CN116768545A - 一种含有机制砂的盾构管片混凝土以及制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含有机制砂的盾构管片混凝土以及制作工艺,包括以下成分(按质量百分比计):机制砂:30~60%、水泥:20~50%、粉煤灰:10~20%、矿渣粉:4~8%、碎石20~30%、水;提出了考虑石粉影响的盾构管片机制砂混凝土配合比设计方法,该方法在考虑石粉影响的基础上,引入砂浆包裹层厚度理论,在工作性相近的条件下,采用该配合比设计方法制备得到的机制砂混凝土的性能与天然砂混凝土相当,其总体性能较传统设计方法制备的机制砂混凝土优良,完善了现有技术中存在的不足。
Description
技术领域
本发明属于盾构管片混凝土施工技术领域,具体涉及一种含有机制砂的盾构管片混凝土以及制作工艺。
背景技术
城市轨道交通建设是提升城市公共交通服务能力、优化城市空间布局、实现城市可持续发展与增长的有效手段。为满足城市发展的迫切需要,我国越江跨海隧道和城市轨道交通正进行大规模建设。目前在隧道施工过程中多采用具有施工快速、对周围环境影响小、可适应复杂地层等优点的盾构施工技术,以替代原来落后的开槽明挖或浅埋暗挖等劳动密集型施工方法。在该施工过程中,盾构管片是最重要和最关键的结构构件,管片性能的优劣对盾构隧道工程的质量和服役寿命具有决定性的影响。
盾构管片主要包括钢管片和钢筋混凝土管片,其中钢筋混凝土管片由于原料来源广泛、耐久性好而应用最为广泛,在盾构隧道工程中,预制钢筋混凝土管片的费用占整个隧道工程造价的40%~50%,盾构隧道工程的质量和服役寿命很大程度上取决于管片性能,因此,轨道工程对管片提出了极高的技术要求,机制砂是指通过制砂机和其它附属设备加工而成的砂子,成品更加规则,可以根据不同工艺要求加工成不同规则和大小的砂子,更能满足日常需求,具体包括包括:(1)混凝土抗压强度设计等级至少为C50;(2)管片构件几何尺寸偏差要求高,尺寸偏差要求小于l mm;(3)构件外观质量要求高,要求达到清水混凝土的标准,要保证棱角完整无磕碰、外观光亮、颜色均匀一致、表面致密气泡少;(4)体积稳定性好、裂缝少,要做到无内外贯穿裂缝,且裂纹宽度不得大于0.1mm;(5)耐久性要求高,在耐久性指标上要达到100年耐久性的设计要求,其中混凝土的抗渗等级要求达到P12,混凝土的电通量要求小于1000C,氯离子扩散系数要求不大于3×10-12m2/s。
但现有混凝土管片使用的细骨料多为优质天然砂,而天然砂为不可再生资源,且环保措施日趋严厉,天然砂的供应量越来越少,导致其价格水涨船高,优质天然砂的获取困难尤甚,威胁到了轨道交通用钢筋混凝土管片的生产;除天然砂外,混凝土用细骨料还包括淡化海砂、再生细骨料以及机制砂。其中淡化海砂存在着氯离子含量偏高的疑虑,依据目前标准测得的淡化海砂氯离子含量较实际值偏低,一些地区严禁在重大工程项目中使用淡化海砂,混凝土管片对抗氯离子渗透性能有着严格要求,淡化海砂不宜应用于盾构管片的生产。再生细骨料由于自身强度偏低,研究工作多集中于再生细骨料在低强度等级混凝土中的应用方面,同时再生细骨料在实际工程中的应用也相对较少,因此会采用机制砂进行制备,但目前多采用脱胎于粗骨料紧密堆积所形成的富勒曲线、Andreasen方程等理论,但是上述理论将骨料为球形作为推导前提,与机制砂表面粗糙、棱角显著的实际并不相符,采用该类模型无法推导计算得到机制砂在最紧密堆积条件下的级配组成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含有机制砂的盾构管片混凝土以及制作工艺,以解决上述背景技术中提出的现有技术无法推导计算得到机制砂在最紧密堆积条件下的级配组成的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种含有机制砂的盾构管片混凝土,包括以下成分(按质量百分比计):
机制砂:30~60%、水泥:20~50%、粉煤灰:10~20%、矿渣粉:4~8%、碎石20~30%、水。
本发明还公开了一种含有机制砂的盾构管片混凝土的制作工艺,包括混凝土的组分,具体步骤如下:
步骤一:将机制砂、水泥、粉煤灰、矿渣粉以及水混合搅拌,其中,机制砂所占比例不低于30%:
步骤二:将碎石放入至步骤一中,并继续搅拌;
步骤三:将搅拌好的混凝土倒入模具中,进行成型,模具的振动频率为200~300次/分钟,振动时间为1~2分钟;
步骤四:将成型的混凝土构件进行养护。
作为本发明中一种优选的技术方案,所述步骤一中的矿渣粉含量控制到7%以内,MB值控制在0.75g/kg内,同时选取粒径为0.600mm~0.300mm级和0.300mm~0.150mm级的机制砂,并选用堆积空隙率≤42%的机制砂。
作为本发明中一种优选的技术方案,所述步骤二和步骤三中,机制砂、水泥、碎石以及含气量需要满足以下公式(1)进行制备、调制:
式中:VM为砂浆体积;Mg为碎石质量;Vair为混凝土中含气量,盾构管片机制砂混凝土的含气量取1.2%;
混凝土中砂浆由填充于碎石空隙中的砂浆和包裹在碎石表面的砂浆两部分组成,则满足式(2)的关系:
VM=SWghM+VV-Vair (2)
式中:VV为碎石的堆积空隙率;hM为砂浆包裹层厚度,其随着混凝土强度提升而逐渐降低,对于盾构管片混凝土,其取值一般为:0.35mm~0.45mm;S为碎石的比表面积,依据式(3)进行计算:
式中:θ为骨料比表面积修正系数,骨料比表面积修正系数一般为1.0-1.15,可根据实际骨料形状偏离球形的程度进行选取,偏离程度越大,其取值越大;ρad,g为碎石的表观密度;
因此,基于式(1)和式(2)可计算的每立方米混凝土用碎石的质量如式(4):
作为本发明中一种优选的技术方案,所述每立方米混凝土的水泥和机制砂用量通过式(5)和式(6)进行计算:
Mc+Ma,i+Msz=MP
(6)
式中:z为机制砂中石粉含量;ρsd为机制砂石粉的密度;ρs为机制砂的表观密度;ρa,i为i类掺合料的密度。
作为本发明中一种优选的技术方案,所述步骤一中的搅拌时间为3~5min,搅拌速度为40~60r/min。
作为本发明中一种优选的技术方案,所述步骤二中的搅拌时间与搅拌速度与所述步骤一中相同。
作为本发明中一种优选的技术方案,在所述步骤四中,混凝土制成的盾构管片静停预养时间设定为2~3h,升温速率设定为10℃/h,恒温时间设定为2~3h,恒温温度设定为40~50℃。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
提出了考虑石粉影响的盾构管片机制砂混凝土配合比设计方法,该方法在考虑石粉影响的基础上,引入砂浆包裹层厚度理论,在工作性相近的条件下,采用该配合比设计方法制备得到的机制砂混凝土的性能与天然砂混凝土相当,其总体性能较传统设计方法制备的机制砂混凝土优良,完善了现有技术中存在的不足。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参考图1,本发明提供一种技术方案:一种含有机制砂的盾构管片混凝土,包括以下成分(按质量百分比计):
机制砂:40%、水泥:20%、粉煤灰:10%、矿渣粉:5%、碎石25%、水。
本发明还公开了一种含有机制砂的盾构管片混凝土的制作工艺,包括上述混凝土的组分,具体步骤如下:
步骤一:将机制砂、水泥、粉煤灰、矿渣粉以及水混合搅拌,其中,机制砂所占比例不低于30%:
步骤二:将碎石放入至步骤一中,并继续搅拌;
步骤三:将搅拌好的混凝土倒入模具中,进行成型,模具的振动频率为300次/分钟,振动时间为1分钟;
步骤四:将成型的混凝土构件进行养护。
本实施例中,步骤一中的矿渣粉含量控制到7%以内,MB值控制在0.75g/kg内,同时选取粒径为0.600mm级和0.150mm级的机制砂,并选用堆积空隙率≤42%的机制砂。
本实施例中,步骤二、三中,机制砂、水泥、碎石、含气量满足公式(1)
式中:VM为砂浆体积;Mg为碎石质量;Vair为混凝土中含气量,盾构管片机制砂混凝土的含气量取1.2%;
混凝土中砂浆由填充于碎石空隙中的砂浆和包裹在碎石表面的砂浆两部分组成,则满足式(2)的关系:
VM=SMghM+VV-Vair (2)
式中:VV为碎石的堆积空隙率;hM为砂浆包裹层厚度,其随着混凝土强度提升而逐渐降低,对于盾构管片混凝土,其取值一般为:0.35mm~0.45mm;S为碎石的比表面积,依据式(3)进行计算:
式中:θ为骨料比表面积修正系数,骨料比表面积修正系数一般为1.0-1.15,可根据实际骨料形状偏离球形的程度进行选取,偏离程度越大,其取值越大;ρad,g为碎石的表观密度;
因此,基于式(1)和式(2)可计算的每立方米混凝土用碎石的质量如式(4):
本实施例中,每立方米混凝土的水泥和机制砂用量通过式(5)和式(6)进行计算:
Mc+Ma,i+Msz=MP
(6)
式中:z为机制砂中石粉含量;ρsd为机制砂石粉的密度;ρs为机制砂的表观密度;ρa,i为i类掺合料的密度,在工作性相近的条件下,采用本研究配合比设计方法制备得到的机制砂混凝土的性能与天然砂混凝土相当,其总体性能较传统设计方法制备的机制砂混凝土优良,尤其是电通量和氯离子扩散系数较传统设计方法的分别降低26.7%和25.1%,56d收缩率降低14.9%;在用水量和外加剂用量不变的条件下,机制砂混凝土的工作性、力学性能、抗氯离子渗透性能以及抗收缩性能随着砂浆包裹层厚度的增大而变差,其中工作性和抗氯离子渗透性能的劣化趋势最为显著,S-0.45机制砂混土的坍落度较S-0.35的降低19.5%,电通量增大35.5%,氯离子扩散系数增大34.6%。
本实施例中,步骤一中的搅拌时间为4min,搅拌速度为50r/min。
本实施例中,步骤二中的搅拌时间与搅拌速度与步骤一中相同。
本实施例中,在步骤四中,由于随着静停时间的延长,混凝土的脱模强度、7d抗压强度和28d抗压强度均逐渐增大,其中脱模强度的增长速率最为显著,氯离子扩散系数和电通量均大幅降低;随着升温速率的提升,混凝土的脱模强度和7d抗压强度变化不大,28d抗压强度逐渐降低,氯离子扩散系数和电通量逐渐增大;随着恒温时间的延长,混凝土的脱模强度和7d抗压强度逐渐增大,28d抗压强度呈现为先缓慢上升而后轻微降低的趋势,氯离子扩散系数和电通量均逐渐增加。随着恒温温度的升高,混凝土的脱模强度提升显著,7d抗压强度和28d抗压强度不断降低,氯离子扩散系数和电通量逐渐增大,混凝土制成的盾构管片静停预养时间设定为3h,升温速率设定为10℃/h,恒温时间设定为2h,恒温温度设定为45℃。
实施例2
与上述实施例1中的不同之处在于:机制砂:35%、水泥:20%、粉煤灰:16%、矿渣粉:4%、碎石25%、水。
本发明还公开了一种含有机制砂的盾构管片混凝土的制作工艺,包括上述混凝土的组分,具体步骤如下:
步骤一:将机制砂、水泥、粉煤灰、矿渣粉以及水混合搅拌,其中,机制砂所占比例不低于30%:
步骤二:将碎石放入至步骤一中,并继续搅拌;
步骤三:将搅拌好的混凝土倒入模具中,进行成型,模具的振动频率为200次/分钟,振动时间为1分钟;
步骤四:将成型的混凝土构件进行养护。
本实施例中,步骤一中的矿渣粉含量控制到7%以内,MB值控制在0.75g/kg内,同时选取粒径为0.300mm级和0.150mm级的机制砂,并选用堆积空隙率40%的机制砂。
本实施例中,步骤一中的搅拌时间为3min,搅拌速度为40r/min。
本实施例中,在步骤四中混凝土制成的盾构管片静停预养时间设定为2h,升温速率设定为10℃/h,恒温时间设定为2h,恒温温度设定为40℃。
实施例3
与上述实施例的不同之处在于:机制砂:40%、水泥:24%、粉煤灰:10%、矿渣粉:6%、碎石20%、水。
本发明还公开了一种含有机制砂的盾构管片混凝土的制作工艺,包括上述混凝土的组分,具体步骤如下:
步骤一:将机制砂、水泥、粉煤灰、矿渣粉以及水混合搅拌,其中,机制砂所占比例不低于30%:
步骤二:将碎石放入至步骤一中,并继续搅拌;
步骤三:将搅拌好的混凝土倒入模具中,进行成型,模具的振动频率为300次/分钟,振动时间为2分钟;
步骤四:将成型的混凝土构件进行养护。
本实施例中,步骤一中的矿渣粉含量控制到7%以内,MB值控制在0.75g/kg内,同时选取粒径为0.600mm级和0.300mm级的机制砂,并选用堆积空隙率42%的机制砂。
本实施例中,步骤一中的搅拌时间为5min,搅拌速度为60r/min。
本实施例中,在步骤四中混凝土制成的盾构管片静停预养时间设定为3h,升温速率设定为10℃/h,恒温时间设定为3h,恒温温度设定为50℃。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例(详见上述详尽的描述),对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种含有机制砂的盾构管片混凝土,其特征在于:包括以下成分(按质量百分比计):
机制砂:30~60%、水泥:20~50%、粉煤灰:10~20%、矿渣粉:4~8%、碎石20~30%、水。
2.一种含有机制砂的盾构管片混凝土的制作工艺,包括权利要求1中混凝土的组分,其特征在于:具体步骤如下:
步骤一:将机制砂、水泥、粉煤灰、矿渣粉以及水混合搅拌,其中,机制砂所占比例不低于30%:
步骤二:将碎石放入至步骤一中,并继续搅拌;
步骤三:将搅拌好的混凝土倒入模具中,进行成型,模具的振动频率为200~300次/分钟,振动时间为1~2分钟;
步骤四:将成型的混凝土构件进行养护。
3.根据权利要求1所述的一种含有机制砂的盾构管片混凝土的制作工艺,其特征在于:所述步骤一中的矿渣粉含量控制到7%以内,MB值控制在0.75g/kg内,同时选取粒径为0.600mm~0.300mm级和0.300mm~0.150mm级的机制砂,并选用堆积空隙率≤42%的机制砂。
4.根据权利要求1所述的一种含有机制砂的盾构管片混凝土的制作工艺,其特征在于:所述步骤二、三中,机制砂、水泥、碎石、含气量满足公式(1)
式中:VM为砂浆体积;Mg为碎石质量;Vair为混凝土中含气量,盾构管片机制砂混凝土的含气量取1.2%;
混凝土中砂浆由填充于碎石空隙中的砂浆和包裹在碎石表面的砂浆两部分组成,则满足式(2)的关系:
VM=SMghM+VV-Vair (2)
式中:VV为碎石的堆积空隙率;hM为砂浆包裹层厚度,其随着混凝土强度提升而逐渐降低,对于盾构管片混凝土,其取值一般为:0.35mm~0.45mm;S为碎石的比表面积,依据式(3)进行计算:
式中:θ为骨料比表面积修正系数,骨料比表面积修正系数一般为1.0-1.15,可根据实际骨料形状偏离球形的程度进行选取,偏离程度越大,其取值越大;ρad,g为碎石的表观密度;
因此,基于式(1)和式(2)可计算的每立方米混凝土用碎石的质量如式(4):
5.根据权利要求1所述的一种含有机制砂的盾构管片混凝土的制作工艺,其特征在于:所述每立方米混凝土的水泥和机制砂用量通过式(5)和式(6)进行计算:
Mc+Ma,i+Msz=MP
(6)
式中:z为机制砂中石粉含量;ρsd为机制砂石粉的密度;ρs为机制砂的表观密度;ρa,i为i类掺合料的密度。
6.根据权利要求1所述的一种含有机制砂的盾构管片混凝土的制作工艺,其特征在于:所述步骤一中的搅拌时间为3~5min,搅拌速度为40~60r/min。
7.根据权利要求6所述的一种含有机制砂的盾构管片混凝土的制作工艺,其特征在于:所述步骤二中的搅拌时间与搅拌速度与所述步骤一中相同。
8.根据权利要求1所述的一种含有机制砂的盾构管片混凝土的制作工艺,其特征在于:在所述步骤四中,混凝土制成的盾构管片静停预养时间设定为2~3h,升温速率设定为10℃/h,恒温时间设定为2~3h,恒温温度设定为40~50℃。
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