專利名稱：一種高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片及其制備方法，屬隧道工程材料與制品技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前盾構(gòu)法施工已成為城市軟土地層中修建地下隧道、過江隧道和管道工程的主要方法。在盾構(gòu)法中，由若干預(yù)制管片拼裝而成隧道襯砌結(jié)構(gòu)體，其中預(yù)制混凝土管片(以下簡稱管片)不僅是盾構(gòu)隧道的主要結(jié)構(gòu)形式，也是隧道防水、防火和耐久等綜合性能的保證，因此，對管片強度、剛度以及耐久性等方面均提出了很高要求。由于城市建設(shè)需要，國外研制開發(fā)了多種新型盾構(gòu)技術(shù)，但對盾構(gòu)襯砌管片的研究相對緩慢，目前仍以鋼筋混凝土管片為主。由于混凝土為脆性材料，抗拉性能差，因此，在運輸、安裝過程中，管片易發(fā)生破損。工程實踐表明，鋼筋混凝土管片破損現(xiàn)象一般發(fā)生在襯砌管片內(nèi)側(cè)角部，以表面混凝土在千斤頂頂力作用下發(fā)生局部剪切破壞為主，而在管片中部少有發(fā)生破損現(xiàn)象。通過采取有效技術(shù)措施，特別是控制鋼筋混凝土管片拼裝操作質(zhì)量，管片破損現(xiàn)象發(fā)生幾率可較原來減少50%左右，但始終無法完全解決，這是由混凝土本身呈脆性的致命弱點所決定的，因此，提高管片混凝土的抗沖擊性能和抗拉、抗剪強度是解決管片破損問題的關(guān)鍵所在。鑒于鋼筋混凝土管片在運輸、安裝過程中易發(fā)生破損的缺點，發(fā)展新型盾構(gòu)襯砌管片正成為各國研究熱點。近年來，一種新型盾構(gòu)管片——鋼纖維混凝土管片已在國外引起重視，并在一些工程中進行了試驗性應(yīng)用。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土具有優(yōu)良的抗沖擊性能和抗剪強度，采用鋼纖維混凝土制備的管片在施工期間破損率將大大下降，從而明顯提高隧道襯砌的防水性能；由于鋼纖維對混凝土開裂有抑制作用，在受力相同情況下，鋼纖維混凝土開裂的情況將大大減少，裂縫的寬度亦縮小，從而可提高管片的耐久性。 然而，鋼纖維材料價格較高，采用鋼纖維混凝土將大幅增加管片初期投資成本，這是鋼纖維混凝土管片的致命弱點。另一方面，地鐵管片在環(huán)境中使用的長期耐久性也是需要加以關(guān)注的重要問題， 通常主要考慮氯離子滲透到達鋼筋表面引起的鋼筋銹蝕問題。ZL200510120533.4提供了一種盾構(gòu)隧道襯砌管片的制備方法，其結(jié)構(gòu)是從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，依次是高致密防水層、鋼筋混凝土保護層、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層和防火抗爆層，高致密防水層和保護層共同構(gòu)成高防水抗?jié)B層，其整體抗?jié)B等級彡P(guān)30，C1_擴散系數(shù)< lX10_13m2/S，28d干縮值< 250個微應(yīng)變。然而，對于深埋于地下(如地鐵)、江底或海底(如過江隧道或海底隧道)的鋼筋混凝土管片通常不存在由于氯離子滲透引起的鋼筋銹蝕問題，其原因是由于即使存在氯離子滲透等現(xiàn)象，但地下或水下含氧量很低；由于對管片進行了很好的防水處理，隧道內(nèi)部的氧氣也很難滲透到管片外側(cè)，因而管片外側(cè)的鋼筋表面呈缺氧狀態(tài)，其鋼筋銹蝕問題在設(shè)計時一般不予考慮。對于氯離子環(huán)境中淺埋或與外部相連部分的管片，則需考慮氯離子滲透引起的鋼筋銹蝕問題。對于管片內(nèi)側(cè)由于碳化引起的鋼筋銹蝕也應(yīng)引起足夠的重視，這是由于隧道內(nèi)部通風(fēng)情況較差，隧道內(nèi)的CO2含量往往較高。同時，隧道內(nèi)通常具有一定的濕度，混凝土碳化往往比較嚴重。因此如何提高管片內(nèi)側(cè)混凝土的抗碳化和抗裂性能是需要著重解決的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有鋼筋混凝土管片存在的易破損、耐久性差、全部采用高韌性混凝土制備管片成本高等問題，本發(fā)明提供一種高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片，其結(jié)構(gòu)自上而下，依次包括納米改性混凝土外保護層、納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層、鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層和鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層。所述的納米改性混凝土外保護層與納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層連為一體，由強度等級> C50、坍落度為30 70mm的納米改性混凝土制成；所述的鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層和鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層連為一體，由強度等級> C50、坍落度為30 70mm的鋼纖維增強納米改性混凝土制成。一般而言，對于盾構(gòu)襯砌管片，其中含有鋼筋骨架，通常以鋼筋骨架上的內(nèi)外側(cè)主筋區(qū)分結(jié)構(gòu)層和保護層，內(nèi)外側(cè)主筋之間為結(jié)構(gòu)層，外側(cè)主筋以上為外保護層，內(nèi)側(cè)主筋以下為內(nèi)保護層。本發(fā)明推薦所述的納米改性混凝土外保護層與納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層的厚度分別為40 60mm和300 400mm ；所述的鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層和鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層的厚度分別為20 90mm和50 60mm。進一步，本發(fā)明所述的納米改性混凝土外保護層上還可以刷防腐涂層，由下列一種防腐涂料制成環(huán)氧樹脂防腐涂料、聚氨酯防腐涂料、JS防水涂料、有機硅混凝土保護劑。所述的防腐涂層的厚度推薦為O 5. 0mm，此處的“0”表示無限趨近于零，但不為零。更進一步，本發(fā)明的優(yōu)選方案為一種高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片，其結(jié)構(gòu)自上而下，依次為0 5. Omm的防腐涂層、40 60mm的納米改性混凝土外保護層、300 400mm 的納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層、20 90mm的鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層和 50 60mm的鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層。本發(fā)明所述的鋼纖維增強納米改性混凝土由制備原料混合攪拌而成，所述鋼纖維增強納米改性混凝土的制備原料包括膠凝材料、鋼纖維、天然砂、級配為5 25mm的石子、 高效減水劑或高性能減水劑、納米材料和水，各原料的投料量以質(zhì)量份表示為膠凝材料 1. 00份、鋼纖維0. 10 0. 18份、天然砂1. 50 2. 50份、級配為5 25mm的石子2. 50 3. 20份、高效減水劑或高性能減水劑0. 01 0. 02份、水0. 30 0. 40份、納米材料0. 004 0. 03份；所述的膠凝材料為水泥或者水泥與粉煤灰、礦渣微粉中的一種或兩種的混合物； 所述的納米材料為白炭黑、納米二氧化硅粉體或者質(zhì)量濃度為20 40%的硅溶膠，或者所述的納米材料為將硅粉或白炭黑或納米二氧化硅粉體或水化硅酸鈣粉體分散于水中，經(jīng)球磨1 他制備而成的質(zhì)量濃度為20 60%的納米分散液。進一步，所述的鋼纖維增強納米改性混凝土的制備原料中粉煤灰的投料量為0 0. 15 份。
進一步，所述的鋼纖維增強納米改性混凝土的制備原料中礦渣微粉的投料量為 0 0. 30份。更進一步，所述的鋼纖維增強納米改性混凝土的制備原料還可以加入聚合物乳液，聚合物乳液的摻量為膠凝材料總質(zhì)量用量的5 15%，所述的聚合物乳液優(yōu)選為聚丙烯酸乳液或苯丙乳液。更進一步，所述的鋼纖維增強納米改性混凝土的制備原料還可以加入有機纖維， 其摻量為膠凝材料質(zhì)量用量的0. 1 0. 4%，所述的有機纖維優(yōu)選為聚丙烯纖維或尼龍纖維。本發(fā)明所述的納米改性混凝土由制備原料混合攪拌而成，所述納米改性混凝土的制備原料包括膠凝材料、砂、級配為5 25mm的石子、高效減水劑或高性能減水劑、納米材料和水，各原料的投料量以質(zhì)量份表示為膠凝材料1.00份、砂1.50 1.90份、級配為5 25mm的石子2. 50 3. 20份、高效減水劑或高性能減水劑0. 01 0. 02份、水0. 25 0. 35 份、納米材料0. 004 0. 03份；所述的膠凝材料為水泥或者水泥與粉煤灰、礦渣微粉中的一種或兩種的混合物；所述的納米材料為白炭黑、納米二氧化硅粉體或者質(zhì)量濃度為20 40%的硅溶膠，或者所述的納米材料為將硅粉或白炭黑或納米二氧化硅粉體或水化硅酸鈣粉體分散于水中，經(jīng)球磨1 他制備而成的質(zhì)量濃度為20 60%的納米分散液。進一步，所述的納米改性混凝土的制備原料中粉煤灰的投料量為0 0. 15份。進一步，所述的納米改性混凝土的制備原料中礦渣微粉的投料量為0 0. 30份。本發(fā)明還提供了一種上述高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片的制備方法，所述制備方法包括以下步驟(1)在鋼筋混凝土管片鋼模中安裝滿足設(shè)計要求的鋼筋骨架；(2)在鋼筋混凝土管片鋼模中澆注強度等級> C50、坍落度為30 70mm的鋼纖維增強納米改性混凝土，振搗密實，形成連為一體的鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層和鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層；內(nèi)保護層和內(nèi)結(jié)構(gòu)層的澆筑厚度分別推薦為50 60mm和20 90mm ；(3)在鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層上繼續(xù)澆筑強度等級> C50、 坍落度為30 70mm的納米改性混凝土，并振搗密實，形成連為一體的納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層和納米改性混凝土外保護層；外結(jié)構(gòu)層和外保護層的澆筑厚度分別推薦為300 400mm 和 40 60mm ；(4)澆筑完畢后立即進行表面粗光，待混凝土收水后進行中光，待混凝土接近初凝時，進行精光，混凝土全部初凝后靜養(yǎng)2 3h，然后進行蒸汽養(yǎng)護，2 池內(nèi)升溫至35 45°C，恒溫2 3h，降溫2 池至室溫后，采用真空吸盤起模，外觀檢查和檢修后進行水養(yǎng)護；(5)水養(yǎng)護7 14d后，吊裝至堆場中自然干燥。進一步，當需要涂裝防腐涂層時，在自然干燥后的管片外表面進行噴涂或刷涂處理，防護涂層厚度為0 5. 0mm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的功能梯度盾構(gòu)襯砌管片的有益效果主要體現(xiàn)在 (1)在混凝土制備原材料中引入納米材料，改善了硬化混凝土的微觀滲流結(jié)構(gòu)，有效提高了管片外側(cè)混凝土的抗氯離子滲透性能和管片內(nèi)側(cè)混凝土的抗碳化性能；( 在管片內(nèi)側(cè)受拉區(qū)和邊角部位形成了強韌化結(jié)構(gòu)層，有效提高了管片內(nèi)側(cè)邊角部位的混凝土韌性和抗剪強度以及受拉區(qū)混凝土的抗裂性能，減小了管片施工過程中的整體破損率，提高了管片的抗碳化性能；C3)避免了全部采用強韌性混凝土導(dǎo)致單個管片生產(chǎn)成本大幅度提高的不足；(4)在管片外側(cè)形成防腐保護層，大幅提高管片外側(cè)混凝土的抗?jié)B性和抗氯離子滲透能力，提高管片耐久性。


圖1所示為本發(fā)明實施例8-10的梯度功能盾構(gòu)襯砌管片功能設(shè)計示意圖，其中① 鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層；②鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層；③納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層；④納米改性混凝土外保護層；⑤防腐涂層。圖2所示為高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片制備工藝流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明是一種采用先進納米技術(shù)對基體混凝土進行納米改性，并基于梯度功能設(shè)計原理進行分層設(shè)計，采用分層澆注和一次涂裝工藝制備而成的用于隧道工程的高性能盾構(gòu)襯砌管片。下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行進一步描述，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于此。制備的梯度功能盾構(gòu)襯砌管片結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示自上而下，依次是鋼筋混凝土管片防腐涂層⑤、納米改性混凝土外保護層④和外結(jié)構(gòu)層③、鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層②和內(nèi)保護層①。上述鋼筋混凝土管片防腐涂層⑤由防腐涂料經(jīng)噴涂而成，厚度為0 4. Omm0納米改性混凝土外保護層④和納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層③的厚度分別為300 400mm和40 60mm。鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層②和鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層①的厚度分別為50 60mm和20 90mm。本發(fā)明梯度功能盾構(gòu)襯砌管片的制備方法是在鋼筋混凝土管片鋼模中先安放滿足設(shè)計要求的鋼筋籠及相關(guān)預(yù)埋件，然后澆注強度等級> C50、坍落度為30 70mm的鋼纖維增強納米改性混凝土，振搗密實，形成梯度功能盾構(gòu)襯砌管片強韌化內(nèi)保護層①和內(nèi)結(jié)構(gòu)層②，澆注厚度為分別為50 60mm和20 90mm，然后在鋼筋混凝土管片內(nèi)側(cè)強韌化結(jié)構(gòu)層②上繼續(xù)澆筑強度等級> C50、坍落度為30 70mm的納米改性混凝土，并振搗密實，形成納米改性混凝土結(jié)構(gòu)層③和納米改性混凝土外保護層④，澆筑厚度分別為300 400mm 和40 60mm ；澆筑完畢后立即進行表面粗光，待混凝土收水后進行中光，待混凝土接近初凝時，進行精光，混凝土全部初凝后靜養(yǎng)2 池，然后進行蒸汽養(yǎng)護，2 池內(nèi)升溫至35 45°C，恒溫2 3h，降溫2 池至室溫后，采用真空吸盤起模，外觀檢查和檢修后進行水養(yǎng)護。水養(yǎng)護7 14d后吊裝至管片堆場，自然干燥2 5d后，根據(jù)需要在管片外側(cè)噴涂鋼筋混凝土管片防腐涂層，其厚度為0 4.0mm。制備工藝流程見圖2。實施例1 4 采用海螺PII52. 5水泥、剪切平直微扭型鋼纖維(嘉興市經(jīng)緯鋼纖維有限公司生產(chǎn))、II級粉煤灰、沙鋼S95礦渣微粉、天然中砂、5 25mm碎石、HG-PCA600型高性能減水劑、質(zhì)量濃度分別為5%、20%和40%的硅溶膠配制鋼纖維增強納米改性混凝土、納米改性混凝土和C50普通混凝土，并用于梯度功能盾構(gòu)襯砌管片的生產(chǎn)，混凝土配合比分別見表 1。表 權(quán)利要求
1.一種高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片，其結(jié)構(gòu)自上而下，依次包括納米改性混凝土外保護層、納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層、鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層和鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層；所述的納米改性混凝土外保護層與納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層連為一體，由強度等級> C50、坍落度為30 70mm的納米改性混凝土制成；所述的鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層和鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層連為一體，由強度等級> C50、坍落度為30 70mm的鋼纖維增強納米改性混凝土制成。
2.如權(quán)利要求1所述的高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片，其特征在于所述的納米改性混凝土外保護層上還有防腐涂層，所述防腐涂層由下列一種防腐涂料制成環(huán)氧樹脂防腐涂料、聚氨酯防腐涂料、JS防水涂料、有機硅混凝土保護劑。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片，其特征在于所述的納米改性混凝土外保護層④和納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層③的厚度分別為40 60mm和300 400mm;所述的鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層②和鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層①的厚度分別為20 90mm和50 60mm。
4.如權(quán)利要求2所述的高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片，其特征在于所述的防腐涂層的厚度為0 5. 0mm。
5.如權(quán)利要求1所述的高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片，其特征在于所述的納米改性混凝土的制備原料包括膠凝材料、砂、級配為5 25mm的石子、高效減水劑或高性能減水劑、 水和納米材料，各原料的投料量以質(zhì)量份表示為膠凝材料1. 00份、砂1. 50 1. 90份、 級配為5 25mm的石子2. 50 3. 20份、高效減水劑或高性能減水劑0. 01 0. 02份、水 0. 25 0. 35份、納米材料0. 001 0. 02份；所述的膠凝材料為水泥或者水泥與粉煤灰、礦渣微粉中的一種或兩種的混合物；所述的納米材料為白炭黑、納米二氧化硅粉體或者質(zhì)量濃度為20 40%的硅溶膠，或者所述的納米材料為將硅粉或白炭黑或納米二氧化硅粉體或水化硅酸鈣粉體分散于水中，經(jīng)球磨1 他制備而成的質(zhì)量濃度為20 60%的納米分散液。
6.如權(quán)利要求1所述的高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片，其特征在于所述的鋼纖維增強納米改性混凝土的制備原料包括膠凝材料、鋼纖維、天然砂、級配為5 25mm的石子、高效減水劑或高性能減水劑、水和納米材料，各原料的投料量以質(zhì)量份表示為膠凝材料1.00 份、鋼纖維0. 10 0. 18份、天然砂1. 50 2. 50份、級配為5 25mm的石子2. 50 3. 20 份、高效減水劑或高性能減水劑0. 01 0. 02份、水0. 30 0. 40份、納米材料0. 001 0. 02份；所述的膠凝材料為水泥或者水泥與粉煤灰、礦渣微粉中的一種或兩種的混合物； 所述的納米材料為白炭黑、納米二氧化硅粉體或者質(zhì)量濃度為20 40%的硅溶膠，或者所述的納米材料為將硅粉或白炭黑或納米二氧化硅粉體或水化硅酸鈣粉體分散于水中，經(jīng)球磨1 他制備而成的質(zhì)量濃度為20 60%的納米分散液。
7.如權(quán)利要求5或6所述的高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片，其特征在于所述的粉煤灰的投料量為0 0. 15份；所述的礦渣微粉的投料量為0 0. 30份。
8.如權(quán)利要求6所述的高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片，其特征在于所述的鋼纖維增強納米改性混凝土的制備原料還包括聚合物乳液，聚合物乳液的摻量為膠凝材料總質(zhì)量用量的5 15%，所述的聚合物乳液為聚丙烯酸乳液或苯丙乳液。
9.如權(quán)利要求6所述的高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片，其特征在于所述的鋼纖維增強納米改性混凝土的制備原料還包括有機纖維，其摻量為膠凝材料總質(zhì)量用量的0. 1 0. 4%，所述的有機纖維為聚丙烯纖維或尼龍纖維。
10. 一種如權(quán)利要求1所述的高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片的制備方法，其特征在于所述的高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片的制備方法包括以下步驟(1)在鋼筋混凝土管片鋼模中安裝滿足設(shè)計要求的鋼筋骨架；(2)在鋼筋混凝土管片鋼模中澆注強度等級>C50、坍落度為30 70mm的鋼纖維增強納米改性混凝土，振搗密實，形成連為一體的鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層 ①和鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層②；(3)在鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層②上繼續(xù)澆筑強度等級>C50、坍落度為30 70mm的納米改性混凝土，并振搗密實，形成連為一體的納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層③和納米改性混凝土外保護層④；(4)澆筑完畢后立即進行表面粗光，待混凝土收水后進行中光，待混凝土接近初凝時， 進行精光，混凝土全部初凝后靜養(yǎng)2 池，然后進行蒸汽養(yǎng)護，2 池內(nèi)升溫至35 45°C， 恒溫2 3h，降溫2 池至室溫后，采用真空吸盤起模，外觀檢查和檢修后進行水養(yǎng)護；(5)水養(yǎng)護7 14d后，吊裝至堆場中自然干燥。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高性能梯度功能盾構(gòu)襯砌管片及其制備方法，其結(jié)構(gòu)自上而下，依次包括納米改性混凝土外保護層、納米改性混凝土外結(jié)構(gòu)層、鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層和鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)保護層；所述的納米改性混凝土外保護層與外結(jié)構(gòu)層連為一體；所述的鋼纖維增強納米改性混凝土強韌化內(nèi)結(jié)構(gòu)層和強韌化內(nèi)保護層連為一體。本發(fā)明有效解決現(xiàn)有鋼筋混凝土管片存在的易破損、耐久性差、全部采用高韌性混凝土制備管片成本高等問題。
文檔編號C04B28/00GK102207000SQ20101016635
公開日2011年10月5日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者姜俊, 孔德玉, 王曉棟 申請人:杭州建工建材有限公司, 浙江工業(yè)大學(xué)