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1、大手孔隧道混凝土管片裂纹的成因分析及改善措施丁庆军1,曾波1,彭波1,陈政权2,余详明2,蔡茂涛2(1.武汉理工大学材料科学与工程学院,湖北武汉430070;2.武汉市市政工程水泥制品厂,湖北武汉430070)[摘要]结合武汉市长江过江隧道管片生产的实际情况,针对管片在生产过程中手孔位置产生的规律性裂缝,从材料配合比,设备,生产工艺与养护制度等几个方面分析了裂缝产生的原因,并提出了相应的改善措施.[关键词]混凝土;隧道;管片;裂缝;改善措施1前言目前在上海,广州,武汉等国内大城市的地铁隧道和过江,跨海隧道的施工中,盾构法施工因其施工速度快,劳动强度低,施
2、工占地小等优点得到越来越多的应用.管片作为盾构法施工的隧道结构主体,除对其强度,抗渗及尺寸等指标有严格规定外,对混凝土管片表面的缺棱,掉角及表面的气泡和裂纹等也作了严格限制.在表面质量的几项要求中,表面裂纹对隧道结构的影响尤其突出,当管片表面出现裂纹时,混凝土的防水,防腐性能大大降低,影响混凝土结构的耐久性能.因此,在钢筋混凝土管片生产中减少或杜绝可见的裂纹具有十分重要的意义.本文结合武汉市过江隧道工程的管片生产过程中遇到的实际问题,从材料配合比,模具设计,生产工艺与养护制度等方面分析了混凝土管片裂缝的成因,提出了改善措施.2生产情况2.1原材料(1)水
3、泥:亚东42.5R普通硅酸盐水泥(2)砂:巴河中砂,细度模数2.6,堆积密度1535kg/m3(3)碎石:5mm～25mm连续级配,堆积密度1656kg/m3(4)矿粉:武钢绿色冶金渣公司生产的磨细矿粉(BFS),比表面积为440m2/kg,密度2.8g/cm3(5)外加剂:萘系高效减水剂Ⅰ,萘系高效减水剂花王迈地150简称Ⅱ,聚羧酸系高效减水剂GRACEADVA180简称Ⅲ(6)水:自来水2.2生产情况武汉市长江过江隧道盾构工程设计共需管片2533环,每环管片有9块预制管片组成,9块等分管片结构布置详见图1,由1块封顶块K,2块邻接块B1,B2和6块标
4、准块A1~A6组成,每块的圆心角均为40°.每片管片有8处螺栓手孔,如图2所示,环内纵向采用8.8级45型螺栓36个,等圆心角布置;环向螺栓也采用8.8级36型螺栓,每个接缝处在幅宽方向布置两个螺栓手孔,每个螺栓手孔处设置2个螺栓,每个接缝处共4个螺栓,一环内共布置36个环向螺栓.整个圆形衬彻的外径11m,内径10m,每环管片的宽度为2m,厚度为0.5m,混凝土设计强度等级C50,抗渗等级为P12.由于工期与模具周转的原因,管片在混凝土静养一段时间后均采用蒸汽加热养护.根据规定管片的脱模强度不小于20MPa,管片达脱模强度后脱模,立即吊至修补区进行编号,
5、检查,修补,完成后移入养护池内浸水养护7天,然后吊出自然养护至28天龄期并进行尺寸及强度检验.图3为混凝土管片生产工艺流程.管片预制厂自2005年12月份生产一段时间后,管片的强度和尺寸均满足设计要求,但管片螺栓手孔部位出现明显的规则的裂纹,裂纹呈外八字型状态,如图4所示.裂纹最大宽度0.3mm左右,深度1mm左右.图19块等分管片衬砌结构布置混凝土制品CONCRETEPRODHCTS59图2管片示意图图3混凝土管片生产工艺流程a右上方螺栓手孔b左下方螺栓手孔图4手孔出现的裂纹3主要原因分析通过对生产该管片的混凝土原材料,配合比及管片生产中的投料,振捣,
6、抹面,蒸养,拆模等各个可能引起管片开裂的因素进行全面分析或试验后,初步得出导致管片产生表面裂纹的原因有以下几个方面.3.1热膨胀钢模受热迅速膨胀是产生手孔部位混凝土裂纹的主要原因.与国内外同类型混凝土管片相比,本工程采用的混凝土管片的尺寸较大,相应的手孔尺寸也较大,国内大部分混凝土管片的深度在15cm左右,而本工程采用的管片的手孔尺寸达到了23cm,具体尺寸如图5所示.手孔模具所采用的A3钢板厚度较薄(仅有8mm),且与管片钢模形成一个整体.按照原蒸养制度,升温速率15℃/h,蒸养恒温温度45℃,手孔部位钢模在蒸汽养护过程中直接受到模具下方管道出来蒸汽的
7、加热,由于钢模传热性能好,能够按照控制的升温速率达到预定的恒温温度,并迅速产生一定量的膨胀,由于混凝土与钢模的热膨胀系数不同(钢的热膨胀系数为15×10-6/℃左右,混凝土的热膨胀系数为10×10-6/℃左右),两者产生的膨胀也不一致,生产时的环境温度大约为5℃,混凝土入模温度与静养温度都比较低,与蒸养恒温温度有较大的温差,较大的温差也导致它们的热膨胀量有较大的差别,膨胀量大的钢模对膨胀量小的混凝土产生拉应力;而且混凝土的传热性能较差,在钢模达到预定温度时,混凝土只有表面层达到了该温度,具有了一定的强度,而混凝土的内层的强度仍然很低,不足以承受这种拉应力
8、,所以当产生了这种变形拉应力之后,在手孔部位的断面突变区形成应力集中,最终使手孔
