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地铁盾构管片渗水部位泛白现象的试验研究

摘要:依托某在建地铁工程,通过对管片混凝土、盾构注浆、地下水质、泛白物等进行试验检测和研究,并结合同批次管片拼装后的实际情况,分析了管片渗水处泛白的原因。结果表明,管片渗水部位的泛白是盾构注浆浆体中的Ca(OH)2 随渗水水流进入管片,在管片表面与空气中的 CO2 发生化学反应,产生白色的碳酸钙,而不是管片混凝土自身的泛碱。
0  前言
  目前,地铁工程的建设在我国各大城市如火如荼地进行,截止到 2019 年,我国三十多个城市已经开通或正在建设地铁。 地铁隧道的主要施工方法是盾构施工,而盾构管片是盾构施工的主要预制装配构件,是隧道最内层屏障,承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。 同时,也是盾构法地铁隧道的永久衬砌结构,因此,盾构管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全,影响隧道的防水性及耐久性。
  本文依托某在建地铁工程,通过对管片混凝土原材料及配比、盾构注浆原材料及配比、地下水质以及管片渗水处泛白物质等进行试验检测和研究,并结合同批次混凝土管片现场施工拼装后渗水与不渗水部位附近混凝土的泛白情况对照,分析渗水处泛白的主要原因,并给出了预防措施。
1  管片混凝土原材料及配比
  在施工中发现,盾构管片在注浆孔、拼装缝和管片微小裂缝处出现渗水时,渗水处附近混凝土表面往往有泛白的现象,如图 1 所示。 为了保证混凝土盾构管片的耐久性,有必要对管片渗水部位的泛白现象进行研究, 确认是否是混凝土自身的泛碱,以便采取措施予以改善。
1.1  水泥
  管片混凝土所用水泥为海螺牌 P·Ⅱ52.5,按照GB/T 175—2007《通用硅酸盐水泥》进行检验,试验结果见表 1,其技术指标均满足标准的要求。
1.2  砂
  管片混凝土所用的砂为产自江西赣江的天然砂、中砂,按照 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》进行检测试验,试验结果见表 2。其技术指标均满足标准的要求。其中,含泥量、泥块含量满足配制强度等级为C50 的混凝土的技术要求。
1.3  石子
  管片混凝土所用石为浙江舟山 5~25 mm 连续粒级天然碎石,按照 JGJ 52—2006 进行检验,试验结果见表 3 所示, 其技术指标均满足本标准的要求。 其中,针、片状颗粒含量、含泥量、泥块含量、压碎值均满足配制强度等级为 C50 的混凝土的技术要求。
1.4  粉煤灰
  管片混凝土所用的粉煤灰为南通华锦粉煤灰开发有限公司生产的 F 类Ⅱ级粉煤灰, 按照 GB/T1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》进行试验检测,试验结果见表 4,其技术指标均满足标准的要求。
1.5  水
  管片混凝土所用的水 (包括拌合水和养护水)符合 GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》要求。
1.6  外加剂
  管片混凝土采用南通华联建筑新材料有限公司生产的聚羧酸系高性能标准型减水剂,按照 JG/T223—2017《聚羧酸系高性能减水剂》检验,试验结果见表 5,其技术指标均满足标准要求。
1.7  配合比
  管片混凝土设计要求为:强度等级 C50,抗渗等级 P10,坍落度(50±20) mm,电通量不大于 1 000 C,Cl-迁移系数不大于 2.5×10-12 m2/s,Cl-含量不大于胶凝材料总用量的 0.06%,总碱含量不大于 3.0 kg/m3。
  为防止混凝土泛碱和提升混凝土抗硫酸盐侵蚀性,可用一定量的粉煤灰取代水泥,取代量范围为 15%~45%。 本试验采用的管片混凝土配合比与管片生产配比一致, 以 15%的粉煤灰取代水泥,同时参照文献,对管片混凝土配比进行优化,优化后的配合比见表 6。
  按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》 对混凝土拌合物的性能进行试验;按照 GB/T 50081—2002《混凝土力学性能试验办法标准》对硬化混凝土进行抗压强度试验;按照GB/T 50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对硬化混凝土进行抗水渗透试验(逐级加压法)、 抗 Cl-渗透试验 (RCM 法、 电通量法)。 该配比下管片混凝土拌合物的性能及硬化混凝土性能指标见表 7。
  管片混凝土原材料及相关参数的性能均满足GB/T 22082—2017《预制混凝土衬砌管片》和设计图纸要求。 地铁管片生产项目部以上述给定的配合比,采用上述经检验合格的原材,按照 JC/T 2030—2010 《预制混凝土衬砌管片生产工艺技术规程》中混凝土搅拌、成型、脱模、养护(先蒸汽养护,脱模后水中养护)的要求进行混凝土盾构管片的生产和养护。 养护至规定龄期(28 d)后,将管片在堆场存放。
  管片从堆场运输到工地现场后,在管片拼装面粘贴防水橡胶片和橡胶条。 随着盾构机掘进,管片在隧道中拼装成环,同时,通过注浆孔向管片与土层之间压注浆体。
  连续拼装的 50 多环管片中有几处在拼接缝、注浆孔、微小裂缝处出现渗水。 随着注浆浆体的不断硬化,渗水量逐渐减小,最后停止渗水(渗水过程持续时间一般不会超过 5 d,对于持续渗水部位将会采取封堵措施)。 图 2 为盾构管片拼装后的渗水处附近泛白情况, 而除渗水处附近外,管片表面颜色一致,无潮湿和泛白现象出现。
  通常混凝土表面的白色水垢状的物质是混凝土自身泛碱(也称为起霜、盐析),其本质是混凝土原材料中或水泥水化反应产生的可溶性盐或碱,如Na2SO4、K2SO4、NaOH、KOH、Ca(OH)2 等,溶于混凝土中的水, 通过混凝土内部连通的孔隙到达混凝土表面发生盐析或与空气中的 CO2 反应,在混凝土表面生成白色结晶物质的现象。
  混凝土泛碱有初次泛碱和二次泛碱。 初次泛碱发生在混凝土水化硬化过程中,被拌合水溶解的盐或碱类随混凝土干燥逐渐在其表面析出白色结晶物质的现象,这个过程的泛白一般比较均匀出现在混凝土表面;二次泛碱是由于雨水、地下水等外部水分侵入硬化后的混凝土内部,将溶解的盐或碱带至混凝土表面形成白色结晶物质的现象,这个过程的泛白多以局部出现且不均匀。
  通过泛白部位可以看出,管片在拼装缝、注浆孔及微小裂缝处的渗水,只能导致渗水水流经过部位的潮湿和泛白,渗水处逆水流方向的混凝土既未潮湿也未泛白,说明渗水水流并不是通过毛细孔侵入混凝土后渗出,并未侵入混凝土内部,只是经过拼装缝、注浆孔及裂缝处的混凝土表面流出,不满足混凝土二次泛碱的条件。
  其次,混凝土泛碱产物往往集中在浸泡区与泛碱区交界面附近,呈绒毛状或片状。 本试验中管片渗水处泛白产物是随水流方向单向扩散,形成与渗水水流同方向、同面积扩展的泛白,与混凝土泛碱现象并不一致。 另外,未经渗水流过的管片表面干燥,无潮湿和泛白现象,也表明混凝土管片的抗渗透性能满足要求,地下水并不能侵入混凝土内部并通过毛细孔隙渗出到混凝土表面。 因此,管片在拼接缝、注浆孔和微小裂缝处渗水部位附近发生的混凝土泛白现象不是混凝土二次泛碱。
2  地下水水质
  在该批次盾构管片在地铁隧道中拼装处附近钻孔,采集地下水进行水质的试验分析。 凝土泛白物质主要是 CaCO3、K2SO4、Na2SO4、CaSO4 等盐分的一种或者几种组合。 本试验按 GB 11899—1989《水质硫酸盐的测定重量法》 对地下水质中的 SO42-进行检验。 按 GB/T 14848—2017《地下水质量标准》中的 EDTA 容量法测定 Ca2+含量。 试验结果见表 8。
  管片的渗水来源于地下水和盾构注浆浆体中的水。 由表 8 的试验结果可以看出,管片附近的地下水,其水质满足Ⅱ类地下水的要求,其 Ca2+、SO42-含量较低,即 Ca(OH)2、K2SO4、Na2SO4、CaSO4 总含量较低,难以形成明显的泛白,可初步排除地下水质的原因,而应重点研究盾构注浆浆体。
3  盾构注浆原材及配比
3.1   砂
  砂为产自江西赣江的中砂,按照 GB/T 14684—2011《建设用砂》进行检验,其试验结果见表 9,均满足标准要求。 
3.2  消石灰
  盾构注浆浆体所用的消石灰为苏州市俊宇钙化物有限公司生产的规格为 HCL85 的钙质消石灰粉,按照 JC/T 481—2013《建筑消石灰》进行检验,其试验结果见表 10。
3.3  膨润土
  盾构注浆浆体所用的膨润土为句容康泰膨润土有限公司生产的冶金球团用二级钠基膨润土,按照 GB/T 20973—2007《膨润土》进行检验,其相关指标见表 11。
3.4  粉煤灰
  盾构注浆浆体所用的粉煤灰为 F 类Ⅱ级粉煤灰,按照 GB/T 1596—2017 进行检验,其相关指标见表 12。
3.5  水
  注浆浆体所用水符合 GB 5749—2006 要求。
3.6  配合比
  盾构注浆浆体设计要求为:稠度 100~130 mm,28 d 抗压强度不小于 1.0 MPa。 本文采用的注浆浆体配合比见表 13 所示,参照 JGJ/T 98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》进行试验。
该注浆配合比下的砂浆性能满足设计要求,其指标见表 14 所示。
  盾构注浆原材料中砂、膨润土、粉煤灰、消石灰和拌合水的性能均满足标准要求。 浆体中含有大量的消石灰即 Ca(OH)2,是产生泛白物质(CaCO3)的原料。 因此,需要对混凝土表面的渗水和泛白物质进行试验分析,以研究注浆浆体中的消石灰是否是导致混凝土管片渗水处泛白的原因。
4  渗水和泛白物质
4.1 渗水水样
  在渗水部位用医用消毒棉吸取渗水,用镊子将浸透的消毒棉中水分挤出,用定量滤纸过滤,将过滤后的水样(不少于 100 mL)进行 Ca2+、SO42-含量测定,试验方法参照上述地下水水质试验的方法。 试验结果如表 15 所示。
  对比表 8 和表 15 可知, 渗入管片表面的水中Ca2+含量远大于地下水中 Ca2+含量, 而 SO42-含量变化相对较小。 渗出水中的 Ca2+浓度对应 Ca(OH)2 的浓度约为 1.5 g/100mL,接近于 Ca(OH)2 饱和溶液的溶解度(1.6~1.8g/100mL,10~25 ℃)。 注浆浆体中含有大量消石灰, 消石灰在浆体中以两种形式出现:饱和的 Ca(OH)2 溶液和石灰浆。 由此可见,渗水水源为盾构注浆浆体中的饱和的 Ca(OH)2 溶液或混有地下水的 Ca(OH)2 溶液。
4.2  泛白物质
  用刀片和毛刷,轻轻刮取管片表面的泛白物质(约 2 g,尽量避免引入杂质),在 100 ℃下烘干,称量泛白物质的质量。 然后用蒸馏水浸泡、清洗,用定量滤纸过滤。
  取滤液, 按照 GB 11899—1989 对滤液的 SO42-含量进行检验,并换算成质量百分比。 在 100℃下烘干泛白物质,用研钵研磨,然后在 925 ℃(碳酸钙分解温度为 825~925 ℃)的马弗炉中灼烧 1 h,取出放在干燥 器内冷却至室温后按照 JC/T 478.2—2013《建筑石灰试验方法 第 2 部分:化学分析方法》进行试验,测定氧化钙的含量,其结果见表 16。
  由表 16 可知, 灼烧后的泛白物质主要成分为CaO,故灼烧前的泛白物质应为 CaCO3,其产生原因主要与盾构注浆浆体中的 Ca(OH)2 有关。 在管片出现渗水时,浆体中的 Ca(OH)2 溶液将会渗出到管片表面,与空气中的 CO2 反应生成白色 CaCO3。
  浆体中的 Ca(OH)2 反应缓慢,短时间内难以完全消耗尽。 如果地下水位高,或者管片附近土体含水量大,水分混入注浆材料后,将会继续通过管片拼装缝、注浆孔和细微裂缝向管片内部渗透,同时将注浆体中的 Ca(OH)2 带到管片表面,继续形成 CaCO3。
  当渗水较大,形成水流时,Ca(OH)2 随水流方向单向扩散,在管片表面形成与渗水水流同方向、同面积扩展的白色 CaCO3。 这种泛白不是混凝土自身原因导致的,不属于混凝土泛碱。
5  结论
 (1)混凝土原材料及配合比均符合要求的情况下,盾构管片渗水处附近泛白,是盾构注浆浆体中的 Ca(OH)2 随渗水水流进入管片,在管片表面与空气中的 CO2 发生化学反应产生的 CaCO3。 这种泛白不是混凝土自身原因引起的。
 (2)盾构管片渗水,因注浆浆体中的 Ca(OH)2 导致管片渗水处附近泛白时,泛白物质的分布特征是与渗水水流同方向、同面积分布,这与混凝土泛碱物质的分布不同。 其泛白物质的分布特征,可 作为工程经验用于管片泛白原因分析。
 (3)为改善或避免因渗水导致的泛白,应加强管片拼装的精确性、拼装缝的严密性,严格注浆工序要求, 确保注浆充分填充管片与土层的间隙,同时改善注浆浆体的配比,而不是一昧地调换混凝土原材或优化管片混凝土配比。 

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