与钢筋混凝土结构层1有机地连成一个整体，表现出如下优点：
(1)充分保证了高抗渗保护层2与钢筋混凝土结构层1具有较高的粘结强度，相比于普通的层状光滑界面其粘结强度提高30～50％。
(2)采用该界面强化形式，可有效地保证不同功能材料在收缩、徐变、温度作用等非荷载作用效应下的协同性。
(3)由于采用预制的不锈钢印模(第一不锈钢印模、第二不锈钢印模)进行界面强化，简便、易行，因而并不会带来更为复杂的施工工序，基本不影响施工进度。
综上所述，本发明可以保证功能梯度材料界面具有较高的整体稳定性、粘结强度以及变形协同性。为实现功能梯度管片的高抗渗、长寿命要求提供重要的技术支持，在国内外地下工程管片设计中尚未见报道。
附图说明
图1是本发明盾构隧道混凝土管片的结构示意图。
图2是图1的A部放大图。
图3是嵌入式折线形界面3放大示意图。
图4-a是用于界面强化处理的第一不锈钢印模结构示意图。
图4-b是用于界面强化处理的第二不锈钢印模结构示意图。
图5是界面强化处理及管片制备工艺流程图。
图6是界面粘结强度测试图。
具体实施方式
下面结合实例及附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3、图5所示，盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺，盾构隧道混凝土管片的钢筋混凝土结构层1与高抗渗保护层2相接触面为功能梯度材料界面，它包括如下步骤：
1)在钢筋混凝土管片钢模中浇注强度等级大于C50的高性能混凝土至距离钢模表面15～80mm，然后插捣，形成厚度为420.0～485.0mm的钢筋混凝土结构层1；
2)进行功能梯度材料界面强化处理：在钢筋混凝土结构层1的上表面压印出嵌入式折线形界面3，嵌入式折线形界面3的折线与水平面保持15～65°的夹角θ；
3)在钢筋混凝土结构层1上的嵌入式折线形界面3上采用泵送工艺浇注高防水抗渗层混凝土至钢筋混凝土管片钢模上表面，然后插捣、收光、抹面，形成厚度为10.0～40.0mm的高抗渗保护层2；蒸养管片，并按养护工艺对管片进行水养护。
上述管片水养护完毕后，在高抗渗保护层外表面喷涂高效渗透结晶型防水材料，形成厚度为0.01～1.5mm的高致密防水层；管片喷淋养护至规定龄期后，运送至盾构隧道施工现场，用盾构机安装管片；管片安装到盾构隧道后，在钢筋混凝土结构层1内表面喷涂隧道防火涂料，形成厚度为10.0～16.0mm的防火抗爆层，得盾构隧道混凝土管片。
所述的嵌入式折线形界面3的厚度h1与高抗渗保护层2的厚度h0之比为0.5～2.0。
所述的在钢筋混凝土结构层1的上表面压印出嵌入式折线形界面3是由第一不锈钢印模和第二不锈钢印模分别沿长向和短向在钢筋混凝土结构层1的上表面进行压印，形成规则的网状凹槽；第一不锈钢印模、第二不锈钢印模的折线与水平面夹角15～65°。
如图4-a、图4-b所示，第一不锈钢印模、第二不锈钢印模的厚度为8～12mm。
所述的高抗渗保护层2由扩散系数小于3.0×10-13m2/s、抗裂等级达到I级、强度等级在C100～C200之间的高性能细集料混凝土制备而成。高性能细集料混凝土主要由水泥、水、强化剂和粒径小于0.63mm的细集料原料混合而成，各原料所占重量份数为：水泥1.00份、水0.16～0.22份、强化剂0.40～0.75份、粒径小于0.63mm的细集料1.00～1.40份。所述的强化剂主要由比表面积大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉、比表面积大于4000cm2/g的高活性微矿粉或粉煤灰、混杂纤维和减缩剂原料混合而成，各原料所占重量份数为：比表面积大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉1.00份、比表面积大于4000cm2/g的高活性微矿粉或粉煤灰1.50～3.00份、混杂纤维0.01～0.02份、减缩剂0.08～0.15份。
所述的强度等级大于C50的高性能混凝土要由水泥、粉煤灰、砂、石子、高效减水剂、水等原料混合而成，各原料所占重量份数为：水泥1.00份、粉煤灰(I级)0.20～0.30份、砂1.60～1.90份、粒径4.75～9.5mm的小石子1.00～1.30份、粒径4.75～26.5mm的大石子1.60～2.00、高效减水剂0.01～0.02份、水0.30～0.40份。
高抗渗保护层2与钢筋混凝土结构层1采用嵌入式折线形界面，克服了传统的平滑层状界面处理方式，显著增大了界面过渡区的接触面积，以尽可能消除不同功能梯度材料性能间的间断性，保证其具有优异的多元协同性，并具有较高的粘结强度，使之在外荷载及自身非荷载作用效应(如温度变形及收缩)下不致产生相对滑移、开裂等，确保整体结构的连续性、稳定性。保证了功能梯度材料界面具有较高的粘结强度，28天界面粘结强度≥4.2MPa，相比未经强化处理的层状平滑界面，粘结强度提高30～50％。
通过实验室试验测试嵌入式折线形界面的粘结强度，试验方法采用图6所示进行，其在界面处的劈裂抗拉强度即代表了界面的粘结强度。本发明所建立的功能梯度材料界面粘结强度要求不低于4.2MPa。
功能梯度盾构管片界面性能测试：
(1)钢筋混凝土结构层1与高抗渗保护层2的混凝土性能试验：钢筋混凝土结构层1的混凝土由强度等级≥C50的高性能混凝土制备而成，实测28d抗压强度65.5MPa；高抗渗保护层2的混凝土由高强、高抗渗、抗蚀混凝土制备而成。实测11h抗压强度56.0MPa，28d抗压强度158MPa，氯离子扩散系数0.70×10-13m2/s。
(2)粘结强度试验：采用图6所示的试验方法测试强化后以及未经强化处理的界面层的粘结强度，界面粘结强度如表1所示。数据表明，经界面强化后，28d粘结强度相比未经强化的界面层提高40.8％。
(2)变形性能研究：分别对两层梯度材料进行收缩变形性能实验，测试结果如表2所示，结果表明，结构层及防水抗渗层混凝土的收缩变形匹配性能良好，在本发明所述的界面强化设计中不会发生界面的开裂及滑移等破坏现象。
附表说明
表1：管片界面粘结强度测试。
表2：管片不同功能梯度材料的收缩变形。
表1管片界面粘结强度
表2管片不同功能梯度材料的收缩变形
Claims (4)
1.盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺，盾构隧道混凝土管片的钢筋混凝土结构层(1)与高抗渗保护层(2)相接触面为功能梯度材料界面，在钢筋混凝土管片钢模中先后浇注强度等级大于C50的高性能混凝土形成钢筋混凝土结构层和采用泵送工艺浇注高性能细集料混凝土至钢筋混凝土管片钢模上表面形成高抗渗保护层；其特征在于：它包括如下步骤：进行功能梯度材料界面强化处理：在钢筋混凝土结构层(1)的上表面压印出嵌入式折线形界面(3)，嵌入式折线形界面(3)的折线与水平面夹角(θ)为15～65°。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺，其特征在于：所述的嵌入式折线形界面(3)的厚度(h1)与高抗渗保护层(2)的厚度(h0)之比为0.5～2.0。
3.根据权利要求1所述的盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺，其特征在于：所述的在钢筋混凝土结构层(1)的上表面压印出嵌入式折线形界面(3)是由第一不锈钢印模和第二不锈钢印模分别沿长向和短向在钢筋混凝土结构层(1)的上表面进行压印，形成规则的网状凹槽；第一不锈钢印模、第二不锈钢印模的折线与水平面夹角15～65°。
4.根据权利要求3所述的盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺，其特征在于：第一不锈钢印模、第二不锈钢印模的厚度为8～12mm。
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