CN105041336A - 一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片及其制备方法，为钢筋骨架和混凝土组成的钢混结构，所用主筋的配筋率为0.5%～1.0%，主筋间距为150～300mm，钢筋等级不低于三级；所用分布筋的最小钢筋间距为400mm，最大2000mm，钢筋等级不低于二级；螺栓孔或手孔等部位不设构造钢筋；采用超高性能混杂纤维混凝土，组分有胶凝材料、砂、碎石、钢纤维、合成纤维、减水剂、消泡剂和水。本发明管片其钢筋和混凝土的用量少；管片早期强度高，可免蒸汽养护，降低能耗绿色节能环保；火灾时管片的抗爆裂性能强；韧性和抗裂性能佳耐久性好，边缘接缝不易破损，克服了传统管片的缺点。

Description

一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片及其制备方法

技术领域

本发明属于盾构法隧道施工技术领域，具体是指一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片及其制备方法。

背景技术

随着城市建设规模的不断发展，国内各大城市相继开始发展地铁和城市地下空间以及改造城市水利系统，其中盾构法施工技术是一种已广泛用于地下隧道建设的工法。预制盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道最外层的永久衬砌结构,承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。

作为隧道结构的主体，预制盾构管片直接关系到隧道的整体质量，影响隧道的承载力、防水性能和耐久性。预制盾构管片主要分为钢管片和钢筋混凝土管片，其中钢筋混凝土管片应用最为广泛。但是传统的钢筋混凝土管片也存在以下缺点：

1.由于钢筋混凝土管片多采用C50以上的高强混凝土，混凝土脆性大，韧性差，管片运输安装过程中边缘、接缝处容易破损，影响其耐久性；

2.钢筋混凝土管片的配筋较多，钢筋的使用量大；

3.混凝土用量大，管片自重大；

4.混凝土强度提高较慢，为提高模具周转速度需蒸汽养护，加速水化反应提高早期强度；

5.高强混凝土对于耐久性是有利的，但对于隧道的防火来说，则有不利的一面，一旦隧道发生火灾，致密的混凝土将使其内部水蒸气无法排出，热量分部不均匀，从而导致混凝土保护层的爆裂。

发明内容

本发明的目的在于针对上述背景技术中提到传统钢筋混凝土管片的不足，提供一种韧性强、抗裂性能优异、边缘接缝不易破损、耐久性好、火灾时抗爆裂性能优异安全性好、钢筋和混凝土的用量小、蒸汽养护时间短、可免蒸汽养护降低能耗、绿色节能环保的新型的混凝土盾构管片。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片，由钢筋骨架和混凝土组成，其特征在于：所述混凝土为超高性能混杂纤维混凝土，其组分有胶凝材料、砂、碎石、钢纤维、合成纤维、减水剂、消泡剂和水；所述钢筋骨架主要包括主筋和分布筋，所用主筋的配筋率为0.5%～1.0%，主筋间距为150～300mm，钢筋等级不低于三级；所述分布筋的钢筋间距为400～2000mm，钢筋等级不低于二级。

作为本发明的优选技术方案，所述超高性能混杂纤维混凝土各组分的质量百分比如下：

胶凝材料100份；

砂120～200份；

碎石120～180份；

钢纤维6～12份；

合成纤维1.6～11.2份；

减水剂1.0～2.0份；

消泡剂0.1～0.3份；

水20～28份。

其中，所述胶凝材料包含的组分及各组分的质量百分含量为：

普通硅酸盐水泥65%～80%；

硅灰0%～8%；

粉煤灰0%～25%；

其他活性矿物掺合料余量。

作为本发明的优选技术方案，所述超高性能混杂纤维混凝土中的胶凝材料的掺加量不超过24.5%，优选掺加量为24%。

作为本发明的优选技术方案，所述合成纤维包含掺加量为0.04%～0.08%的细合成纤维和0～0.2%的粗合成纤维；所述细合成纤维为丙烯纤维、聚乙烯醇纤维或尼龙纤维；所述粗合成纤维为聚丙烯粗合成纤维或塑钢纤维。

作为本发明的优选技术方案，当混凝土为了满足韧性、刚度或抗裂等方面的要求钢纤维添加量超过2.5%时，为减轻杂散电流对混凝土造成的腐蚀侵害，掺加2.5%的钢纤维，超出部分用1.2倍体积掺加量的粗合成纤维代替。

作为本发明的优选技术方案，所述钢纤维采用长度不小于50mm、直径不大于1mm、长径比不小于60且抗拉强度不小于1000MPa的端钩型钢纤维。

作为本发明的优选技术方案，所述超高性能混杂纤维混凝土的水灰比为0.24～0.3。

作为本发明的优选技术方案，所述砂为中砂；所述碎石为粒径小于20mm的级配碎石，砂率为0.45～0.55；所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂，其掺加量根据减水剂的减水效率和管片浇注工艺的要求进行调整，所述消泡剂为有机硅消泡剂。

此外，本发明还涉及上述超高性能混杂纤维混凝土盾构管片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、材料准备：按配比称取或量取混凝土组分材料，准备钢筋材料；

步骤二、钢筋骨架的制作：在靠模上焊接形成钢筋骨架，采用CO₂保护焊点焊接，焊接点牢固，至少隔点点焊；

步骤三、管片浇筑模具：采用钢制模板，模板带振动装置；

步骤四、超高性能混杂纤维混凝土的制备：首先，将胶凝材料、砂、碎石、消泡剂、减水剂和水按照普通混凝土制作方法拌合；依照预定的钢纤维和合成纤维用量加入两种纤维，然后拌合均匀，最后加入减水剂进行调整使混凝土的工作性达到要求；

步骤五、浇筑超高性能混杂纤维混凝土：为保持混凝土工作性，以及提高混凝土的流动速度，浇筑时宜边搅拌边浇筑；

步骤六、混凝土养护：常温养护，待养护完成后，超高性能混杂纤维混凝土盾构管片制备完成。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

1、本发明盾构管片厚度较传统钢筋混凝土管片的原材料消耗少，混凝土用量减少5%～20%，钢筋用量减少20%～40%，节约材料；

2、本发明盾构管片厚度较传统钢筋混凝土管片的厚度减少5%～20%，管片的自重降低，从而减少管片的运输和施工过程中的能源消耗，节能环保；

3、钢筋配筋的简化，可减少钢筋骨架制作时间，简化制作工艺，节约人力成本；

4、钢纤维可以提高管片的抗拉强度，韧性和抗裂性能佳，耐久性好，边缘接缝不易破损，

5、混凝土的水灰比较低，混凝土早期强度高，蒸汽养护时间短可免蒸汽养护，降低能耗绿色节能环保；

6、合成纤维可以有效的减少混凝土中的蒸汽压，钢纤维可以提高混凝土内部温度均与性降低温度应力，因此火灾时管片的抗爆裂性能较好。

综上，本发明盾构管片性能好，成本低，制备方便，广泛适用于隧道施工中。

附图说明

图1本发明涉及的超高性能混杂纤维混凝土盾构管片标准块的配筋示例；

图2是图1中A-A剖面的结构示意图；

图3是图1中B-B剖面的结构示意图；

图4是本发明涉及的实施例1的超高性能混杂纤维混凝土管片荷载-挠度曲线；

图5是本发明涉及的实施例2的超高性能混杂纤维混凝土管片荷载-挠度曲线。

附图标记：1-主筋、2-分布筋、3-拉结筋、4-超高性能混杂纤维混凝土、5-注浆孔、6-手孔、7-螺栓孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。本发明涉及的超高性能混杂纤维混凝土盾构管片由钢筋骨架和混杂纤维混凝土两部分组成，其外形由设计单位提供。

图1～3是本发明管片的标准块的配筋示意图，如图所示，一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片，为钢筋骨架和混凝土组成的结构，其上按常规方式开有用于盾构同步注浆的注浆孔5、用于连接螺栓操作的手孔6和用于穿过管片连接螺栓的螺栓孔7，其钢筋骨架包括主筋1、分布筋2以及拉结筋3，所用主筋1的钢筋等级不低于三级，所用分布筋2的钢筋等级不低于二级。钢筋骨架的主筋1的配筋率为0.5%～1.0%，一般为0.85%，最小主筋1间距为150mm，最大300mm，所述的钢筋骨架的分布筋2，最小钢筋间距为400mm，最大1000mm。比传统钢筋混凝土管片主筋1减少10%～25%，减少钢筋根数加大钢筋间距或减少钢筋直径均可；分布筋2减少50%～90%，一般通过减少钢筋根数，加大钢筋间距实现。此外在螺栓孔7或手孔6周围部位不设构造钢筋。所述混凝土为超高性能混杂纤维混凝土，其组分有胶凝材料、砂、碎石、钢纤维、合成纤维、减水剂、消泡剂和水。下面通过两个具体实施例对本发明管片的特点进行详细说明：

实施实例一

1、钢筋骨架的加工：

管片标准块，宽度为2000mm，厚度315mm，内弧长3492mm，较传统钢筋混凝土管片（宽度为2000mm，厚度380mm，内弧长3492mm），厚度减少17%，体积减少18%，主筋1用量167kg，配筋率0.83%，比传统减少21%，分布筋2用量39kg，比传统减少60%。

2、超高性能混杂纤维混凝土的拌制：

胶凝材料，总掺加量为100份，其的中普通硅酸盐水泥掺加量占总量的75%，二级粉煤灰18.5%，硅灰6.5%；

机制砂，II区，细度模数2.7，含泥量小于2%，掺加量为135份；

碎石，直径小于20mm的级配碎石，掺加量为160份；

减水剂，高效聚羧酸系减水剂，固含量40%，掺加量为1.2份；

消泡剂，有机硅消泡剂，掺加量为0.1份；

钢纤维，端钩型钢纤维，直径0.9mm，长度60mm，长径比67，掺加量为9.1份；

合成纤维，聚丙烯细合成纤维，直径26μm，长度18mm，掺加量为0.16份；

水，24份。

3、管片制作和养护：

按照传统钢筋混凝土管片制作工序，自然养护20h后脱模，洒水养护。养护至28d龄期，对超高性能混杂纤维混凝土管片经过测试。

如图4为实施例1的超高性能混杂纤维混凝土管片荷载-挠度曲线，从图中看出，超高性能混杂纤维混凝土管片各项性能指标均优于传统钢筋混凝土管片。对于管片减少厚度后，对于管片刚度和承载力的影响由荷载挠度曲线可知，其刚度与传统钢筋混凝土管片相差不明显，承载力符合设计要求。

实施实例二

1、钢筋骨架的加工：

管片标准块，宽度为1000mm，厚度225mm，内弧长1746mm，较传统钢筋混凝土管片（宽度为1000mm，厚度270mm，内弧长1746mm），厚度减少17%，体积减少18%，主筋1用量28kg，配筋率0.85%，比传统减少17%，分布筋2用量9kg，比传统减少50%。

2、超高性能混杂纤维混凝土的拌制：

胶凝材料，总掺加量为24%，其中普通硅酸盐水泥掺加量为75%，二级粉煤灰18.5%，硅灰6.5%；

机制砂，II区，细度模数3.0，含泥量小于2%，掺加量为140份；

碎石，直径小于20mm的级配碎石，掺加量为155份；

减水剂，高效聚羧酸系减水剂，固含量40%，掺加量为1.15份；

消泡剂，有机硅消泡剂，掺加量为0.1份；

钢纤维，端钩型钢纤维，直径0.9mm，长度60mm，长径比67，掺加量为9.2份；

合成纤维，聚丙烯细合成纤维，直径26μm，长度18mm，掺加量为0.16份；

水，24份。

3、管片制作和养护：

按照传统钢筋混凝土管片制作工序，自然养护20h后脱模，洒水养护。养护至28d龄期，对超高性能混杂纤维混凝土管片经过测试。

图5为实施例2的超高性能混杂纤维混凝土管片荷载-挠度曲线。从图中看出，超高性能混杂纤维混凝土管片各项性能指标均优于传统钢筋混凝土管片。对于管片减少厚度后，对于管片刚度的影响由荷载挠度曲线可知，其刚度与传统钢筋混凝土管片相差不明显，承载力符合设计要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片，是由钢筋和混凝土浇筑成的弯弧形板片，其特征在于：所述混凝土为超高性能混杂纤维混凝土（4），其组分有胶凝材料、砂、碎石、钢纤维、合成纤维、减水剂、消泡剂和水；所述钢筋骨架包括主筋（1）和分布筋（2），所用主筋（1）的配筋率为0.5%～1.0%，主筋间距为150～300mm，钢筋等级不低于三级；所述分布筋（2）的钢筋间距为400～2000mm，钢筋等级不低于二级。

2.根据权利要求1所述的一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片，其特征在于，所述超高性能混杂纤维混凝土（4）的各组分的重量份配比如下：

胶凝材料100份；

砂120～200份；

碎石120～180份；

钢纤维6～12份；

合成纤维1.6～11.2份；

减水剂1.0～2.0份；

消泡剂0.1～0.3份；

水20～28份。

3.根据权利要求2所述的一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片，其特征在于，所述胶凝材料包含的组分及各组分的质量百分含量为：

普通硅酸盐水泥65%～80%；

硅灰0%～8%；

粉煤灰0%～25%；

其他活性矿物掺合料余量。

4.根据权利要求2或3所述的一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片，其特征在于：所述合成纤维包含掺加量为1.6～3.2份的细合成纤维和0～8份的粗合成纤维；所述细合成纤维为丙烯纤维、聚乙烯醇纤维或尼龙纤维；所述粗合成纤维为聚丙烯粗合成纤维或塑钢纤维。

5.根据权利要求4所述的一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片，其特征在于：当混凝土为了满足韧性、刚度或抗裂等方面的要求钢纤维添加量超过60kg/m³时，为减轻杂散电流对混凝土造成的腐蚀侵害，掺加60kg/m³的所述钢纤维，超出部分用1.2倍体积掺加量的粗合成纤维代替。

6.根据权利要求4所述的一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片，其特征在于：所述钢纤维采用长度不小于50mm、直径不大于1mm、长径比不小于60且抗拉强度不小于1000MPa的端钩型钢纤维。

7.权利要求5或6所述的超高性能混杂纤维混凝土盾构管片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、材料准备：按配比称取或量取混凝土组分材料，准备钢筋材料；

步骤二、钢筋骨架的制作：在靠模上焊接主筋（1）和分布筋（2）形成钢筋骨架，采用CO₂保护焊点焊接，焊接点牢固，至少隔点点焊；

步骤三、准备管片浇筑模具：采用钢制模板，模板带振动装置；

步骤四、超高性能混杂纤维混凝土（4）的制备：首先，将胶凝材料、砂、碎石、消泡剂、减水剂和水按照普通混凝土制作方法拌合；依照预定的钢纤维和合成纤维的用量加入两种纤维，然后拌合均匀，最后加入减水剂进行调整使混凝土的工作性达到要求；

步骤五、浇筑超高性能混杂纤维混凝土（4）：为保持混凝土工作性，以及提高混凝土的流动速度，浇筑时宜边搅拌边浇筑；

步骤六、混凝土养护：常温养护，待养护完成后，超高性能混杂纤维混凝土盾构管片制备完成。