陈建申 张春梅
中铁八局集团有限公司 四川成都 610036
摘要：盾构隧道中混凝土管片是主要受力构件，其质量是隧道工程安全性、耐久性的重要保障，直接影响隧道工程质量。混凝土管片预制过程中控制的重难点是气泡问题，不但影响管片的抗压强度和抗渗性能，也影响其外观增加修补工作。本文结合工程实际对混凝土管片气泡成因及控制技术进行了研究，收到了较好效果，供大家借鉴。
关键词：隧道管片；气泡控制；技术研究
1引言
随着隧道施工机械化程度提高，盾构法施工除广泛应用于地铁施工外，铁路、公路、水工、电力隧道也在大力推广盾构法施工，盾构隧道中混凝土管片是主要受力构件，其质量是隧道工程安全性、耐久性的重要保障，直接影响隧道工程质量。混凝土管片预制过程中控制的重难点是气泡问题，不但影响管片的抗压强度和抗渗性能，也影响其外观增加修补工作。经过大量的检漏试验证明，管片在水压力增大时，就会在气泡密集处出现渗水现象，应用到隧道时会影响管片防水效果。本文结合工程实际对混凝土管片气泡成因及控制技术进行了研究，收到了较好效果，供大家借鉴。
2盾构隧道管片介绍
地铁设计时速不超过80km/h时，其混凝土管片内径一般为5.4～5.5m，厚度30～35cm，环宽1.2～1.5m，混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P10～P12，整环管片由6块组成，3个标准块、2个邻接块、1个封顶块。
盾构隧道管片采用预制工艺，它的制作工艺为：钢筋制作→钢筋入模→混凝土灌注→管片混凝土初期养护→脱模→蒸养→水养→存放→出厂。
3混凝土管片气泡的危害
混凝土是一种非匀质结构，在其生产过程中，由于骨料间隙和外加剂的引气作用，会产生气体。混凝土入模后，通过振捣等措施气体部分会排出混凝土表面，但也有一部分残留在混凝土内部形成气泡。气泡的存在，对混凝土性能会产生一定的影响，当混凝土中的气泡在50nm以下时，会提高混凝土的抗冻、抗渗和耐久性；当混凝土中的气泡在50nm以上时，会对混凝土性能产生不利影响，主要表现在：一是气泡的存在，降低了混凝土的致密性，从而会影响强度；二是混凝土表面气泡减少了钢筋保护层的厚度，降低了管片的耐腐蚀性能；三是如果气泡较多，彼此连通形成渗漏通道，降低管片的抗冻、抗渗和防水性能。
4混凝土管片气泡形成的原因分析
通过大量实验资料分析，混凝土管片气泡形成的原因主要为：混凝土配合比、混凝土原材料、和工艺工装三个方面。
4.1 混凝土配合比因素
4.1.1 水灰比
水灰比过小，导致混凝土过于粘稠，不但不利于水泥充分水化，还影响混凝土的流动性，提高振捣密实难度，气泡不能完全排出；水灰比过大，造成水泥水化后水分富余，多余的水分形成自由水，最后在混凝土内部形成相互连通、无规则的毛细孔或残留混凝土表面形成气泡。
4.1.2 砂率
砂率过小，即细集料少、粗集料多，细集料及胶凝材料不足以填满粗集料间隙，造成混凝土不密实，产生气泡；砂率过大，即细集料多、粗集料少，混凝土过于粘稠，影响气泡排出。
4.1.3 坍落度
坍落度过大，一是造成水分富余，混凝土凝固后在内部和表面形成气泡；二是混凝土有较好的和易性，为了避免混凝土离析，振捣时间较短，导致气泡不能完全排出。坍落度过小，混凝土流动性差，难以振捣，影响气泡排出。
4.2 混凝土原材料因素
4.2.1 水泥
水泥厂家为了提高其早期强度，并降低成本，在熟料粉磨时加入了木钙、丙二醇、二乙二醇混杂的助磨剂，这些助磨剂具有引气作用，在生产混凝土时引入气泡较多且不均匀。
4.2.2 粗集料
粗集料对气泡的影响主要表现在两个方面：一是粗集料未经充分整形，棱角、针片状较多，会影响混凝土中气泡排出，导致部分气泡滞留混凝土内；二是粗集料不是连续级配，且细集料和胶凝材料不能完全填满粗集料空隙，导致混凝土出现孔隙或气泡。
4.2.3细集料
河砂中起润滑作用最大的是0.315mm和0.63mm两种颗粒规格，其含量对气泡的影响较大。目前市场上，河砂资源越来越少，且河砂价格高，一些混凝土管片预制中用机制砂代替河砂，如果机制砂没有经过充分整形，其颗粒形状较差时，将会影响混凝土中气泡的排出。在新拌混凝土浆体中，机制砂容易自聚集、自堆砌，缺乏天然河砂的自润滑、自填充体积效应，导致混凝土浆体出现分散稳定性不理想，粘度增加、包裹性下降现象，影响混凝土下料过程与排气效果。
4.2.4 减水剂
现在所用的减水剂基本上是第三代减水剂，常用的是聚羧酸减水剂，在其生产过程中先掺入消泡剂进行消泡，然后掺入引气剂以引入微气泡。
优质的聚羧酸减水剂能在混凝土生产过程中引入气泡并使气泡分布均匀，但使用廉价的引气剂，在混凝土生产过程中形成较多较大气泡，影响管片质量；或者减水剂中加入了增稠成分，导致混凝土过于粘稠，振捣时气泡难以排出。
4.3 生产工艺工装因素
4.3.1 脱模剂
为了便于混凝土管片气泡的排出，一般采用具有消泡化学成分的水性脱模剂，当混凝土中的气泡与脱模剂中的消泡剂相遇时，气泡立即破灭或由大变小、由小变灰。
脱模剂能否完全发挥好作用，与其本身质量和掺兑比例及是否喷涂均匀有很大关系。如果脱模剂消泡质量差，会在混凝土表面形成较多气泡。如果掺兑比例过低，脱模剂仍对气泡有一定的吸附作用；如果掺兑比例过高，混凝土会粘模，其气泡不能顺利的随振捣排出。如果脱模剂喷涂不均匀，也会对气泡的排出影响很大。
4.3.2 混凝土振捣
目前混凝土管片普遍采用以振动台振捣为主，配合采用人工插入振动棒为辅的方式。管片混凝土是否密实，气泡能否排出，与振捣密切相关。正常的振捣，粗细集料相互靠拢，水泥浆上浮，在混凝土表面泛浆即可。如果混凝土欠振，振捣时间过短，振捣随意性大，导致不能完全排出混凝土中的气泡，则在混凝土表面形成大量气泡；如果混凝土超振，导致混凝土中的石子下沉，水泥浆上浮，混凝土发生分层、离析、泌水现象，混凝土中的气泡重泡，形成大气泡。
4.3.3 模型设计与保养
管片为弧形，且其端头都有凹槽，模型设计如何使气泡顺利排出至关重要。模型在加工和使用过程中，要确保表面光滑，避免电焊、钢筋安装、插入捣固器振捣时损伤模板，造成模板表面不平整，影响混凝土中气泡的顺利排出。
5混凝土管片气泡预防措施
5.1混凝土配合比
不同的水灰比、砂率和坍落度对混凝土气泡排出影响较大，通过多次试配，水灰比控制在0.333、砂率为38%时，坍落度为65mm，混凝土初始含气量为3%，混凝土强度高，振捣时气泡排出相对较快。在选配合比前，要做好水泥与减水剂相容性掺配。
5.2 混凝土原材料
（1）水泥：选用大厂水泥，一是管片所用的水泥为低碱水泥，小厂水泥品质不稳定，影响混凝土性能；二是避免小厂掺加过多的水泥助磨剂问题。
（2）粗细集料：一是选择好的级配，尽量采用连续级配；二是严格控制好碎石和机制砂的整形，尽量避免含有针片状和棱角较多的集料；三是尽量控制和降低集料含泥量；四是保持粗细集料含水率稳定，对粗细集料搭设防雨棚，确保粗细集料含水率不受天气影响。
（3）减水剂：一是减水剂要和选定的水泥相容；二是选用大厂家优质的减水剂，避免减水剂中采用廉价的松香类引气剂，造成混凝土中产生大气泡。
5.3 工艺工装
（1）脱模剂：一是必须按照产品使用说明书要求正确使用，若使用不当，会影响气泡的排水；二是进行试配，确定最佳掺兑比例；三是脱模剂与水配置采用自动恒温搅拌系统进行配置，确保脱模剂与水充分搅拌均匀，喷涂于模型工作面后及时形成一层均匀的膜。
（2）混凝土振捣：混凝土振捣好坏是控制气泡的关键性因素，在21世纪以前，混凝土外加剂质量与性能、混凝土搅拌质量等都不如现在，解决气泡的主要是通过振捣来解决。现在管片振捣主要是通过振动台辅以插入式振捣器进行振捣，振动台振动初始以高激振力低频率进行振捣，后期采用低激振力高频率进行振捣，激振力和频率通过现场反复试验确定。插入式振捣器振捣，一是要固定人员；二是振捣棒要倾斜插入，以55°左右为宜；三是振捣时要快插快拔,确保振捣棒插入时不带入气泡和插入后便于气泡的排出。
（3）模型设计与保养：模型设计要根据管片结构进行优化设计，以有利于气泡排出为出发点，特点是管片盖模，可从设计排气孔等方面进行着手；模型保养方面，一是从钢筋加工与安装方面，注重对模型的保护；二是对模型局部磨损的地方采取打磨等补救措施；三是插入式振捣器进行振捣时，尽量避免磕碰模型。
6结束语
通过分析总结气泡产生的原因，从混凝土配合比、混凝土原材料、生产工艺工装三个方面采取有针对性的措施，基本消除和控制了混凝土管片预制过程中气泡的生产。管片生产过程中，要严格控制各道工序，将质量保证体系落到实处，建立产品问题实时监控机制，出现问题及时分析并采取措施。针对气泡问题，还要加强新材料和新工艺的研究与应用，持续提高管片质量。
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作者简介：陈建申（1977—），男，高级工程师，毕业于西南交通大学；张春梅（1976—），女，工程师，毕业于武汉理工大学