预制混凝土管片表面气泡影响因素研究

时间：2024-07-28

李方利，施小民，张培育

(1.中铁十三局集团有限公司，天津 300308;2.内蒙古科技大学，内蒙古包头 014010)

预制混凝土衬砌管片是盾构法中的主要结构构件，管片的整体性能对工程质量影响极大，因此，必须严格控制管片生产质量[1]。防水性能是管片的一个主要功能，好的防水性能建立在良好抗渗性能的基础上。但是管片在生产中表面易出现较多气泡，不仅影响工程的美观，而且易形成渗漏通道，影响管片的强度与耐久性能。如何消除混凝土表面气泡是技术人员常遇到的问题。引起混凝土结构表面气泡的原因较多。本文针对神华新街TBM斜井工程预制混凝土衬砌管片表面存在不同程度气泡的问题，通过试验研究分析气泡的成因，提出解决预制混凝土管片表面气泡的有效措施。

1 工程概况

本工程为新街台格庙矿区一号矿井的主井，采用预制钢筋混凝土管片衬砌，管片结构外径7.3 m，内径6.6 m，管片厚度0.35～0.87 m，宽度1.5 m，个别管片的混凝土为大体积混凝土。管片表面要求密实、光洁、平整，边棱角完整无缺损，麻面面积不得大于管片面积的5%。混凝土设计强度等级C40，抗渗等级P12。

2 试验原材料与方法

2.1 原材料

水泥备选了冀东、蒙西、天浩3个厂家P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其主要物理力学性能如表1所示。粉煤灰采用达拉特电厂(华宇)粉煤灰。细骨料为细度模数2.42的中砂，含泥量为3%。粗骨料为5.0～31.5 mm连续级配碎石。水为普通自来水。减水剂为包头钢鹿建材公司聚羧酸减水剂，减水率35%。脱模剂为四川某公司生产的脱模剂T-1，青岛某公司生产的脱模剂T-2，上海某公司生产的脱模剂T-3，液压油T-4。

表1 水泥主要物理力学性能

2.2 试验方法

混凝土基准配合比见表2。选用表面光滑，尺寸150 mm×150 mm×150 mm的钢试模，模拟混凝土管片预制过程。在其他条件不变的情况下，分别逐一改变单一影响因素，研究不同因素对混凝土表面气泡的影响。混凝土搅拌、成型等按照《普通混凝土拌合物力学性能试验方法标准》(GB 50080—2002)执行，对成型后试块标准养护，测其3 d和28 d强度。

表2 基准混凝土配合比

3 试验结果与分析

3.1 水泥品种对混凝土表面气泡的影响

3种水泥配制的混凝土物理力学性能见表3。3种水泥对混凝土表面气泡的影响见图1。

表3 不同品种水泥混凝土抗压强度

图1 3种水泥对混凝土表面气泡的影响

由表3看出，3种水泥配制的混凝土3 d强度接近、28 d的强度接近，均能满足工程要求。从图1可以看出，3种水泥对混凝土表面气泡的影响不大，但蒙西水泥效果相对最好，所以该工程优选蒙西水泥，试验也采用蒙西水泥。

3.2 砂率对混凝土表面气泡的影响

根据工程特点、要求以及混凝土配合比设计原则，砂率分别按30%，33%，35%，37%共设计了A，B，C，D 4组混凝土，分析不同砂率对混凝土表面气泡的影响。不同砂率混凝土的配合比及抗压强度见表4，砂率对混凝土表面的影响见图2。

表4 不同砂率的混凝土强度

图2 不同砂率对混凝土表面气泡的影响

由表4可以看出，砂率对混凝土强度的影响不大。但从图2可以看出，不同砂率对混凝土试块外观质量的影响不同。在表面气泡的数量和孔径大小上看，砂率为33%时混凝土表观质量最优。可见，砂率是影响混凝土表面气泡的一个重要因素。在水泥用量和水灰比一定的条件下，一方面，由于砂子与水泥浆组成的砂浆在粗骨料间起到润滑和滚珠轴承作用，可以减小粗骨料间的摩擦力，有利于气泡的逸出。在合理砂率范围内，随砂率的减少，混凝土黏聚性、流动性增大，对混凝土表面气泡起到改善作用。另一方面，由于砂子的比表面积比粗骨料大，随着砂率的增加，粗细骨料的总表面积增大，在水泥浆用量一定的条件下，骨料表面包裹的浆量减薄，润滑作用下降，使混凝土流动性降低，阻碍气泡的逸出。所以砂率既不能大，也不能小，从本次试验来看，砂率取33%效果较好。

3.3 不同水胶比对混凝土表面气泡的影响

选用蒙西水泥，涂脱模剂T-1，按表5配合比进行试验。调整混凝土水胶比，研究水胶比对混凝土表面气泡的影响，结果见图3。不同水胶比混凝土的抗压强度见表5。

图3 不同水胶比对混凝土表面气泡的影响

表5 不同水胶比混凝土的抗压强度

从图3可以看出，随水胶比增大，混凝土表观质量变差;随水胶比的减小，试块表面气泡减少，对混凝土外观质量改善作用较明显。由表5可知，随水胶比的减小，强度增大。但过小的水胶比可能会影响混凝土的工作性能，增大混凝土的收缩，经济方面也不合适。由此可见，水胶比是影响混凝土表面气泡的一个重要因素。水胶比对混凝土平均气泡直径及比表面积、气泡的孔径分布等特征会产生显著的影响[2-5]。其主要原因是随着用水量的降低，胶材用量相对增加，胶凝材料水化所消耗的用水量增加，使混凝土中自由水降低，从而有利于减少表面气泡的生成。

3.4 脱模剂对混凝土表面气泡的影响

选用蒙西水泥，按表2基准混凝土配合比进行试验，分别涂刷脱模剂T-1，T-2，T-3和液压油T-4，分析脱模剂对混凝土表面气泡的影响，结果见图4。

图4 3种脱模剂和液压油对混凝土表面气泡的影响

由图4可以看出，脱模剂性能对混凝土表面气泡影响较大。使用T-1，T-2，T-3时，对混凝土表观质量的改善效果明显。其中使用T-1时，混凝土表面气泡直径最小，气泡最少，外观质量最好。使用液压油T-4时，试块表面气泡孔径较大，且分布较密集，外观质量很差。总体来看，使用脱模剂T-1能有效解决混凝土表面气泡的问题。

涂刷T-1脱模剂能有效解决表面气泡问题的主要原因:①脱模剂是一种水性聚合物，能够均匀地涂刷在模板表面，降低混凝土与模板之间的界面结合力，使气泡容易逸出破灭，减少混凝土表面气泡数量;②T-1脱模剂中含有一定的消泡成分，有利于气泡的破灭或向内部移动，减小混凝土表面气泡直径，并降低气泡数量;③T-1脱模剂中含有一定的缓凝组分，可延长混凝土表面浆体的凝结时间，浆体的自身重力作用使生成的气泡破灭或向内部移动，减少混凝土表面气泡的数量。④脱模剂附着于成型物和模具之间直接起到隔离作用(图5)，脱模时能在B面剥离，使得脱模效果最优[6-7]，有利于改善混凝土表观质量。

图5 脱模示意

采用表2基准配合比，将T-1脱模剂用于现场预制混凝土管片构件，经养护，拆模后观察制品表面状况，表面光滑，有少许微小气泡，表观质量良好，详见图6。

图6 预制混凝土管片成品