CN109678429A - 一种tbm隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，涉及混凝土管片技术领域，无筋钢纤混凝土管片由钢纤混凝土浇筑制成，钢纤混凝土由148‑150重量份的水泥、321‑323重量份的砂子、416‑418重量份的碎石、37‑39重量份的粉煤灰、3‑4重量份的减水剂和18‑19重量份的钢纤维按水胶比0.32‑0.33加入水制成；包括混凝土制备、管片浇筑、振捣密实和管片养护的工艺步骤，通过该方法制备的混凝土管片不仅可弥补普通管片抗裂性、抗疲劳性、耐久性差的不足，且取消配置钢筋，减少了用钢量，简化了制备工艺，可用于大规模批量化生产。

Description

一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土管片技术领域，具体为一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法。
背景技术
TBM隧道衬砌管片多采用普通钢筋混凝土管片，这些钢筋混凝土管片虽然具有可靠的力学强度、耐腐蚀和施工制作技术成熟等特点，但在不断使用过程中因其暴露局部破损率高、耐久性差、工效较低、韧性不足等原因易出现脆性破坏等问题。
钢纤维混凝土作为新型复合建筑材料，具有较好的抗裂性、抗疲劳性、耐久性，可弥补普通混凝土TBM管片的诸多问题。但现有技术中，相关研究仅将钢纤维作为增强材料，钢筋仍为主要受力构件，这类管片用钢量大，工艺较为繁杂。如专利名称为《一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片及其制备方法》(申请号为CN201510393871.9)的发明创造公开了一种超高性能混杂纤维混凝土盾构管片及其制备方法，其混凝土盾构管片即为钢筋骨架和混凝土组成的钢混结构，无法摆脱钢筋作为主要受力构件的形式，这种方法虽提升了管片部分性能，但用钢量大导致成本增加，且制备工艺比普通钢筋混凝土管片更为复杂。又如名称为《一种免蒸养、早强钢纤维混凝土管片及其制备方法》(申请号为CN201510159273.5)的发明创造公开了一种钢纤维混凝土管片及其制备方法，其钢纤维管片凝结硬化快，早期强度高，免蒸养，但对于管片其他各项必须的关键性能指标是否达标未进行表述，且所选原材料相对价格较贵，难以大规模生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，通过该方法制备的混凝土管片不仅可弥补普通管片抗裂性、抗疲劳性、耐久性差的不足，且取消配置钢筋，减少了用钢量，简化了制备工艺，可用于大规模批量化生产。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，所述无筋钢纤混凝土管片由钢纤混凝土浇筑制成，所述钢纤混凝土由148-150重量份的水泥、321-323重量份的砂子、416-418重量份的碎石、37-39重量份的粉煤灰、3-4重量份的减水剂和18-19重量份的钢纤维按水胶比0.32-0.33加入水制成；
所述钢纤维选用高强钢丝纤维，其抗拉强度不小于1500MPa，所述钢纤维需满足下述条件之一：
条件1，所述钢纤维的极限位移大于或等于其在20倍工作载荷下的位移，其最大荷载下的位移大于或等于5倍其工作载荷下的位移；
条件2，在开口梁三点弯曲试验中，所述钢纤维的第一残余强度标准值与峰值强度标准值的比值大于0.4，其第三残余强度标准值与第一残余强度标准值的比值大于0.5。
进一步的，所述钢纤维的中部为平直段，其两端双折呈弯钩形。
进一步的，所述水泥选用质量符合GB175规定且不低于P·O.42.5级的低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥(碱含量≤0.6％)。
进一步的，所述砂子选用干净中砂，细度模数大于2.5，含泥量小于3％。
进一步的，所述石子选用最大骨料粒径不大于25mm的山碎石，级配连续，含泥量小于1％。
进一步的，所述粉煤灰选用符合GB1596标准的I级粉煤灰。
进一步的，所述减水剂选用低氯、低碱高效减水剂。
进一步的，所述无筋钢纤维混凝土管片的制备方法包括如下步骤：
步骤一：按重量份配比量取所述水泥、砂子、碎石、粉煤灰、减水剂和钢纤维，先将2/3掺量钢纤维及石子均匀加入搅拌设备，加入砂子干拌30秒以上，再将1/3掺量的钢纤维、水泥、粉煤灰加入搅拌设备并干拌15s以上，之后再按所述水胶比加入水和减水剂均匀搅拌，制备钢纤维混凝土；
步骤二：将所述步骤一种制备的混凝土注入专用模具内一次性浇筑成型，并进行密封振捣密实，制备管片；
步骤三：管片制作完成后进行不小于6h蒸汽养护，之后脱模进行标准养护。
进一步的，所述步骤一中制备的钢纤维混凝土需要进行钢纤维混凝土坍落度、粘聚性、保水性、和易性检测，各种指标均合格后方可进行运输、浇筑。
进一步的，所述步骤二中振捣采用高频低幅震动，振动时间不大于150秒。
本发明的有益效果是：
1.通过本发明方法制备的钢纤维增强混凝土管片的强度和重量的比值大，节省钢材，降低造价，具有广阔的应用发展前景。
2.由于钢纤维在混凝土管片中的阻裂机制，与普通混凝土管片相比，钢纤维混凝土管片有很好的裂后强度和抗裂抗疲劳性能。
3.与普通混凝土相比，本发明的钢纤维混凝土具有卓越的抗冲击性能，优良的抗剪性能与变形性能，较好的耐久性。
4.本发明钢纤维管片取消管片内钢筋布置，极大简化的生产工艺，提高了工效。
5.本发明钢纤维混凝土管片制作原材料易于获得，制备工艺可操作性强，可进行大规模批量生产，易于推广应用。
附图说明
图1为钢纤维形状示意图；
图2为钢纤维工作载荷下的位移取值参考图；
图3为自动流水生产线法批量生产管片流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本发明一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法用于制备硬岩TBM地铁区间隧道的钢纤混凝土管片，该钢纤混凝土管片由钢纤混凝土直接浇筑制成，钢纤维与混凝土整体作为受力构件共同承受围岩压力及水压力。用该方法制备的钢纤混凝土管片，其内部不另外配置钢筋，可节省钢材，降低生产成本。
上述钢纤混凝土由148-150重量份的水泥、321-323重量份的砂子、416-418重量份的碎石、37-39重量份的粉煤灰、3-4重量份的减水剂和18-19重量份的钢纤维按水胶比0.32-0.33加入水制成。其中，钢纤维选用高强钢丝切断异形钢纤维，其抗拉强度不小于1500MPa。该钢纤维的形状如图1所示，其中部为平直段，其两端双折呈弯钩形。在具体实施时，所述钢纤维的直径为0.75mm，总长度为50mm，其平直段长度为38mm，两端弯钩形对称设置。
上述钢纤维作为主要受力构件，还需满足下列条件之一：
条件1，满足δu≥20δsls且δpeak≥5δsls。
其中，δu、δpeak、δsls分别表示极限位移、最大荷载下的位移、工作荷载下的位移。如图2所示，上述工作荷载下的位移通过假设的无裂缝条件和初始杨氏模量进行线弹性分析得出。
条件2，满足且
其中，fLK、fR1K、fR3K分别为开口梁三点弯曲试验得到的峰值强度标准值、第一残余强度标准值、第三残余强度标准值。
通过上述方法制备的钢纤维混凝土管片中，由于钢纤维的阻裂机制，使其相比于普通混凝土管片具有更好的裂后强度和抗裂抗疲劳性能，同时这种钢纤混凝土具有卓越的抗冲击性能，优良的抗剪性能与变形性能，和较好的耐久性。
上述钢纤维混凝土的制备中，水泥选用质量符合GB175规定且不低于P·O.42.5级的低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥(碱含量≤0.6％)，砂子选用干净中砂，细度模数大于2.5，含泥量小于3％，石子选用最大骨料粒径不大于25mm的山碎石，级配连续，含泥量小于1％，粉煤灰选用符合GB1596标准的I级粉煤灰，减水剂选用低氯、低碱高效减水剂。经过室内试验及测试，这些原材料按上述重量份配比制备的钢纤维混凝土具有以下特性：
1.钢纤维混凝土的轴心抗压强度平均值为77MPa，与同等级普通混凝土(C50)相比，混凝土轴心抗压强度测试结果有较明显提高，提高比例约20％；钢纤维混凝土轴心抗压强度实验测试值分布比较均匀，离散较小。
2.在钢纤维混凝土的三点梁实验中，峰值残余荷载为19kN，开口裂缝为0.15mm时其残余荷载为24kN，明显高于同级别的普通混凝土。
3.在钢纤维混凝土的三点梁实验中，其残余荷载及残余强度测试值分布比较离散，其离散系数基本都在15％上下，分析认为，钢纤维搅拌、浇筑时的均匀性对试件测试结果存在很大影响。
如图3所示，该TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片可进行大规模、批量化的生产，其制备方法包括如下步骤：
步骤一：采用分次添加工艺制备钢纤维混凝土。其具体方法是，按上述重量份配比量取所述水泥、砂子、碎石、粉煤灰、减水剂和钢纤维，先将2/3掺量钢纤维及石子均匀加入搅拌设备，加入砂子干拌30秒以上，再将1/3掺量的钢纤维、水泥、粉煤灰加入搅拌设备并干拌15s以上，之后再按所述水胶比加入水和减水剂均匀搅拌，制备钢纤维混凝土。该搅拌过程可有效避免钢纤维结团，制备的钢纤混凝土质地均匀。
制备完成后，制备的钢纤维混凝土需要进行钢纤维混凝土坍落度、粘聚性、保水性、和易性检测，各种指标均合格后方可进行运输、浇筑。
步骤二：制好的钢纤维混凝土注入专用模具内一次性浇筑成型，并进行密封振捣密实，制备管片。振捣采用高频低幅震动，振动时间约为120s-150s，直至混凝土表面停止沉落或沉落不明显、混凝土表面气泡不再显著发生、混凝土将模具边角部位充实且表面有灰浆泛出。上述振动时间不得超过150s，若振动时间过长，易使钢纤维析出，影响管片性能。
步骤三：管片制作完成后进行不小于6h蒸汽养护，之后脱模进行标准养护。模具经清洗后，返回步骤二继续使用。
经足尺寸管片试验及测试，上述方法制备的钢纤维混凝土管片具备如下特性：
1.钢纤维混凝土管片吊装孔抗拔力大于150kN；
2.钢纤维混凝土管片抗渗试验，加载至1MPa，并持续2h，无渗水现象；
3.纤维混凝土早龄期(24h内)没有出现裂缝；
4.钢纤维混凝土管片在抗弯试验中，110kN初次出现裂缝，裂缝宽度在0.2mm时承受荷载可达140kN。
由此可以看出，该钢纤维混凝土管片的性能明显优于现有技术中普通的钢筋混凝土管片，其原材料易于获得，生产成本低，同时制备工艺简单，可进行大规模生产，具备极高的推广应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，其特征在于，所述无筋钢纤混凝土管片由钢纤混凝土浇筑制成，所述钢纤混凝土由148-150重量份的水泥、321-323重量份的砂子、416-418重量份的碎石、37-39重量份的粉煤灰、3-4重量份的减水剂和18-19重量份的钢纤维按水胶比0.32-0.33加入水制成；
所述钢纤维选用高强钢丝纤维，其抗拉强度不小于1500MPa，所述钢纤维需满足下述条件之一：
条件1，所述钢纤维的极限位移大于或等于其在20倍工作载荷下的位移，其最大荷载下的位移大于或等于5倍其工作载荷下的位移；
条件2，在开口梁三点弯曲试验中，所述钢纤维的第一残余强度标准值与峰值强度标准值的比值大于0.4，其第三残余强度标准值与第一残余强度标准值的比值大于0.5。
2.根据权利要求1所述的一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，其特征在于，所述钢纤维的中部为平直段，其两端双折呈弯钩形。
3.根据权利要求1所述的一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，其特征在于，所述水泥选用质量符合GB175规定且不低于P▪O.42.5级的低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥（碱含量≤0.6%）。
4.根据权利要求1所述的一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，其特征在于，所述砂子选用干净中砂，细度模数大于2.5，含泥量小于3％。
5.根据权利要求1所述的一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，其特征在于，所述石子选用最大骨料粒径不大于25mm的山碎石，级配连续，含泥量小于1％。
6.根据权利要求1所述的一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，其特征在于，所述粉煤灰选用符合GB1596标准的I级粉煤灰。
7.根据权利要求1所述的一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，其特征在于，所述减水剂选用低氯、低碱高效减水剂。
8.根据权利要求1所述的一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：按重量份配比量取所述水泥、砂子、碎石、粉煤灰、减水剂和钢纤维，先将2/3掺量钢纤维及石子均匀加入搅拌设备，加入砂子干拌30秒以上，再将1/3掺量的钢纤维、水泥、粉煤灰加入搅拌设备并干拌15s以上，之后再按所述水胶比加入水和减水剂均匀搅拌，制备钢纤维混凝土；
步骤二：将所述步骤一种制备的混凝土注入专用模具内一次性浇筑成型，并进行密封振捣密实，制备管片；
步骤三：管片制作完成后进行不小于6h蒸汽养护，之后脱模进行标准养护。
9.根据权利要求8所述的一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，其特征在于，所述步骤一中制备的钢纤维混凝土需要进行钢纤维混凝土坍落度、粘聚性、保水性、和易性检测，各种指标均合格后方可进行运输、浇筑。
10.根据权利要求所述的一种TBM隧道用无筋钢纤维混凝土管片的制备方法，其特征在于，所述步骤二中振捣采用高频低幅震动，振动时间不大于150秒。
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