鋼筋鋼纖維復合混凝土管片的生產(chǎn)與應(yīng)用

【摘要】根據(jù)地下軌道交通對鋼筋鋼纖維復合混凝土管片的需求, 介紹了鋼纖維混凝土配制的基本要求、鋼纖維混凝土管片生產(chǎn)的工藝流程, 與普通混凝土管片相比: 具有優(yōu)良的力學性能及應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】地鐵管片鋼纖維聚丙烯纖維復合混凝土

【中圖分類號】TU755.6 / 文獻標識碼B 【文章編號】1004- 1001( 2007) 03- 0188- 04

　　在上海軌道交通6 號線浦電路～藍村路站上行線區(qū)間SK18+840—SK18+909 內(nèi)淺埋有科研用直線環(huán)鋼筋鋼纖維復合混凝土管片, 總數(shù)為48 環(huán), 混凝土強度等級為C55P10。本文介紹用于地鐵管片鋼纖維混凝土的制作工藝及與普通混凝土管片的比較。

1 鋼纖維混凝土的配制與生產(chǎn)

1.1 鋼纖維混凝土的增強機理與配制原則

　　鋼纖維混凝土可認為是把鋼纖維和混凝土作為素材在各自規(guī)定的空間進行均勻配制和制造的雙向復合材料, 與素混凝土相比具有一系列優(yōu)良的物理力學性能: 它具有較高的抗拉、抗彎、抗剪和抗壓強度, 如單軸抗拉可提高40%~ 50%,抗彎強度提高50%以上; 具有卓越的抗沖擊性能; 抗裂、抗疲勞性能顯著提高; 變形性能改善, 鋼纖維可使混凝土的收縮率降低10%~ 30%。目前, 對于混凝土中均勻而任意分布的短纖維對混凝土的增強機理, 存在兩種不同的理論解釋[2]。其一為“纖維間距機理”。認為混凝土內(nèi)部原來就存在著缺陷,當外力作用于材料上時, 缺陷部位的集中應(yīng)力較大, 于是裂紋就從這些部位發(fā)展。在材料中摻入鋼纖維后, 裂紋端部鋼纖維的粘結(jié)應(yīng)力發(fā)揮出阻止裂縫的作用, 其結(jié)果, 在裂紋尖端的部位就減少了裂紋的擴大力量, 抗裂強度得到增強。為了擴大這種效果, 減少纖維的間距是有效的。于是得出纖維混凝土的抗裂強度是由纖維間距決定的。其二為“復合材料機理”, 將纖維增強混凝土看作是纖維強化體系, 應(yīng)用混合原理來推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強度, 于是得出纖維混凝土強度與纖維的摻入量、方向、長徑比及粘結(jié)力之間的關(guān)系。

　　因此鋼纖維均勻分散在混凝土中是必不可少的條件, 也是配合比設(shè)計時必須首先考慮和滿足的。

　　配合比設(shè)計原則: 軸心抗壓f fc=26.0 MPa, 抗拉f ft=2.62 MPa, 強度等級C55, 具有較好的工作性能, 較好的粘聚性, 不泌水、不離析, 鋼纖維在拌制過程中不折斷、不結(jié)團。

1.2 原材料的技術(shù)要求及選用

1.2.1 水泥、粗細骨料、外加劑、粉煤灰的選用

　　(1) 水泥: 選用產(chǎn)量大、質(zhì)量較穩(wěn)定的上海海螺52.5PII水泥, R3=30.8 MPa, R28=62.6 MPa 且與外加劑的適應(yīng)性能良好。

　　(2) 細骨料: 選用天然河砂, μf = 2.6, 含泥量O.4%, 泥塊含量0.2%, 級配良好。

　　(3) 粗骨料: 選用湖州新紀元5~ 25 mm連續(xù)級配碎石,針片狀含量5%, 含泥量0.4%, 泥塊含量0.1%。

　　(4) 粉煤灰: 混凝土中摻入鋼纖維后, 和易性會變差, 而且流動性降低, 不利于施工, 需利用礦物摻合料的疊加效應(yīng),優(yōu)化攪拌施工工藝。粉煤灰還可以減少混凝土的干縮與徐變, 降低水化熱、提高混凝土后期強度。選用揚州洋榕生產(chǎn)的II 型低鈣灰、45μm方孔篩篩余17.2%, 需水量比103%。

　　(5) 外加劑: 選用欣良潤榕公司生產(chǎn)的XL—126 減水劑, 摻量1.2%, 減水率19.1%。

　　(6) 拌合水: 采用可飲用自來水。

1.2.2 鋼纖維的技術(shù)要求

　　(1) 鋼纖維按其制造方式可分為切斷鋼纖維、切削鋼纖維, 剪切鋼纖維和熔抽鋼纖維。本工程選用上海哈瑞克斯金屬制品有限公司生產(chǎn)的切斷鋼纖維, 長度lf=50 mm, 直徑df=0.9 mm, 抗拉強度f sft>1 000 MPa, 形狀縱向平直, 兩端帶鉤, 表面光滑。

　　(2) 聚丙烯纖維: 選用格雷斯公司生產(chǎn)的l=19 mm、d=18μm的聚丙烯纖維, 它具有良好的阻裂性能。

1.3 配合比確定

　　通過計算, 試配、調(diào)整及考慮材料質(zhì)量情況, 確定配合比的技術(shù)參數(shù): 等效水灰比0.353, 粉煤灰摻量25%, 粉煤灰的膠凝率0.6, 砂率30%, 外加劑摻量1.2%, 鋼纖維摻量30 Kg/m3, 聚丙烯纖維摻量1.0 kg/m3, 鋼纖維混凝土坍落度較普通混凝土坍落度大, 宜控制在60 mm。

1.4 鋼纖維混凝土的生產(chǎn)工藝

1.4.1 稱量

　　(1) 稱量和配水機械裝置應(yīng)維持在良好狀態(tài), 并每月定期校核一次。

　　(2) 所有混凝土材料按質(zhì)量稱量。細、粗集料稱量的允許偏差為±3%; 水、水泥( 含摻合料) 、外加劑、鋼纖維、聚丙烯纖維的允許偏差為±2%。

1.4.2 拌和

　　(1) 鋼纖維混凝土在拌制過程中容易結(jié)團, 從而影響混凝土性能, 故在攪拌過程中必須采用強制式攪拌機, 采用干拌與濕拌相結(jié)合的兩次攪拌工藝, 同時延長攪拌時間, 使鋼纖維在混凝土中分散均勻。

　　聚丙烯纖維先于骨料散入料倉四壁, 在骨料下料時均勻帶入攪拌機中, 鋼纖維采用機械分散加入, 其做法是在料倉上搭設(shè)平臺, 臺上放置鋼纖維分散機, 當骨料從皮帶口下料進入料倉時, 分層加入鋼纖維, 必要時可以人工配合。鋼纖維表面不得粘混有油污和其他妨礙鋼纖維與水泥漿粘結(jié)的雜質(zhì)。攪拌時間控制為120s, 控制出機坍落度60 mm。

　　(2) 在下盤材料裝入前, 全部出空拌筒內(nèi)的拌和料。攪拌設(shè)備停用超過30 min 時, 須將攪拌筒徹底清洗, 方可繼續(xù)拌和新混凝土。

1.4.3 運輸

　　混凝土運輸工具主要采用卡車集料斗?；炷翝窳系牡群驎r間不得超過30 min。

2 鋼纖維復合混凝土管片的生產(chǎn)工藝

　　鋼纖維復合混凝土管片與普通混凝土管片相比, 生產(chǎn)工藝有所變化, 但工藝流程基本相同。其工藝流程為: 鋼筋斷料和成型→在鋼筋靠模架上完成鋼筋骨架制作→鋼模按規(guī)定操作完成清理和裝配→對鋼模進行精度檢驗→鋼筋骨架安裝入模并墊保護層支架→預埋件焊接→隱蔽工程驗收→按當日的混凝土配合比調(diào)整單由電腦計量的攪拌機攪拌混凝土→由放料斗向鋼模內(nèi)分層均勻布料并采用插入式振搗器振搗成型→成型后管片外弧面混凝土根據(jù)氣溫進行收水抹面→當混凝土表面已達到終凝后蓋塑料薄膜靜養(yǎng)、蒸養(yǎng)→在滿足起吊強度后用真空吸盤起吊→管片脫模后放置車間進行整修→待管片表面溫度和水溫差小于20℃時入水養(yǎng)護池養(yǎng)護→水養(yǎng)7 d 后吊入堆場進行堆放→出廠檢驗并蓋合格章→出廠。

2.1 鋼筋骨架制作與入模

　　首先熟悉配筋圖, 成型前先根據(jù)配筋圖配料情況, 配齊各種規(guī)格, 并結(jié)合鋼筋形狀確定合理的成型順序。鋼筋規(guī)格、數(shù)量、位置按設(shè)計圖分布, 如有特殊原因未按圖紙或加工圖所示位置連接鋼筋, 在安設(shè)鋼筋以前, 提交表明每個接點位置的專用圖紙, 請設(shè)計簽證或監(jiān)理工程師批準。鋼筋骨架在專門的成型靠模上就位后進行焊接, 以保證鋼筋骨架精度、組模質(zhì)量, 并采用CO2 氣體保護焊焊接成型, 焊接中不得出現(xiàn)咬肉、氣孔、脫焊現(xiàn)象, 焊縫長度、高度必須符合設(shè)計要求。

　　成型后的鋼筋骨架, 必須保證有足夠的剛度和穩(wěn)定性, 以便在運送、吊裝和澆筑混凝土時不致松散、移位、變形。鋼筋骨架質(zhì)量有專人負責檢查, 并按規(guī)格掛牌標識, 整齊堆放, 堆高不宜多于4 層。

　　鋼筋骨架制作與普通混凝土管片骨架制作相比, 大大簡化, 鋼筋的用量大幅下降, 焊接點數(shù)大幅降低( 見圖1) 。鋼纖維復合混凝土管片含鋼量為415.6 kg/ 環(huán), 普通混凝土管片含鋼量為790.56 kg/ 環(huán), 含鋼量下降了374.96 kg, 下降幅度達47%, 從而使CO2 保護焊的焊點由5 000 點下降至1 935 點, 下降幅度達61%。

　　鋼筋骨架入模位置應(yīng)保持正確, 放于鋼模中間, 底面采用高強度塑料支架作混凝土保護層, 高度符合設(shè)計規(guī)定的混凝土保護層厚度。鋼筋骨架不得與螺栓手孔模芯相碰。預埋件應(yīng)與鋼模、模芯保持可靠的密貼, 壓漿孔應(yīng)平整密貼于模板上。

　　所有預埋件按照設(shè)計要求準確就位, 并固定( 焊接) 牢靠, 防止振搗時移位。全面檢查鋼筋骨架及預埋件的安裝質(zhì)量, 并詳細記錄于自檢表中, 交由專職質(zhì)檢員進行隱蔽工程驗收, 檢查鋼筋品種、規(guī)格、尺寸、長度、保護層, 鋼筋和預埋件的位置和數(shù)量、防迷流測試等項目, 驗收合格后才允許澆搗混凝土。

2.2 管片的澆搗與成型

　　鋼纖維混凝土澆搗, 是控制施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。澆筑中斷會造成鋼纖維沿接縫的表面排列, 起不了增強作用。管片成型采用先兩端后中央, 分層攤鋪的振搗工藝。管片兩端振搗成型后蓋上壓板, 壓板必須壓牢后方可繼續(xù)進行加料振搗, 振搗時振搗棒須插入下部, 但應(yīng)避免碰鋼模、芯棒、鋼筋和預埋件, 振搗棒須快插慢拔, 振搗半徑控制在30 cm以內(nèi),振搗時間較普通混凝土適當延長, 以混凝土表面呈現(xiàn)浮漿,混凝土不再下沉為準。成型后管片外弧面的混凝土收水時間以管片外弧面混凝土表面已達到初凝來控制。外弧面收水抹平操作時, 依下列順序進行: 先用鐵尺刮去多余混凝土, 并使外弧面沿鋼?；《绕巾? 達到平整效果。抹面次數(shù)較普通混凝土應(yīng)增加1~ 2 次, 以達到管片表面密實?；炷脸跄皯?yīng)轉(zhuǎn)動一下芯棒, 當混凝土達到初凝后再次轉(zhuǎn)動芯棒, 視混凝土結(jié)硬程度, 抽出芯棒, 芯孔不得出現(xiàn)坍孔變形。芯棒抽出時間應(yīng)根據(jù)天氣、溫度、混凝土結(jié)硬程度來確定。管片收水抹面后, 立即覆蓋塑料薄膜, 避免混凝土管片出現(xiàn)失水龜裂。

2.3 管片的蒸養(yǎng)、脫模和水養(yǎng)護

　　(1) 澆搗及抹面結(jié)束后, 應(yīng)覆蓋防水薄膜靜養(yǎng)約2 h,方可開始蒸養(yǎng)。采用坑式蒸汽養(yǎng)護。管片養(yǎng)護必須嚴格分靜停、升溫、恒溫、降溫等四個階段進行。升溫速度每小時不超過15℃, 達到恒溫溫度50℃～55℃時, 保持恒溫時間2～3 h, 自然降溫速度每小時不宜超過15℃, 可分次慢慢拉開坑蓋門, 達到與外界溫差少于20℃為止。

　　(2) 管片經(jīng)蒸養(yǎng)后以同條件養(yǎng)護的試件的抗壓強度達到設(shè)計強度的45%, 養(yǎng)護坑內(nèi)溫度降到與外界20℃的溫差以內(nèi), 方可開坑、脫模。

　　(3) 脫模操作要點: 按鋼模技術(shù)操作規(guī)程順序拆除側(cè)板和端板螺拴, 在脫模時嚴禁硬撬硬敲, 以免損壞管片和鋼模,脫模的速度宜快, 以免管片和鋼模因收縮變型不同步而在管片周圍出現(xiàn)細裂縫。管片的脫模起吊應(yīng)按不同的管片型號,使用真空吸盤平衡起吊, 并有專人操作。

　　(4) 管片起吊后需用翻身架翻身直立, 翻身架與管片接觸部位須有柔性材料予以保護。

　　(5) 管片脫模后在廠房內(nèi)臨時堆放, 且堆放排列整齊,并擱置在柔性材料上, 墊條厚度一致, 擱置部位合理穩(wěn)妥。脫模后遇有管片氣泡或損壞等, 應(yīng)待管片冷卻后及時按規(guī)定要求修補。

　　(6) 管片冷卻后方可放入水池中進行7 d 水養(yǎng)護, 入池時管片與水的溫度差不宜大于20℃, 在水養(yǎng)護時管片必須全部浸沒水中。

2.4 管片的堆放

　　管片堆場的地坪、墊梁需堅實平整, 管片在堆場上側(cè)立按同型號堆放, 堆放高度以3 層為宜。管片在出廠前及運輸過程中的堆放, 采用元寶形堆放, 最底部管片的墊條高度要求不小于200 mm, 且不同層間的墊條應(yīng)豎直成一條直線。管片在任何時候都擱置在柔性材料上, 在堆放時管片與管片之間保持一定的距離( 垂向10 cm、平面50 cm) , 在吊運、堆放、裝卸時需有專人指揮, 兩人扶持管片, 避免損壞管片的表面、邊緣和角部。

3 鋼纖維復合混凝土管片的生產(chǎn)質(zhì)量控制

3.1 混凝土質(zhì)量控制

　　(1) 嚴格控制原材料質(zhì)量, 確保使用優(yōu)質(zhì)原材料。

　　(2) 加強計量抽檢力度, 特別是鋼纖維與聚丙烯纖維的計量抽檢, 嚴格按施工配合比施工。

　　(3) 出機坍落度檢驗, 確保鋼纖維混凝土工作性能。

　　(4) 鋼纖維均勻性控制與檢驗: 除按普通混凝土質(zhì)量、計量控制外, 還在生產(chǎn)過程中, 采用水洗法檢查鋼纖維在拌合物中的均勻性, 即每班一次取拌合物10 Kg, 用水沖洗干凈, 取出鋼纖維烘干稱量, 計算出每方混凝土中鋼纖維摻量,在整個生產(chǎn)過程中, 該值的波動范圍控制在±10%以內(nèi)。

　　(5) 混凝土抗壓: 采用試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm, 共制作試件19 組, mfcu= 63.4 MPa, sfcu=1.475。

　　(6) 混凝土抗折: 采用試件尺寸150 mm×150 mm×550 mm, f f , R7 =5.8 MPa, f f , R28=8.8 MPa。

　　(7) 混凝土抗?jié)B檢測: 采用試件尺寸175mm×185 mm×150 mm, 檢測試件1 組, 結(jié)果符合P10 的抗?jié)B要求。

3.2 鋼模的質(zhì)量控制

3.2.1 鋼模驗收

　　鋼模驗收分為三步, 首先是鋼模制造單位的出廠檢驗,其次是鋼模使用單位的初驗收, 最后是三環(huán)試生產(chǎn)并進行拼裝驗收。經(jīng)業(yè)主、施工單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位同意后再投入正式生產(chǎn)。

3.2.2 生產(chǎn)過程的鋼模尺寸檢驗

　　在鋼模合攏后, 用內(nèi)徑千分尺全數(shù)檢查鋼模的內(nèi)凈寬度尺寸, 控制點在3 點以上, 其它檢測項目則隨機抽檢10% ,并如實記錄在自檢表中, 若超過檢驗標準( 見表1) , 則重新整模, 直至符合鋼模合攏精度要求。

3.2.3 生產(chǎn)過程的鋼模目測檢查

　　檢查鋼模的整體功能、構(gòu)造、所有部件、外觀以及機械裝置( 包括操作中的問題) 等, 檢查確認鋼模結(jié)構(gòu)堅固, 裝配緊密, 有無作業(yè)引起的誤差, 以及與混凝土接觸面無損傷及凹凸, 所有附件或配件有無缺陷。并如實記錄在自檢表中, 若超過誤差, 則重新整模, 直至符合要求。

3.2.4 鋼模的檢驗維修

　　按照500 環(huán)/ 套的周期強制大修。

3.3 鋼纖維復合混凝土管片質(zhì)量控制

　　(1) 抗?jié)B檢漏: 管片每生產(chǎn)一班抽查2 片進行抗?jié)B檢漏, 抗?jié)B檢漏試驗水壓0.8 MPa, 恒壓3 h, 滲透深度以不超過保護層5 cm為合格, 如發(fā)現(xiàn)檢測不合格的管片, 則擴大檢查范圍或?qū)Ξ斕焐a(chǎn)的每塊管片進行檢測試驗, 對檢驗為不合格的管片不得用于工程中。本工程共抽查38 塊管片做抗?jié)B檢漏試驗, 結(jié)果全部合格。

　　(2) 外形尺寸: 檢測頻率為每班生產(chǎn)量的10%, 但不得少于1 環(huán)。單塊管片檢驗允許偏差為寬度±0.5 mm, 弧弦長±1.0 mm, 厚度+3~ - 1 mm, 螺孔直徑及位置±1 mm。本工程所抽查的19 環(huán)管片符合設(shè)計要求。

　　(3) 管片三環(huán)水平拼裝檢驗: 每套鋼模每生產(chǎn)100 環(huán)進行一次三環(huán)水平拼裝檢驗。其允許偏差為管片外半徑+2~0 mm, 內(nèi)半徑±1 mm, 相鄰環(huán)環(huán)面間隙不得大于1.0 mm, 縱縫相鄰塊塊間間隙不得大于2 mm( 縱縫內(nèi)需墊以壓縮至2 mm厚的傳力襯墊) , 對應(yīng)的環(huán)向螺栓孔不同軸度小于1 mm。本工程三環(huán)拼裝1 次, 符合設(shè)計要求。

　　(4) 防迷流檢測: 每20 環(huán)管片選擇1 環(huán)做防迷流檢測,單塊管片的迷流指標為不大于5 mΩ 的電阻值。所抽檢管片的迷流指標基本上在2.5 mΩ~ 3.5 mΩ 之間。

　　(5) 出廠檢驗: 管片出廠必須無缺角掉邊, 無麻面露筋,出現(xiàn)上述情況及時進行修補。管片的預埋件要完好, 位置正確, 埋件表面清潔。管片型號和生產(chǎn)日期的標志醒目、無誤。管片混凝土的28 天強度、抗?jié)B, 管片檢漏等技術(shù)指標符合要求。

4 鋼纖維復合混凝土管片的安全監(jiān)測

　　在該段管片區(qū)間內(nèi), 有大量的管片都將在使用過程中進行科研, 積累相關(guān)數(shù)據(jù), 以監(jiān)控鋼纖維復合混凝土管片脫離盾構(gòu)推進機之后的安全性及與普通混凝土管片的比較。

4.1 鋼筋應(yīng)力監(jiān)測

　　采用鋼筋應(yīng)力計( 鋼筋計直徑為16 mm, 總長度為510 mm,其中兩個連接桿為弧形各長160 mm) 監(jiān)測管片的內(nèi)部鋼筋應(yīng)力, 鋼筋計測點布置在內(nèi)外弧主筋上, 測點沿環(huán)向布置, 圓環(huán)中軸線一側(cè)為30°一點, 另一側(cè)為復核參考以45°一點, 分別布置在管片鄰近環(huán)面的兩排主筋上, 一共10個截面, 每個截面4 個點, 則計40 點/ 環(huán)( 見圖2) , 共監(jiān)測三環(huán), 其中兩環(huán)為鋼纖維復合混凝土管片, 另一環(huán)為普通混凝土管片, 鋼筋計點數(shù)總計為120 個。

4.2 管片變形監(jiān)測

　　(1) 采用光纖維傳感器監(jiān)測系統(tǒng)以微應(yīng)變?yōu)榭刂屏勘O(jiān)測鋼纖維復合混凝土管片的受力變形及變形狀況, 共監(jiān)測5環(huán), 其中2 環(huán)鋼纖維復合混凝土管片內(nèi)埋光纖傳感器, 2 環(huán)鋼纖維復合混凝土管片表貼光纖傳感器, 1 環(huán)普通混凝土管片表貼光纖傳感器。

　　(2) 采用應(yīng)變膜監(jiān)測鋼纖維復合混凝土管片受力變形,共監(jiān)測10 環(huán)。

5 結(jié)語

　　(1) 根據(jù)對鋼纖維復合混凝土管片的生產(chǎn)情況來看, 該型管片與普通鋼筋混凝土管片比較, 生產(chǎn)工藝有所改變, 主要是在鋼筋骨架制作、混凝土生產(chǎn)、管片澆搗成型及收水抹面等方面, 其他方面如鋼模檢測、蒸養(yǎng)控制、出廠檢驗等基本相同, 管片質(zhì)量檢驗參數(shù)也基本相同。

　　(2) 鋼纖維混凝土與普通混凝土相比, 其優(yōu)良的抗拉、抗彎性能已經(jīng)得到認同, 在工程上應(yīng)用逐漸增多。鋼纖維混凝土管片的質(zhì)量控制在很大程度上取決于混凝土配合比和施工工藝, 在混凝土攪拌、運輸、澆筑及振搗的全過程中應(yīng)使鋼纖維盡可能均勻分布, 在混凝土基體中, 盡可能避免鋼纖維在混凝土中集中于局部而形成纖維球團, 保證鋼纖維與混凝土基體之間有較大的增強作用。

　　(3) 管片生產(chǎn)中應(yīng)用鋼纖維, 可使管片的含鋼量大幅下降, CO2 保護焊焊點大幅減少。但混凝土中摻入鋼纖維后, 由于市場上鋼纖維價格較高, 鋼纖維混凝土的顯性成本可能在一定的范圍內(nèi)高于普通混凝土。如果假定混凝土的拌和、運輸、澆筑成本不因鋼纖維加入而改變, 同時在使用鋼纖維后,混凝土管片在其他方面( 如: 鋼筋用量、勞動人工成本) 有明顯減少, 因此與鋼筋混凝土管片相比, 兩者在成本上的實際差額不大。從長遠來看, 使用鋼纖維復合混凝土管片可延長使用年限和維護周期。按全周期投資成本分析, 完全可以預計使用鋼纖維復合混凝土管片更為有利。