专利名称：一种功能梯度盾构管片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于盾构隧道的钢筋混凝土管片及其制备方法。
背景技术：
进入21世纪后，随着国家综合实力的增强以及交通基础设施建设的需要，中国交通隧道建设已经步入了高速发展时期，尤其是长大隧道、城市地铁、水底隧道以及海底隧道等重大交通隧道工程的建设将进入前所未有的高峰期。盾构工法由于其独特的优点，必将成为修建越江跨海隧道和城市地铁的主要施工方法。
在盾构隧道中，管片是隧道结构骨架和防水主体，也是最重要和最关键的衬砌结构构件，不仅要求管片具有较好的力学、防水性能，还要求管片具有较好的抗渗、防火性能。管片使用寿命对盾构隧道服役寿命具有决定性的影响，而管片性能的优劣，特别是管片耐久性，直接影响到管片的使用寿命，甚至影响到盾构隧道的工程质量。因此，合理设计管片材料和结构，是提高管片耐久性及其使用寿命的关键所在，对于保证盾构隧道工程质量和提高其服役寿命是非常重要的。
目前在盾构隧道衬砌结构中应用最广泛的是钢筋混凝土管片，其采用一次浇注成型工艺制备而成，从其设计思路和制备工艺上来说，这种传统的钢筋混凝土管片属于单层技术范畴，且其防水、抗渗、抗蚀、抗裂和抗火能力是普遍存在的严重问题①防水、抗渗、抗蚀性能不高，影响耐久性防水、抗渗、抗蚀是钢筋混凝土管片衬砌存在的突出问题。采用单层技术的钢筋混凝土管片，其抗渗等级一般在P8～P12之间，通过电量在1500～3000库仑之间，Cl-扩散系数通常在20.0～40.0×10-13m2/s之间。
②收缩变形大，易开裂，影响体积稳定性和耐久性钢筋混凝土管片强度要求比较高，胶凝材料用量相对较高，特别是水泥用量较大，有的管片混凝土中甚至不掺矿物掺合料，如广州和上海地铁C50管片混凝土一般不掺或仅掺少量的粉煤灰，这使得混凝土收缩变形大，管片表面容易出现收缩微裂缝，导致管片抗裂性差，既影响管片的外观质量，又影响管片的体积稳定性和耐久性。
③未考虑抗火性能，存在隐患由于钢筋混凝土材料自身的一些缺陷，导致钢筋混凝土构件的抗火性能差。采用单层技术的钢筋混凝土管片没有考虑火灾因素，其抗火性能未得到改善。目前国际上已经把管片的抗火性能作为一项重要的指标，要求在设计中予以考虑。
采用国内外现有的单层技术来设计和制备的盾构管片很难同时具有高防水、高抗渗、高抗蚀、高抗裂和高抗火性能，难以满足盾构隧道处于高压富水状况、恶劣使用环境中对管片高抗渗、长寿命的要求以及盾构隧道在火灾、爆炸等各种偶发因素下的抵抗能力，很不利于盾构隧道服役寿命的提高。
因此，必须突破现有的管片设计思路或制备工艺，才能大大提高钢筋混凝土管片的防水、抗渗、抗蚀等耐久性能，以及改善钢筋混凝土管片的体积稳定性和耐火性能，以提高管片的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高防水、高抗渗、高抗蚀、高抗裂和高抗火性能的功能梯度盾构管片及其制备方法，以提高管片耐久性和偶发因素下的抵抗能力，延长管片使用寿命，进而延长盾构隧道工程的服役寿命。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种功能梯度盾构管片，其特征在于它由管片外保护层1、钢筋混凝土结构层2和防火抗爆层3构成，管片外保护层1位于钢筋混凝土结构层2的外表面，防火抗爆层3位于钢筋混凝土结构层2的内表面；钢筋混凝土结构层2的厚度为300.0～500.0mm，防火抗爆层3的厚度为10.0～16.0mm；所述的管片外保护层1由高致密防水层4、高抗渗保护层5、钢筋混凝土保护层6构成，高致密防水层4位于高抗渗保护层5的外表面，钢筋混凝土保护层6位于高抗渗保护层5的内表面与钢筋混凝土结构层2的外表面之间；高致密防水层4的厚度为0.01～1.5mm，高抗渗保护层5的厚度为10.0～30.0mm，钢筋混凝土保护层6的厚度为20.0～40.0mm。
所述的高致密防水层4由高效渗透结晶型防水材料制成。
所述的高抗渗保护层5由扩散系数小于3.0×10-13m2/s、抗裂等级达到I级、强度等级在C100～C200之间的高性能细集料混凝土制备而成。
高性能细集料混凝土主要由水泥、水、强化剂和粒径小于0.63mm的细集料原料混合而成，各原料所占重量份数为水泥1.00份、水0.16～0.22份、强化剂0.40～0.75份、粒径小于0.63mm的细集料1.00～1.40份。
所述的强化剂主要由比表面积大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉、比表面积大于4000cm2/g的高活性微矿粉或粉煤灰、混杂纤维和减缩剂原料混合而成，各原料所占重量份数为比表面积大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉1.00份、比表面积大于4000cm2/g的高活性微矿粉或粉煤灰1.50～3.00份、混杂纤维0.01～0.02份、减缩剂0.08～0.15份。
所述的钢筋混凝土保护层6为强度等级大于C50的高性能混凝土浇注而成。
所述的钢筋混凝土结构层2主要由钢筋笼、强度等级大于C50的高性能混凝土浇注而成。
所述的防火抗爆层3为隧道防火涂料喷涂而成。
上述一种功能梯度盾构管片的制备方法，其特征在于它包括如下步骤1)将钢筋笼放入钢筋混凝土管片钢模中使钢筋笼的下表面8距钢筋混凝土管片钢模底20.0～40.0mm；在钢筋混凝土管片钢模中浇注强度等级大于C50的高性能混凝土至钢筋笼上表面20.0～40.0mm，钢筋笼上表面7之上为钢筋混凝土保护层6，然后插捣，形成厚度为300.0～500.0mm的钢筋混凝土结构层2和厚度为20.0～40.0mm的钢筋混凝土保护层6；2)采用压印工艺在钢筋混凝土保护层6上进行界面增强处理；
3)在钢筋混凝土保护层6上浇注高性能细集料混凝土至钢筋混凝土管片钢模上表面，然后插捣、收光、抹面，形成厚度为10.0～30.0mm的高抗渗保护层5；蒸养管片，并按养护工艺对管片进行水养护；4)管片水养护完毕后，在高抗渗保护层5外表面喷涂高效渗透结晶型防水材料，形成厚度为0.01～1.5mm的高致密防水层4；管片喷淋养护至规定龄期后，运送至盾构隧道施工现场，用盾构机安装管片；5)管片安装到盾构隧道后，在钢筋混凝土结构层2内表面喷涂隧道防火涂料，形成厚度为10.0～16.0mm的防火抗爆层3。
本发明由于采用了功能梯度材料设计原理，对管片进行功能/结构一体化设计的技术方案，因此，与采用单层技术的钢筋混凝土管片相比，具有如下的显著效果其一，功能梯度盾构管片集管片外保护层1的高防水、高抗渗、高抗蚀、高抗裂，钢筋混凝土结构层2的高强、高性能，防火抗爆层3的防火抗爆功能于一体；可以提高管片耐久性和偶发因素下的抵抗能力，延长管片使用寿命，进而大大延长盾构隧道工程的服役寿命。
其二，功能梯度盾构管片的管片外保护层1由高致密防水层、高抗渗保护层、钢筋混凝土保护层共同构成，可大幅提高管片的抗渗性能和钢筋的防锈蚀能力，进而提高管片的耐久性。
其三，由于在功能梯度盾构管片的高抗渗保护层与钢筋混凝土保护层之间采用了压印工艺进行界面增强处理，增大了两层同质材料之间的接触面积，提高了两层同质材料之间的机械咬合力，增强了两层同质材料之间收缩性能匹配能力。
本发明功能梯度盾构管片的主要技术参数为根据GBJ82-85，抗渗等级大于P40；根据美国ASTM C1202-97标准，通过电量低于100库仑；根据混凝Cl-土扩散系数快速检测的NEL法，Cl-扩散系数在0.5～1.5×10-13m2/s之间；根据中国CCES 01-2004标准，抗裂等级达到I级；根据美国NFPA 502-2004标准，耐火极限4.0～5.0h。
图1是本发明功能梯度盾构管片的结构示意图。
图2是图1的A部放大图。
图3是本发明功能梯度盾构管片的制备工艺流程图。
具体实施例方式
本发明是一种用于盾构隧道的钢筋混凝土管片，其根据功能梯度材料设计原理，对管片进行功能/结构一体化设计，并且采用两次浇注、一次压印等梯度复合技术制备而成。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，一种功能梯度盾构管片，它由管片外保护层1、钢筋混凝土结构层2和防火抗爆层3构成，管片外保护层1位于钢筋混凝土结构层2的外表面，防火抗爆层3位于钢筋混凝土结构层2的内表面；钢筋混凝土结构层2的厚度为300.0～500.0mm，防火抗爆层3的厚度为10.0～16.0mm；所述的管片外保护层1由高致密防水层4、高抗渗保护层5、钢筋混凝土保护层6构成，高致密防水层4位于高抗渗保护层5的外表面，钢筋混凝土保护层6位于高抗渗保护层5的内表面与钢筋混凝土结构层2的外表面之间；高致密防水层4的厚度为0.01～1.5mm，高抗渗保护层5的厚度为10.0～30.0mm，钢筋混凝土保护层6的厚度为20.0～40.0mm。
所述的高致密防水层4由高效渗透结晶型防水材料制成，高效渗透结晶型防水材料可采用市售的水泥基渗透结晶型防水材料，如市售的DPS防水材料。高效渗透结晶型防水材料能渗入高抗渗保护层内部，与水泥内部的碱类物质反应，形成不溶于水的凝胶体，堵塞空隙和毛细孔通道，形成致密的永久防水层，进一步提高高抗渗保护层的抗渗性能。同时，高致密防水层能减少混凝土表面水份挥发，防止混凝土表面局部干燥或产生裂纹。
所述的高抗渗保护层5由扩散系数小于3.0×10-13m2/s、抗裂等级达到I级、强度等级在C100～C200之间的高性能细集料混凝土制备而成。高性能细集料混凝土主要由水泥、水、强化剂和粒径小于0.63mm的细集料原料混合而成，各原料所占重量份数为水泥1.00份、水0.16～0.22份、强化剂0.40～0.75份、粒径小于0.63mm的细集料1.00～1.40份。
所述的强化剂主要由比表面积大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉、比表面积大于4000cm2/g的高活性微矿粉或粉煤灰、混杂纤维和减缩剂原料混合而成，各原料所占重量份数为比表面积大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉1.00份、比表面积大于4000cm2/g的高活性微矿粉或粉煤灰1.50～3.00份、混杂纤维0.01～0.02份、减缩剂0.08～0.15份。
所述的钢筋混凝土保护层6为强度等级大于C50的高性能混凝土浇注而成。所述的高性能混凝土主要由水泥、粉煤灰、砂、石子、减水剂、水等原料混合而成，各原料所占重量份数为水泥1.00份、粉煤灰(I级)0.20～0.30份、砂1.60～1.90份、粒径4.75～9.5mm的小石子1.00～1.30份、粒径4.75～26.5mm的大石子1.60～2.00、减水剂(萘系)0.01～0.02份、水0.30～0.40份。
所述的钢筋混凝土结构层2主要由钢筋笼、强度等级大于C50的高性能混凝土浇注而成。所述的高性能混凝土的组成与钢筋混凝土保护层6所用的高性能混凝土相同。
所述的防火抗爆层3为隧道防火涂料喷涂而成。
如图3所示，上述一种功能梯度盾构管片的制备方法，它包括如下步骤1)将钢筋笼放入钢筋混凝土管片钢模中使钢筋笼的下表面8距钢筋混凝土管片钢模底20.0～40.0mm；在钢筋混凝土管片钢模中浇注强度等级大于C50的高性能混凝土至钢筋笼上表面20.0～40.0mm，钢筋笼上表面7之上为钢筋混凝土保护层6，然后插捣，形成厚度为300.0～500.0mm的钢筋混凝土结构层2和厚度为20.0～40.0mm的钢筋混凝土保护层6；2)采用压印工艺在钢筋混凝土保护层上进行界面增强处理，且压印模具采用嵌入式折线形界面9，其折线与水平面保持15～65°的夹角(如图2所示)；3)在钢筋混凝土保护层6浇注高性能细集料混凝土至钢筋混凝土管片钢模上表面，然后插捣、收光、抹面，形成厚度为10.0～30.0mm的高抗渗保护层5；蒸养管片，并按养护工艺对管片进行水养护；4)管片水养护完毕后，在高抗渗保护层5外表面喷涂高效渗透结晶型防水材料，形成厚度为0.01～1.5mm的高致密防水层4；管片喷淋养护至规定龄期后，运送至盾构隧道施工现场，用盾构机安装管片；5)管片安装到盾构隧道后，在钢筋混凝土结构层2内表面喷涂隧道防火涂料，形成厚度为10.0～16.0mm的防火抗爆层3。
本发明功能梯度盾构管片的主要技术参数为根据GBJ82-85，抗渗等级大于P40；根据美国ASTM C1202-97标准，通过电量低于100库仑；根据混凝土Cl-扩散系数快速检测的NEL法，Cl-扩散系数在0.5～1.5×10-13m2/s之间；根据中国CCES 01-2004标准，抗裂等级达到I级；根据美国NFPA 502-2004标准，耐火极限4.0～5.0h。
为了对比，采用单层技术设计和制备了普通的钢筋混凝土管片(RCS-0)，其所用材料和厚度如表1和表2。根据本发明设计和制备了由高致密防水层、高抗渗保护层、钢筋混凝土保护层、钢筋混凝土结构层和防火抗爆层等保护层组成的功能梯度盾构管片(FGS-1和FGS-2)，各层所用材料和厚度如表1和表2。其中养护制度均为蒸养11小时后水养护7天，再喷淋养护至28天。具体蒸养制度为静停3小时；升温3小时，升温速率＜15℃；恒温3小时，恒温温度为50℃；降温2小时，降温速率＜15℃。
管片测试包括单块管片的抗渗等级测试；管片岩芯取样后试样的通过电量、Cl-扩散系数、耐火极限测试，并按国际通用的采用Cl-扩散系数来预测钢筋混凝土使用寿命的方法，对管片进行了寿命预测。
从表3管片各项测试指标可以看出，FGS-1和FGS-2的耐火极限均为4.5h，均高于RCS-0的2.0h，满足隧道工程设计标准中耐火极限应不小于4.0h的设计标准；FGS-1和FGS-2的抗渗等级分别为P40和P45，均高于RCS-0的P14；FGS-1和FGS-2的通过电量、Cl-扩散系数均比RCS-0的低几个数量级，其抗渗性能得到了大大地改善。若按国际通用的采用Cl-扩散系数来预测钢筋混凝土使用寿命，则FGS-1和FGS-2的预测使用寿命将分别达到400年和600年以上，远远高于RCS-0的不足60年。
表1管片各层所用材料及其要求
表2管片各层厚度
表3管片各项测试指标
权利要求
1.一种功能梯度盾构管片，其特征在于它由管片外保护层(1)、钢筋混凝土结构层(2)和防火抗爆层(3)构成，管片外保护层(1)位于钢筋混凝土结构层(2)的外表面，防火抗爆层(3)位于钢筋混凝土结构层(2)的内表面；钢筋混凝土结构层(2)的厚度为300.0～500.0mm，防火抗爆层(3)的厚度为10.0～16.0mm；所述的管片外保护层(1)由高致密防水层(4)、高抗渗保护层(5)、钢筋混凝土保护层(6)构成，高致密防水层(4)位于高抗渗保护层(5)的外表面，钢筋混凝土保护层(6)位于高抗渗保护层(5)的内表面与钢筋混凝土结构层(2)的外表面之间；高致密防水层(4)的厚度为0.01～1.5mm，高抗渗保护层(5)的厚度为10.0～30.0mm，钢筋混凝土保护层(6)的厚度为20.0～40.0mm。
2.根据权利要求1所述的一种功能梯度盾构管片，其特征在于所述的高致密防水层(4)由高效渗透结晶型防水材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种功能梯度盾构管片，其特征在于所述的高抗渗保护层(5)由扩散系数小于3.0×10-13m2/s、抗裂等级达到I级、强度等级在C100～C200之间的高性能细集料混凝土制备而成。
4.根据权利要求3所述的一种功能梯度盾构管片，其特征在于高性能细集料混凝土主要由水泥、水、强化剂和粒径小于0.63mm的细集料原料混合而成，各原料所占重量份数为水泥1.00份、水0.16～0.22份、强化剂0.40～0.75份、粒径小于0.63mm的细集料1.00～1.40份。
5.根据权利要求4所述的一种功能梯度盾构管片，其特征在于所述的强化剂主要由比表面积大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉、比表面积大于4000cm2/g的高活性微矿粉或粉煤灰、混杂纤维和减缩剂原料混合而成，各原料所占重量份数为比表面积大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉1.00份、比表面积大于4000cm2/g的高活性微矿粉或粉煤灰1.50～3.00份、混杂纤维0.01～0.02份、减缩剂0.08～0.15份。
6.根据权利要求1所述的一种功能梯度盾构管片，其特征在于所述的钢筋混凝土保护层(6)为强度等级大于C50的高性能混凝土浇注而成。
7.根据权利要求1所述的一种功能梯度盾构管片，其特征在于所述的钢筋混凝土结构层(2)主要由钢筋笼、强度等级大于C50的高性能混凝土浇注而成。
8.根据权利要求1所述的一种功能梯度盾构管片，其特征在于所述的防火抗爆层(3)为隧道防火涂料喷涂而成。
9.如权利要求1所述的一种功能梯度盾构管片的制备方法，其特征在于它包括如下步骤1)将钢筋笼放入钢筋混凝土管片钢模中使钢筋笼的下表面(8)距钢筋混凝土管片钢模底20.0～40.0mm；在钢筋混凝土管片钢模中浇注强度等级大于C50的高性能混凝土至钢筋笼上表面20.0～40.0mm，钢筋笼上表面(7)之上为钢筋混凝土保护层(6)，然后插捣，形成厚度为300.0～500.0mm的钢筋混凝土结构层(2)和厚度为20.0～40.0mm的钢筋混凝土保护层(6)；2)采用压印工艺在钢筋混凝土保护层(6)上进行界面增强处理；3)在钢筋混凝土保护层(6)上浇注高性能细集料混凝土至钢筋混凝土管片钢模上表面，然后插捣、收光、抹面，形成厚度为10.0～30.0mm的高抗渗保护层(5)；蒸养管片，并按养护工艺对管片进行水养护；4)管片水养护完毕后，在高抗渗保护层(5)外表面喷涂高效渗透结晶型防水材料，形成厚度为0.01～1.5mm的高致密防水层(4)；管片喷淋养护至规定龄期后，运送至盾构隧道施工现场，用盾构机安装管片；5)管片安装到盾构隧道后，在钢筋混凝土结构层(2)内表面喷涂隧道防火涂料，形成厚度为10.0～16.0mm的防火抗爆层(3)。
全文摘要
本发明涉及一种用于盾构隧道的钢筋混凝土管片及其制备方法。一种功能梯度盾构管片，其特征在于它由管片外保护层(1)、钢筋混凝土结构层(2)和防火抗爆层(3)构成，管片外保护层(1)位于钢筋混凝土结构层(2)的外表面，防火抗爆层(3)位于钢筋混凝土结构层(2)的内表面；所述的管片外保护层(1)由高致密防水层(4)、高抗渗保护层(5)、钢筋混凝土保护层(6)构成，高致密防水层(4)位于高抗渗保护层(5)的外表面，钢筋混凝土保护层(6)位于高抗渗保护层(5)的内表面与钢筋混凝土结构层(2)的外表面之间。本发明具有高防水、高抗渗、高抗蚀、高抗裂和高抗火性能的特点。
文档编号B28B1/08GK1888393SQ20061001965
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月18日 优先权日2006年7月18日
发明者马保国, 王信刚, 王凯, 高英力, 金宇, 罗忠涛 申请人:武汉理工大学