【摘要】根据地下轨道交通对钢筋钢纤维复合混凝土管片的需求, 介绍了钢纤维混凝土配制的基本要求、钢纤维混凝土管片生产的工艺流程, 与普通混凝土管片相比: 具有优良的力学性能及应用前景。
【关键词】地铁管片钢纤维聚丙烯纤维复合混凝土
【中图分类号】TU755.6 / 文献标识码B 【文章编号】1004- 1001( 2007) 03- 0188- 04
在上海轨道交通6 号线浦电路～蓝村路站上行线区间SK18+840—SK18+909 内浅埋有科研用直线环钢筋钢纤维复合混凝土管片, 总数为48 环, 混凝土强度等级为C55P10。本文介绍用于地铁管片钢纤维混凝土的制作工艺及与普通混凝土管片的比较。
1 钢纤维混凝土的配制与生产
1.1 钢纤维混凝土的增强机理与配制原则
钢纤维混凝土可认为是把钢纤维和混凝土作为素材在各自规定的空间进行均匀配制和制造的双向复合材料, 与素混凝土相比具有一系列优良的物理力学性能: 它具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗压强度, 如单轴抗拉可提高40%~ 50%,抗弯强度提高50%以上; 具有卓越的抗冲击性能; 抗裂、抗疲劳性能显著提高; 变形性能改善, 钢纤维可使混凝土的收缩率降低10%~ 30%。目前, 对于混凝土中均匀而任意分布的短纤维对混凝土的增强机理, 存在两种不同的理论解释[2]。其一为“纤维间距机理”。认为混凝土内部原来就存在着缺陷,当外力作用于材料上时, 缺陷部位的集中应力较大, 于是裂纹就从这些部位发展。在材料中掺入钢纤维后, 裂纹端部钢纤维的粘结应力发挥出阻止裂缝的作用, 其结果, 在裂纹尖端的部位就减少了裂纹的扩大力量, 抗裂强度得到增强。为了扩大这种效果, 减少纤维的间距是有效的。于是得出纤维混凝土的抗裂强度是由纤维间距决定的。其二为“复合材料机理”, 将纤维增强混凝土看作是纤维强化体系, 应用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度, 于是得出纤维混凝土强度与纤维的掺入量、方向、长径比及粘结力之间的关系。
因此钢纤维均匀分散在混凝土中是必不可少的条件, 也是配合比设计时必须首先考虑和满足的。
配合比设计原则: 轴心抗压f fc=26.0 MPa, 抗拉f ft=2.62 MPa, 强度等级C55, 具有较好的工作性能, 较好的粘聚性, 不泌水、不离析, 钢纤维在拌制过程中不折断、不结团。
1.2 原材料的技术要求及选用
1.2.1 水泥、粗细骨料、外加剂、粉煤灰的选用
(1) 水泥: 选用产量大、质量较稳定的上海海螺52.5PII水泥, R3=30.8 MPa, R28=62.6 MPa 且与外加剂的适应性能良好。
(2) 细骨料: 选用天然河砂, μf = 2.6, 含泥量O.4%, 泥块含量0.2%, 级配良好。
(3) 粗骨料: 选用湖州新纪元5~ 25 mm连续级配碎石,针片状含量5%, 含泥量0.4%, 泥块含量0.1%。
(4) 粉煤灰: 混凝土中掺入钢纤维后, 和易性会变差, 而且流动性降低, 不利于施工, 需利用矿物掺合料的叠加效应,优化搅拌施工工艺。粉煤灰还可以减少混凝土的干缩与徐变, 降低水化热、提高混凝土后期强度。选用扬州洋榕生产的II 型低钙灰、45μm方孔筛筛余17.2%, 需水量比103%。
(5) 外加剂: 选用欣良润榕公司生产的XL—126 减水剂, 掺量1.2%, 减水率19.1%。
(6) 拌合水: 采用可饮用自来水。
1.2.2 钢纤维的技术要求
(1) 钢纤维按其制造方式可分为切断钢纤维、切削钢纤维, 剪切钢纤维和熔抽钢纤维。本工程选用上海哈瑞克斯金属制品有限公司生产的切断钢纤维, 长度lf=50 mm, 直径df=0.9 mm, 抗拉强度f sft>1 000 MPa, 形状纵向平直, 两端带钩, 表面光滑。
(2) 聚丙烯纤维: 选用格雷斯公司生产的l=19 mm、d=18μm的聚丙烯纤维, 它具有良好的阻裂性能。
1.3 配合比确定
通过计算, 试配、调整及考虑材料质量情况, 确定配合比的技术参数: 等效水灰比0.353, 粉煤灰掺量25%, 粉煤灰的胶凝率0.6, 砂率30%, 外加剂掺量1.2%, 钢纤维掺量30 Kg/m3, 聚丙烯纤维掺量1.0 kg/m3, 钢纤维混凝土坍落度较普通混凝土坍落度大, 宜控制在60 mm。
1.4 钢纤维混凝土的生产工艺
1.4.1 称量
(1) 称量和配水机械装置应维持在良好状态, 并每月定期校核一次。
(2) 所有混凝土材料按质量称量。细、粗集料称量的允许偏差为±3%; 水、水泥( 含掺合料) 、外加剂、钢纤维、聚丙烯纤维的允许偏差为±2%。
1.4.2 拌和
(1) 钢纤维混凝土在拌制过程中容易结团, 从而影响混凝土性能, 故在搅拌过程中必须采用强制式搅拌机, 采用干拌与湿拌相结合的两次搅拌工艺, 同时延长搅拌时间, 使钢纤维在混凝土中分散均匀。
聚丙烯纤维先于骨料散入料仓四壁, 在骨料下料时均匀带入搅拌机中, 钢纤维采用机械分散加入, 其做法是在料仓上搭设平台, 台上放置钢纤维分散机, 当骨料从皮带口下料进入料仓时, 分层加入钢纤维, 必要时可以人工配合。钢纤维表面不得粘混有油污和其他妨碍钢纤维与水泥浆粘结的杂质。搅拌时间控制为120s, 控制出机坍落度60 mm。
(2) 在下盘材料装入前, 全部出空拌筒内的拌和料。搅拌设备停用超过30 min 时, 须将搅拌筒彻底清洗, 方可继续拌和新混凝土。
1.4.3 运输
混凝土运输工具主要采用卡车集料斗。混凝土湿料的等候时间不得超过30 min。
2 钢纤维复合混凝土管片的生产工艺
钢纤维复合混凝土管片与普通混凝土管片相比, 生产工艺有所变化, 但工艺流程基本相同。其工艺流程为: 钢筋断料和成型→在钢筋靠模架上完成钢筋骨架制作→钢模按规定操作完成清理和装配→对钢模进行精度检验→钢筋骨架安装入模并垫保护层支架→预埋件焊接→隐蔽工程验收→按当日的混凝土配合比调整单由电脑计量的搅拌机搅拌混凝土→由放料斗向钢模内分层均匀布料并采用插入式振捣器振捣成型→成型后管片外弧面混凝土根据气温进行收水抹面→当混凝土表面已达到终凝后盖塑料薄膜静养、蒸养→在满足起吊强度后用真空吸盘起吊→管片脱模后放置车间进行整修→待管片表面温度和水温差小于20℃时入水养护池养护→水养7 d 后吊入堆场进行堆放→出厂检验并盖合格章→出厂。
2.1 钢筋骨架制作与入模
首先熟悉配筋图, 成型前先根据配筋图配料情况, 配齐各种规格, 并结合钢筋形状确定合理的成型顺序。钢筋规格、数量、位置按设计图分布, 如有特殊原因未按图纸或加工图所示位置连接钢筋, 在安设钢筋以前, 提交表明每个接点位置的专用图纸, 请设计签证或监理工程师批准。钢筋骨架在专门的成型靠模上就位后进行焊接, 以保证钢筋骨架精度、组模质量, 并采用CO2 气体保护焊焊接成型, 焊接中不得出现咬肉、气孔、脱焊现象, 焊缝长度、高度必须符合设计要求。
成型后的钢筋骨架, 必须保证有足够的刚度和稳定性, 以便在运送、吊装和浇筑混凝土时不致松散、移位、变形。钢筋骨架质量有专人负责检查, 并按规格挂牌标识, 整齐堆放, 堆高不宜多于4 层。
钢筋骨架制作与普通混凝土管片骨架制作相比, 大大简化, 钢筋的用量大幅下降, 焊接点数大幅降低( 见图1) 。钢纤维复合混凝土管片含钢量为415.6 kg/ 环, 普通混凝土管片含钢量为790.56 kg/ 环, 含钢量下降了374.96 kg, 下降幅度达47%, 从而使CO2 保护焊的焊点由5 000 点下降至1 935 点, 下降幅度达61%。
钢筋骨架入模位置应保持正确, 放于钢模中间, 底面采用高强度塑料支架作混凝土保护层, 高度符合设计规定的混凝土保护层厚度。钢筋骨架不得与螺栓手孔模芯相碰。预埋件应与钢模、模芯保持可靠的密贴, 压浆孔应平整密贴于模板上。
所有预埋件按照设计要求准确就位, 并固定( 焊接) 牢靠, 防止振捣时移位。全面检查钢筋骨架及预埋件的安装质量, 并详细记录于自检表中, 交由专职质检员进行隐蔽工程验收, 检查钢筋品种、规格、尺寸、长度、保护层, 钢筋和预埋件的位置和数量、防迷流测试等项目, 验收合格后才允许浇捣混凝土。
2.2 管片的浇捣与成型
钢纤维混凝土浇捣, 是控制施工质量的重要环节。浇筑中断会造成钢纤维沿接缝的表面排列, 起不了增强作用。管片成型采用先两端后中央, 分层摊铺的振捣工艺。管片两端振捣成型后盖上压板, 压板必须压牢后方可继续进行加料振捣, 振捣时振捣棒须插入下部, 但应避免碰钢模、芯棒、钢筋和预埋件, 振捣棒须快插慢拔, 振捣半径控制在30 cm以内,振捣时间较普通混凝土适当延长, 以混凝土表面呈现浮浆,混凝土不再下沉为准。成型后管片外弧面的混凝土收水时间以管片外弧面混凝土表面已达到初凝来控制。外弧面收水抹平操作时, 依下列顺序进行: 先用铁尺刮去多余混凝土, 并使外弧面沿钢模弧度平顺, 达到平整效果。抹面次数较普通混凝土应增加1~ 2 次, 以达到管片表面密实。混凝土初凝前应转动一下芯棒, 当混凝土达到初凝后再次转动芯棒, 视混凝土结硬程度, 抽出芯棒, 芯孔不得出现坍孔变形。芯棒抽出时间应根据天气、温度、混凝土结硬程度来确定。管片收水抹面后, 立即覆盖塑料薄膜, 避免混凝土管片出现失水龟裂。
2.3 管片的蒸养、脱模和水养护
(1) 浇捣及抹面结束后, 应覆盖防水薄膜静养约2 h,方可开始蒸养。采用坑式蒸汽养护。管片养护必须严格分静停、升温、恒温、降温等四个阶段进行。升温速度每小时不超过15℃, 达到恒温温度50℃～55℃时, 保持恒温时间2～3 h, 自然降温速度每小时不宜超过15℃, 可分次慢慢拉开坑盖门, 达到与外界温差少于20℃为止。
(2) 管片经蒸养后以同条件养护的试件的抗压强度达到设计强度的45%, 养护坑内温度降到与外界20℃的温差以内, 方可开坑、脱模。
(3) 脱模操作要点: 按钢模技术操作规程顺序拆除侧板和端板螺拴, 在脱模时严禁硬撬硬敲, 以免损坏管片和钢模,脱模的速度宜快, 以免管片和钢模因收缩变型不同步而在管片周围出现细裂缝。管片的脱模起吊应按不同的管片型号,使用真空吸盘平衡起吊, 并有专人操作。
(4) 管片起吊后需用翻身架翻身直立, 翻身架与管片接触部位须有柔性材料予以保护。
(5) 管片脱模后在厂房内临时堆放, 且堆放排列整齐,并搁置在柔性材料上, 垫条厚度一致, 搁置部位合理稳妥。脱模后遇有管片气泡或损坏等, 应待管片冷却后及时按规定要求修补。
(6) 管片冷却后方可放入水池中进行7 d 水养护, 入池时管片与水的温度差不宜大于20℃, 在水养护时管片必须全部浸没水中。
2.4 管片的堆放
管片堆场的地坪、垫梁需坚实平整, 管片在堆场上侧立按同型号堆放, 堆放高度以3 层为宜。管片在出厂前及运输过程中的堆放, 采用元宝形堆放, 最底部管片的垫条高度要求不小于200 mm, 且不同层间的垫条应竖直成一条直线。管片在任何时候都搁置在柔性材料上, 在堆放时管片与管片之间保持一定的距离( 垂向10 cm、平面50 cm) , 在吊运、堆放、装卸时需有专人指挥, 两人扶持管片, 避免损坏管片的表面、边缘和角部。
3 钢纤维复合混凝土管片的生产质量控制
3.1 混凝土质量控制
(1) 严格控制原材料质量, 确保使用优质原材料。
(2) 加强计量抽检力度, 特别是钢纤维与聚丙烯纤维的计量抽检, 严格按施工配合比施工。
(3) 出机坍落度检验, 确保钢纤维混凝土工作性能。
(4) 钢纤维均匀性控制与检验: 除按普通混凝土质量、计量控制外, 还在生产过程中, 采用水洗法检查钢纤维在拌合物中的均匀性, 即每班一次取拌合物10 Kg, 用水冲洗干净, 取出钢纤维烘干称量, 计算出每方混凝土中钢纤维掺量,在整个生产过程中, 该值的波动范围控制在±10%以内。
(5) 混凝土抗压: 采用试件尺寸150 mm×150 mm×150 mm, 共制作试件19 组, mfcu= 63.4 MPa, sfcu=1.475。
(6) 混凝土抗折: 采用试件尺寸150 mm×150 mm×550 mm, f f , R7 =5.8 MPa, f f , R28=8.8 MPa。
(7) 混凝土抗渗检测: 采用试件尺寸175mm×185 mm×150 mm, 检测试件1 组, 结果符合P10 的抗渗要求。
3.2 钢模的质量控制
3.2.1 钢模验收
钢模验收分为三步, 首先是钢模制造单位的出厂检验,其次是钢模使用单位的初验收, 最后是三环试生产并进行拼装验收。经业主、施工单位、设计单位、监理单位同意后再投入正式生产。
3.2.2 生产过程的钢模尺寸检验
在钢模合拢后, 用内径千分尺全数检查钢模的内净宽度尺寸, 控制点在3 点以上, 其它检测项目则随机抽检10% ,并如实记录在自检表中, 若超过检验标准( 见表1) , 则重新整模, 直至符合钢模合拢精度要求。
3.2.3 生产过程的钢模目测检查
检查钢模的整体功能、构造、所有部件、外观以及机械装置( 包括操作中的问题) 等, 检查确认钢模结构坚固, 装配紧密, 有无作业引起的误差, 以及与混凝土接触面无损伤及凹凸, 所有附件或配件有无缺陷。并如实记录在自检表中, 若超过误差, 则重新整模, 直至符合要求。
3.2.4 钢模的检验维修
按照500 环/ 套的周期强制大修。
3.3 钢纤维复合混凝土管片质量控制
(1) 抗渗检漏: 管片每生产一班抽查2 片进行抗渗检漏, 抗渗检漏试验水压0.8 MPa, 恒压3 h, 渗透深度以不超过保护层5 cm为合格, 如发现检测不合格的管片, 则扩大检查范围或对当天生产的每块管片进行检测试验, 对检验为不合格的管片不得用于工程中。本工程共抽查38 块管片做抗渗检漏试验, 结果全部合格。
(2) 外形尺寸: 检测频率为每班生产量的10%, 但不得少于1 环。单块管片检验允许偏差为宽度±0.5 mm, 弧弦长±1.0 mm, 厚度+3~ - 1 mm, 螺孔直径及位置±1 mm。本工程所抽查的19 环管片符合设计要求。
(3) 管片三环水平拼装检验: 每套钢模每生产100 环进行一次三环水平拼装检验。其允许偏差为管片外半径+2~0 mm, 内半径±1 mm, 相邻环环面间隙不得大于1.0 mm, 纵缝相邻块块间间隙不得大于2 mm( 纵缝内需垫以压缩至2 mm厚的传力衬垫) , 对应的环向螺栓孔不同轴度小于1 mm。本工程三环拼装1 次, 符合设计要求。
(4) 防迷流检测: 每20 环管片选择1 环做防迷流检测,单块管片的迷流指标为不大于5 mΩ 的电阻值。所抽检管片的迷流指标基本上在2.5 mΩ~ 3.5 mΩ 之间。
(5) 出厂检验: 管片出厂必须无缺角掉边, 无麻面露筋,出现上述情况及时进行修补。管片的预埋件要完好, 位置正确, 埋件表面清洁。管片型号和生产日期的标志醒目、无误。管片混凝土的28 天强度、抗渗, 管片检漏等技术指标符合要求。
4 钢纤维复合混凝土管片的安全监测
在该段管片区间内, 有大量的管片都将在使用过程中进行科研, 积累相关数据, 以监控钢纤维复合混凝土管片脱离盾构推进机之后的安全性及与普通混凝土管片的比较。
4.1 钢筋应力监测
采用钢筋应力计( 钢筋计直径为16 mm, 总长度为510 mm,其中两个连接杆为弧形各长160 mm) 监测管片的内部钢筋应力, 钢筋计测点布置在内外弧主筋上, 测点沿环向布置, 圆环中轴线一侧为30°一点, 另一侧为复核参考以45°一点, 分别布置在管片邻近环面的两排主筋上, 一共10个截面, 每个截面4 个点, 则计40 点/ 环( 见图2) , 共监测三环, 其中两环为钢纤维复合混凝土管片, 另一环为普通混凝土管片, 钢筋计点数总计为120 个。
4.2 管片变形监测
(1) 采用光纤维传感器监测系统以微应变为控制量监测钢纤维复合混凝土管片的受力变形及变形状况, 共监测5环, 其中2 环钢纤维复合混凝土管片内埋光纤传感器, 2 环钢纤维复合混凝土管片表贴光纤传感器, 1 环普通混凝土管片表贴光纤传感器。
(2) 采用应变膜监测钢纤维复合混凝土管片受力变形,共监测10 环。
5 结语
(1) 根据对钢纤维复合混凝土管片的生产情况来看, 该型管片与普通钢筋混凝土管片比较, 生产工艺有所改变, 主要是在钢筋骨架制作、混凝土生产、管片浇捣成型及收水抹面等方面, 其他方面如钢模检测、蒸养控制、出厂检验等基本相同, 管片质量检验参数也基本相同。
(2) 钢纤维混凝土与普通混凝土相比, 其优良的抗拉、抗弯性能已经得到认同, 在工程上应用逐渐增多。钢纤维混凝土管片的质量控制在很大程度上取决于混凝土配合比和施工工艺, 在混凝土搅拌、运输、浇筑及振捣的全过程中应使钢纤维尽可能均匀分布, 在混凝土基体中, 尽可能避免钢纤维在混凝土中集中于局部而形成纤维球团, 保证钢纤维与混凝土基体之间有较大的增强作用。
(3) 管片生产中应用钢纤维, 可使管片的含钢量大幅下降, CO2 保护焊焊点大幅减少。但混凝土中掺入钢纤维后, 由于市场上钢纤维价格较高, 钢纤维混凝土的显性成本可能在一定的范围内高于普通混凝土。如果假定混凝土的拌和、运输、浇筑成本不因钢纤维加入而改变, 同时在使用钢纤维后,混凝土管片在其他方面( 如: 钢筋用量、劳动人工成本) 有明显减少, 因此与钢筋混凝土管片相比, 两者在成本上的实际差额不大。从长远来看, 使用钢纤维复合混凝土管片可延长使用年限和维护周期。按全周期投资成本分析, 完全可以预计使用钢纤维复合混凝土管片更为有利。
