CN117776633B - 一种盾构管片混凝土制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及盾构管片混凝土制备技术领域，提供一种盾构管片混凝土制备方法，包括：对混凝土所需硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰的密度以及5‑10mm碎石、10‑20mm碎石、机制砂的表观密度进行测定；对不同粒径碎石进行堆积密度试验，得到两种碎石的搭配比例；得到最大堆积密度条件下的砂率；计算砂石在紧密堆积状态下的空隙率；计算盾构管片混凝土中浆体体积；计算盾构管片混凝土的水胶比；计算胶凝材料密度；计算胶凝材料质量；计算各组分用量；根据各计算结果得到各组分质量份数，按质量份数进行混合搅拌，得到机制砂盾构管片混凝土。本发明能够有效提升盾构管片机制砂混凝土的密实性，可有效解决盾构管片机制砂混凝土抗氯离子渗透性能不佳的问题。
Description
技术领域
本发明涉及盾构管片混凝土制备技术领域，尤其涉及一种盾构管片混凝土制备方法。
背景技术
在盾构隧道工程中，预制钢筋混凝土管片的费用占整个隧道工程造价的40%~50%，盾构隧道工程的质量和服役寿命很大程度上取决于管片性能。因此，轨道工程对管片提出了极高的技术要求，如混凝土抗压强度设计等级至少为C50、构件外观质量要求达到清水混凝土的标准、在耐久性指标上要达到100年耐久性的设计要求，其中混凝土的抗渗等级要求达到P12，混凝土的电通量要求小于1000C，氯离子扩散系数要求不大于3×10-12 m2/s等。
为了保证预制钢筋混凝土管片满足轨道工程提出的技术要求，预制钢筋混凝土管片相关的标准和规范对其所使用的细骨料提出了相应要求，如《铁路隧道钢筋混凝土管片》TB 3353-2014要求管片用细骨料宜选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然河砂。然而天然砂为不可再生资源，且环保措施日趋严厉，多地天然河砂禁采，天然砂的供应量越来越少，优质天然砂的获取困难尤甚，威胁到了轨道交通用钢筋混凝土管片的生产。为了缓解天然砂资源短缺带来的风险，管片生产企业正在尝试采用机制砂代替天然砂生产混凝土管片，但在应用过程中遇到了如混凝土振动易离析泌水、抗氯离子渗透性能相对天然砂混凝土差的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决背景技术中的至少一个技术问题，提供一种抗离析、高耐久性的盾构管片混凝土制备方法
为实现上述目的，本发明提供一种盾构管片混凝土制备方法，包括：
分别对混凝土所需硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰的密度ρ c、ρ f、ρ sl和ρ sf以及5-10mm碎石、10-20mm碎石、机制砂的表观密度ρ g1、ρ g2和ρ s进行测定；
通过5~10mm碎石和10~20mm碎石按照不同比例掺配进行堆积密度试验，得到最大堆积密度条件下两种碎石的搭配比例α；
采用机制砂按1%的砂率填充碎石，控制砂率范围为34%~39%，进行砂石的紧密堆积试验，得到最大堆积密度ρ max,堆积条件下的砂率β s；
计算砂石在紧密堆积状态下的空隙率V V ；
计算盾构管片混凝土中浆体体积V p ；
计算盾构管片混凝土的水胶比W/B；
计算胶凝材料密度ρ b ；
计算胶凝材料质量m b ；
计算硅酸盐水泥用量m c 、粉煤灰用量m f 、矿渣粉用量m sl 、硅灰用量m sf 、混凝土用水量m w 、外加剂用量m ca ；
计算机制砂用量m s 、5~10mm碎石用量m g1 、10~20mm碎石用量m g2 ；
根据各计算结果得到混凝土所需硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、机制砂、碎石、高性能减水剂和水的质量份数，按质量份数进行混合搅拌，得到机制砂盾构管片混凝土。
根据本发明的一个方面，所述计算砂石在紧密堆积状态下的空隙率V V 为：
。
根据本发明的一个方面，计算盾构管片混凝土中浆体体积V p 为：；
其中，n为浆体的富余系数，n取值为1.0~1.1。
根据本发明的一个方面，所述计算胶凝材料密度ρ b 为：
；
其中，为β f 为粉煤灰占比，β sl 为矿渣粉占比，β sf 为硅灰占比。
根据本发明的一个方面，所述计算胶凝材料质量m b 为：；
式中Vα是指混凝土的含气量，对于盾构管片混凝土而言，其一般为1.0~2.5%；ρb是指胶凝材料的密度，ρw是指水的密度。
根据本发明的一个方面，所述计算硅酸盐水泥用量m c 、粉煤灰用量m f 、矿渣粉用量m sl 、硅灰用量m sf 、混凝土用水量m w 、外加剂用量m ca 为：；
式中γ是指高性能减水剂的掺量。
根据本发明的一个方面，所述计算机制砂用量m s 、5~10mm碎石用量m g1 、10~20mm碎石用量m g2 为：。
根据本发明的一个方面，根据计算结果得到各组分质量份数为：硅酸盐水泥330~400份，粉煤灰0~50份，矿渣粉30~100份，硅灰0~10份，机制砂+碎石1700~1900份，高性能减水剂3.5~6.0份，水125~145份。
根据本发明的一个方面，所述硅酸盐水泥为42.5强度等级的P·Ⅱ或P·O水泥；
所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；
所述机制砂为Ⅱ区中粗砂，细度模数为2.6~3.2，其石粉含量≤7%，MB值≤0.75g/kg，泥块含量为0，流动度比≥85%，单级最大压碎指标≤20%；
所述碎石的含泥量≤0.5%，泥块含量≤0.2%，且碎石中5~10mm碎石比例不超过50%；
所述高性能减水剂为标准型高性能减水剂，减水率为28%~35%；
所述水为自来水。
根据本发明的一个方面，所述按质量份数进行混合搅拌，得到机制砂盾构管片混凝土，包括：
1）将计算得到的质量份数的机制砂、碎石、硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰混合并搅拌，搅拌30s，搅拌速率为30~50r/min，得到第一混合料；
2）在第一混合料中加入计算得到的质量份数的50%的水，继续搅拌60s，得到第二混合料；
3）将计算得到的质量份数的高性能减水剂与计算得到的质量份数的50%的水混合，然后加入到第二混合料中继续搅拌30~60s，得到机制砂盾构管片混凝土。
根据本发明的方案，本发明通过将粗骨料（碎石）、机制砂按比例搭配掺合，使混凝土中骨料实现紧密堆积，降低骨料的堆积空隙率，有利于机制砂拌合物中浆体更好地填充空隙，提升盾构管片机制砂混凝土的密实性，可有效解决盾构管片机制砂混凝土抗氯离子渗透性能不佳的问题。
本发明采用二次加水法来制备混凝土拌合物，可以首先让低水胶比的浆体包裹在骨料表面，有利于缩减界面过渡区厚度，使其更加致密化，对机制砂混凝土的力学性能和耐久性能都有利。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的盾构管片混凝土制备方法流程图。
具体实施方式
现在将参照示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述的实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。
如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施方式”和“一种实施方式”要被解读为“至少一个实施方式”。
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的盾构管片混凝土制备方法流程图。如图1所示，在本实施方式中，一种盾构管片混凝土制备方法，包括：
a.分别对混凝土所需硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰的密度ρ c、ρ f、ρ sl和ρ sf以及5-10mm碎石、10-20mm碎石、机制砂的表观密度ρ g1、ρ g2和ρ s进行测定；
b.通过5~10mm碎石和10~20mm碎石按照不同比例掺配进行堆积密度试验，得到最大堆积密度条件下两种碎石的搭配比例α；
c.采用机制砂按1%的砂率填充碎石，控制砂率范围为34%~39%，进行砂石的紧密堆积试验，得到最大堆积密度ρ max,堆积条件下的砂率β s；其中，砂率是指砂占砂和碎石总质量的质量百分比；
d.计算砂石在紧密堆积状态下的空隙率V V ；
e.计算盾构管片混凝土中浆体体积V p ；其中，浆体是指水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、水、外加剂搅拌形成的混合物，即混凝土中除机制砂和碎石外的其它材料的总和；
f.计算盾构管片混凝土的水胶比W/B；其中，水胶比是指水的质量除以胶凝材料的质量；
g.计算胶凝材料密度ρ b ；其中，胶凝材料是指水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰的统称；
h.计算胶凝材料质量m b ；
i.计算硅酸盐水泥用量m c 、粉煤灰用量m f 、矿渣粉用量m sl 、硅灰用量m sf 、混凝土用水量m w 、外加剂用量m ca ；
j.计算机制砂用量m s 、5~10mm碎石用量m g1 、10~20mm碎石用量m g2 ；
k.根据各计算结果得到混凝土所需硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、机制砂、碎石、高性能减水剂和水的质量份数，按质量份数进行混合搅拌，得到机制砂盾构管片混凝土。其中，高性能减水剂通常有推荐掺量（该掺量为占胶凝材料质量的百分比），可以根据推荐掺量，结合胶凝材料质量计算得到高性能减水剂份数。
根据本发明的一种实施方式，在上述d步骤中，计算砂石在紧密堆积状态下的空隙率为：/>。
根据本发明的一种实施方式，在上述e步骤中，混凝土中的浆体除填充骨料（骨料是碎石和砂的统称）之间的空隙外，还有部分包裹在骨料表面形成包裹层，因此假定浆体的富余系数为n，对于盾构管片混凝土而言，n取值一般为1.0~1.1，则浆体体积V p 为：。
根据本发明的一种实施方式，在上述f步骤中，依据标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55计算盾构管片混凝土的水胶比W/B；
根据本发明的一种实施方式，在上述g步骤中，计算胶凝材料密度ρ b 为：
；
其中，为β f 为粉煤灰占比，β sl 为矿渣粉占比，β sf 为硅灰占比。
根据本发明的一种实施方式，在上述h步骤中，计算胶凝材料质量m b 为：
；
式中Vα是指混凝土的含气量，对于盾构管片混凝土而言，其一般为1.0~2.5%；ρb是指胶凝材料的密度，ρw是指水的密度。
根据本发明的一种实施方式，在上述i步骤中，计算硅酸盐水泥用量m c 、粉煤灰用量m f 、矿渣粉用量m sl 、硅灰用量m sf 、混凝土用水量m w 、外加剂用量m ca 为：
；
式中γ是指高性能减水剂的掺量。
根据本发明的一种实施方式，在上述j步骤中，计算机制砂用量m s 、5~10mm碎石用量m g1 、10~20mm碎石用量m g2 为：。
根据本发明的一种实施方式，在上述k步骤中，根据计算结果得到各组分质量份数为：硅酸盐水泥330~400份，粉煤灰0~50份，矿渣粉30~100份，硅灰0~10份，机制砂+碎石1700~1900份，高性能减水剂3.5~6.0份，水125~145份。
在本实施方式中，硅酸盐水泥为42.5强度等级的P·Ⅱ或P·O水泥；
粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；
机制砂为Ⅱ区中粗砂，细度模数为2.6~3.2，其石粉含量≤7%，MB值≤0.75g/kg，泥块含量为0，流动度比≥85%，单级最大压碎指标≤20%；
碎石的含泥量≤0.5%，泥块含量≤0.2%，且碎石中5~10mm碎石比例不超过50%；
高性能减水剂为标准型高性能减水剂，减水率为28%~35%；
水为自来水。
根据本发明的一种实施方式，在上述k步骤中，按质量份数进行混合搅拌，得到机制砂盾构管片混凝土，包括：
1）将计算得到的质量份数的机制砂、碎石、硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰混合并搅拌，搅拌30s，搅拌速率为30~50r/min，得到第一混合料；
2）在第一混合料中加入计算得到的质量份数的50%的水，继续搅拌60s，得到第二混合料；
3）将计算得到的质量份数的高性能减水剂与计算得到的质量份数的50%的水混合，然后加入到第二混合料中继续搅拌30~60s，得到机制砂盾构管片混凝土。
根据本发明的上述方案，本发明通过将粗骨料、机制砂按比例搭配掺合，使混凝土中骨料实现紧密堆积，降低骨料的堆积空隙率，有利于机制砂拌合物中浆体更好地填充空隙，提升盾构管片机制砂混凝土的密实性，可有效解决盾构管片机制砂混凝土抗氯离子渗透性能不佳的问题。
本发明采用二次加水法来制备混凝土拌合物，可以首先让低水胶比的浆体包裹在骨料表面，有利于缩减界面过渡区厚度，使其更加致密化，对机制砂混凝土的力学性能和耐久性能都有利。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
1）对硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉密度和5-10mm碎石、10-20mm碎石、机制砂的表观密度进行测定，实测值如下表1所示。
表1
2）将5~10mm碎石和10~20mm碎石按照不同比例掺配进行堆积密度试验，测得的堆积密度如下表2所示，依据表2选择5~10mm碎石与10~20mm碎石的搭配比例为2:8。
表2
3）采用花岗岩机制砂（其表观密度为2620 kg/m³，细度模数为2.6，石粉含量为3.6%）从34%~39%按1%的砂率填充碎石，进行砂石的紧密堆积试验，得到的砂石堆积密度如下表3所示，依据表3选择机制砂的砂率为37%。
表3
4）取富余系数n=1.0，粉煤灰掺量10%，矿渣粉掺量10%，最终得到一种抗离析、高耐久性的机制砂盾构管片混凝土，其原材料及含量如下：水泥328kg/m3，粉煤灰41kg/m3，矿渣粉41kg/m3，机制砂+碎石1875kg/m3（其中机制砂694kg/m3，5~10mm碎石236kg/m3，10~20mm碎石945kg/m3），水142kg/m3，减水剂4.79kg/m3。
其中，水泥为普通硅酸盐水泥（P·O 42.5）；
粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰；
矿渣粉为S95级矿渣粉；
减水剂为标准型高性能减水剂，其减水率为30%。
该机制砂盾构管片混凝土的混合搅拌制备方法包括如下步骤：
1）将按照配合比计量好的机制砂、碎石、硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉混合并进行搅拌，搅拌30s，搅拌速率为40r/min，得到混合料；
2）在步骤1）获得的混合料中加入按照配比计量50%的水，继续搅拌60s；
3）将按照配合比计量好的高性能减水剂与计量50%的水混合，在步骤2）后加入到搅拌机中继续搅拌50s，得到机制砂盾构管片混凝土。
实施例2：
1）对硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉密度和5-10mm碎石、10-20mm碎石、机制砂的表观密度进行测定，实测值如下表4所示。
表4
2）将5~10mm碎石和10~20mm碎石按照不同比例掺配进行堆积密度试验，测得的堆积密度如下表5所示，依据表5选择5~10mm碎石与10~20mm碎石的搭配比例为2:8。
表5
采用砂岩机制砂（其表观密度为2690 kg/m³，细度模数为2.9，石粉含量为4.8%）从34%~39%按1%的砂率填充碎石，进行砂石的紧密堆积试验，得到的砂石堆积密度如下表6所示，依据表6选择机制砂的砂率为35%。
表6
4）取富余系数n=1.0，粉煤灰掺量10%，矿渣粉掺量15%，硅灰掺量2%，最终得到一种抗离析、高耐久性机制砂盾构管片混凝土，其原材料及含量如下：水泥305kg/m3，粉煤灰42kg/m3，矿渣粉63kg/m3，硅灰8kg/m3，机制砂+碎石1875kg/m3（其中机制砂656kg/m3，5~10mm碎石244kg/m3，10~20mm碎石975kg/m3），水142kg/m3，减水剂4.88kg/m3。
其中，水泥为普通硅酸盐水泥（P·O 42.5）；
粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰；
矿渣粉为S95级矿渣粉；
硅灰的SiO2含量为94%，比表面积为2.51×104m2/kg，活性指数为112%；
减水剂为标准型高性能减水剂，其减水率为30%。
该机制砂盾构管片混凝土的混合搅拌制备方法包括如下步骤：
1）将按照配合比计量好的机制砂、碎石、水泥、粉煤灰、矿渣粉混合并进行搅拌，搅拌30s，搅拌速率为50r/min，得到混合料；
2）在步骤1）获得的混合料中加入按照配比计量50%的水，继续搅拌60s；
3）将按照配合比计量好的高性能减水剂与计量50%的水混合，在步骤2）后加入到搅拌机中继续搅拌60s，得到机制砂盾构管片混凝土。
对比例1：
依据JGJ 55-2011的传统方法设计得到的机制砂混凝土的原材料及含量如下：水泥350kg/m3，粉煤灰45kg/m3，矿渣粉45kg/m3，机制砂642kg/m3，5~10mm碎石236kg/m3，10~20mm碎石946kg/m3，水143kg/m3，减水剂5.72kg/m3，其采用一次加水法进行搅拌制备。
对比例2：
依据JGJ 55-2011的传统方法设计得到的机制砂混凝土的原材料及含量如下：水泥350kg/m3，粉煤灰45kg/m3，矿渣粉45kg/m3，机制砂642kg/m3，5~10mm碎石236kg/m3，10~20mm碎石946kg/m3，水143kg/m3，减水剂5.72kg/m3，其采用一次加水法进行搅拌制备。
将实施例1制备得到的机制砂盾构管片混凝土与对比例1制备得到的机制砂混凝土进行性能检测，检测结果如下表7所示。
表7
由表7可知，与依据传统方法制备得到的机制砂盾构管片混凝土相比，依据本发明制备混凝土的抗离析泌水能力、抗水渗透性能以及抗氯离子渗透性能均，优于传统设计方法，能够满足混凝土盾构管片的实际生产需求。
将实施例2制备得到的机制砂盾构管片混凝土与对比例2制备得到的机制砂混凝土进行性能检测，检测结果如下表8所示。
表8
由表8可知，依据本发明制备得到的机制砂盾构管片混凝土性能满足设计要求，且在振动条件下，制备得到的混凝土拌合物不会出现泌水离析现象，机制砂盾构管片混凝土的56d氯离子扩散系数和56d电通量均远低于技术要求，混凝土的抗水渗透性能远高于设计要求，制备得到的机制砂盾构管片混凝土实现了抗离析和高抗耐久性的目的。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (4)
1.一种盾构管片混凝土制备方法，其特征在于，包括：
分别对混凝土所需硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰的密度ρ c、ρ f、ρ sl和ρ sf以及5-10mm碎石、10-20mm碎石、机制砂的表观密度、/>和ρ s进行测定；
通过5~10mm碎石和10~20mm碎石按照不同比例掺配进行堆积密度试验，得到最大堆积密度条件下两种碎石的搭配比例α；
采用机制砂按1%的砂率填充碎石，控制砂率范围为34%~39%，进行砂石的紧密堆积试验，得到最大堆积密度ρ max,堆积条件下的砂率β s；
计算砂石在紧密堆积状态下的空隙率V V ；
计算盾构管片混凝土中浆体体积V p ；
计算盾构管片混凝土的水胶比W/B；
计算胶凝材料密度ρ b ；
计算胶凝材料质量m b ；
计算硅酸盐水泥用量m c 、粉煤灰用量m f 、矿渣粉用量m sl 、硅灰用量m sf 、混凝土用水量m w 、外加剂用量m ca ；
计算机制砂用量m s 、5~10mm碎石用量、10~20mm碎石用量/>；
根据各计算结果得到混凝土所需硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、机制砂、碎石、高性能减水剂和水的质量份数，按质量份数进行混合搅拌，得到机制砂盾构管片混凝土；
所述计算砂石在紧密堆积状态下的空隙率V V 为：
；
计算盾构管片混凝土中浆体体积V p 为：；
其中，n为浆体的富余系数，n取值为1.0~1.1；
所述计算胶凝材料密度ρ b 为：；
其中，为β f 为粉煤灰占比，β sl 为矿渣粉占比，β sf 为硅灰占比；
所述计算胶凝材料质量m b 为：；
式中Vα是指混凝土的含气量，对于盾构管片混凝土而言，其一般为1.0~2.5%；ρb是指胶凝材料的密度，ρw是指水的密度；
所述计算硅酸盐水泥用量m c 、粉煤灰用量m f 、矿渣粉用量m sl 、硅灰用量m sf 、混凝土用水量m w 、外加剂用量m ca 为：；
式中γ是指高性能减水剂的掺量；
所述计算机制砂用量m s 、5~10mm碎石用量、10~20mm碎石用量/>为：
。
2.根据权利要求1所述的盾构管片混凝土制备方法，其特征在于，根据计算结果得到各组分质量份数为：硅酸盐水泥330~400份，粉煤灰0~50份，矿渣粉30~100份，硅灰0~10份，机制砂+碎石1700~1900份，高性能减水剂3.5~6.0份，水125~145份。
3.根据权利要求2所述的盾构管片混凝土制备方法，其特征在于，所述硅酸盐水泥为42.5强度等级的P·Ⅱ或P·O水泥；
所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；
所述机制砂为Ⅱ区中粗砂，细度模数为2.6~3.2，其石粉含量≤7%，MB值≤0.75g/kg，泥块含量为0，流动度比≥85%，单级最大压碎指标≤20%；
所述碎石的含泥量≤0.5%，泥块含量≤0.2%，且碎石中5~10mm碎石比例不超过50%；
所述高性能减水剂为标准型高性能减水剂，减水率为28%~35%；
所述水为自来水。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的盾构管片混凝土制备方法，其特征在于，所述按质量份数进行混合搅拌，得到机制砂盾构管片混凝土，包括：
1）将计算得到的质量份数的机制砂、碎石、硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰混合并搅拌，搅拌30s，搅拌速率为30~50r/min，得到第一混合料；
2）在第一混合料中加入计算得到的质量份数的50%的水，继续搅拌60s，得到第二混合料；
3）将计算得到的质量份数的高性能减水剂与计算得到的质量份数的50%的水混合，然后加入到第二混合料中继续搅拌30~60s，得到机制砂盾构管片混凝土。
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