專利名稱：盾構(gòu)隧道混凝土管片的功能梯度材料界面強(qiáng)化工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)隧道混凝土管片的功能梯度材料界面強(qiáng)化工藝。
背景技術(shù)：
上世紀(jì)60年代以來，盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)逐漸推廣并應(yīng)用了拼裝式鋼筋混凝土管片。鋼筋混凝土管片有一定強(qiáng)度，加工制作比較容易，采用鋼模制作(單塊生產(chǎn))時可保證管片精度(國內(nèi)外都能達(dá)到±0.5mm)，耐腐蝕，造價也低，目前國內(nèi)最為常用。但是在工程應(yīng)用上也存在著許多缺點(diǎn)，如收縮變形大，易開裂，防水及耐久性不好，未考慮抗火性能等。因而對混凝土管片材料的優(yōu)化設(shè)計，提高其工程服役壽命，就顯得尤為重要。
功能梯度材料(Functionally Graded Material，簡稱FGM)是指兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組分，采用先進(jìn)的復(fù)合技術(shù)，使其組分和結(jié)構(gòu)達(dá)到連續(xù)梯度變化，而使內(nèi)部組分間復(fù)合界面消失，緩和材料內(nèi)部的熱應(yīng)力，得到性能呈連續(xù)平穩(wěn)變化的新型非均質(zhì)復(fù)合材料。地下工程隧道管片往往要受到多種破壞因素的交互作用，與大氣環(huán)境下的工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)相比，影響隧道工程耐久性的因素更為復(fù)雜，既有可能來自內(nèi)部空氣環(huán)境，又有可能來自外部土壤環(huán)境的侵蝕性，由于地下水中含有很多侵蝕性介質(zhì)，侵蝕性鹽在混凝土表面的吸附和沉積，使其局部的濃度達(dá)到很高，使得混凝土的局部形成嚴(yán)重侵蝕而導(dǎo)致混凝土的破壞。因此，對隧道混凝土管片材料性能提出了更高的要求，而引入功能梯度材料設(shè)計原理，在隧道管片混凝土中應(yīng)用功能梯度材料，使之達(dá)到外層高防水、高抗?jié)B、高抗蝕，結(jié)構(gòu)層提供強(qiáng)度等多重功能，將會有效地提高混凝土管片的耐久性，延長整體結(jié)構(gòu)的服役壽命。
然而，功能梯度材料的引入，由于不同性質(zhì)的材料組分在物理、化學(xué)等特性上的不同必然會帶來復(fù)合材料界面層性能的突變，即不同性質(zhì)材料組分間界面層的統(tǒng)一性問題。因而如何確保功能梯度材料界面具有較高的整體穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)功能材料界面的梯度變化，建立多元協(xié)同復(fù)合界面就顯得至關(guān)重要，也是目前功能梯度材料應(yīng)用于混凝土材料過程中亟待解決的核心問題。如何確保功能梯度材料界面層的穩(wěn)定性，其中一個重要的技術(shù)指標(biāo)就是界面層的粘結(jié)強(qiáng)度。
將功能梯度材料引入地下隧道混凝土管片的設(shè)計，目前國內(nèi)還未見報道，其功能材料界面過渡區(qū)的強(qiáng)化以及施工工藝等方面的技術(shù)、專利等均存在相當(dāng)?shù)目瞻?，因而通過系統(tǒng)研究，建立我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的功能梯度隧道管片材料設(shè)計理論以及相關(guān)的界面強(qiáng)化技術(shù)是至關(guān)重要和勢在必行的。
21世紀(jì)是地下空間開發(fā)時代。在未來數(shù)十年中，我國越江跨海隧道和城市軌道交通將進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)，其中有很多隧道工程要采用盾構(gòu)工法。在盾構(gòu)隧道中，管片是最重要和最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，管片性能的優(yōu)劣對隧道工程質(zhì)量和服役壽命具有決定性的影響。因此，引入功能梯度材料設(shè)計原理，制備高抗?jié)B、長壽命功能梯度混凝土管片能有效提高盾構(gòu)隧道的服役壽命，而在此關(guān)鍵技術(shù)中，對功能梯度材料界面進(jìn)行有效的強(qiáng)化，使之具有較高的界面粘結(jié)強(qiáng)度將成為該技術(shù)開發(fā)及推廣應(yīng)用的重要組成部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種功能梯度材料界面具有較高的整體穩(wěn)定性的盾構(gòu)隧道混凝土管片的功能梯度材料界面強(qiáng)化工藝，該工藝可以提高盾構(gòu)隧道混凝土管片的耐久性能，進(jìn)而延長盾構(gòu)隧道工程的服役壽命。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是盾構(gòu)隧道混凝土管片的功能梯度材料界面強(qiáng)化工藝，盾構(gòu)隧道混凝土管片的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1與高抗?jié)B保護(hù)層2相接觸面為功能梯度材料界面，其特征在于它包括如下步驟1)在鋼筋混凝土管片鋼模中澆注強(qiáng)度等級大于C50的高性能混凝土形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1；2)進(jìn)行功能梯度材料界面強(qiáng)化處理在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1的上表面壓印出嵌入式折線形界面3，嵌入式折線形界面3的折線與水平面夾角θ為15～65°；3)在嵌入式折線形界面3上采用泵送工藝澆注高性能細(xì)集料混凝土至鋼筋混凝土管片鋼模上表面，形成高抗?jié)B保護(hù)層2。
所述的嵌入式折線形界面3的厚度h1與高抗?jié)B保護(hù)層2的厚度h0之比為0.5～2.0。
所述的在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1的上表面壓印出嵌入式折線形界面3是由第一不銹鋼印模和第二不銹鋼印模分別沿長向和短向在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1的上表面進(jìn)行壓印，形成規(guī)則的網(wǎng)狀凹槽；第一不銹鋼印模、第二不銹鋼印模的折線與水平面夾角15～65°。
第一不銹鋼印模、第二不銹鋼印模的厚度為8～12mm。
本發(fā)明由于引入了嵌入式折線形界面形式，能較好地將管片的高抗?jié)B保護(hù)層2與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1有機(jī)地連成一個整體，表現(xiàn)出如下優(yōu)點(diǎn)(1)充分保證了高抗?jié)B保護(hù)層2與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，相比于普通的層狀光滑界面其粘結(jié)強(qiáng)度提高30～50％。
(2)采用該界面強(qiáng)化形式，可有效地保證不同功能材料在收縮、徐變、溫度作用等非荷載作用效應(yīng)下的協(xié)同性。
(3)由于采用預(yù)制的不銹鋼印模(第一不銹鋼印模、第二不銹鋼印模)進(jìn)行界面強(qiáng)化，簡便、易行，因而并不會帶來更為復(fù)雜的施工工序，基本不影響施工進(jìn)度。
綜上所述，本發(fā)明可以保證功能梯度材料界面具有較高的整體穩(wěn)定性、粘結(jié)強(qiáng)度以及變形協(xié)同性。為實(shí)現(xiàn)功能梯度管片的高抗?jié)B、長壽命要求提供重要的技術(shù)支持，在國內(nèi)外地下工程管片設(shè)計中尚未見報道。


圖1是本發(fā)明盾構(gòu)隧道混凝土管片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的A部放大圖。
圖3是嵌入式折線形界面3放大示意圖。
圖4-a是用于界面強(qiáng)化處理的第一不銹鋼印模結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4-b是用于界面強(qiáng)化處理的第二不銹鋼印模結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是界面強(qiáng)化處理及管片制備工藝流程圖。
圖6是界面粘結(jié)強(qiáng)度測試圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖1、圖2、圖3、圖5所示，盾構(gòu)隧道混凝土管片的功能梯度材料界面強(qiáng)化工藝，盾構(gòu)隧道混凝土管片的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1與高抗?jié)B保護(hù)層2相接觸面為功能梯度材料界面，它包括如下步驟1)在鋼筋混凝土管片鋼模中澆注強(qiáng)度等級大于C50的高性能混凝土至距離鋼模表面15～80mm，然后插搗，形成厚度為420.0～485.0mm的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1；2)進(jìn)行功能梯度材料界面強(qiáng)化處理在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1的上表面壓印出嵌入式折線形界面3，嵌入式折線形界面3的折線與水平面保持15～65°的夾角θ；3)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1上的嵌入式折線形界面3上采用泵送工藝澆注高防水抗?jié)B層混凝土至鋼筋混凝土管片鋼模上表面，然后插搗、收光、抹面，形成厚度為10.0～40.0mm的高抗?jié)B保護(hù)層2；蒸養(yǎng)管片，并按養(yǎng)護(hù)工藝對管片進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)。
上述管片水養(yǎng)護(hù)完畢后，在高抗?jié)B保護(hù)層外表面噴涂高效滲透結(jié)晶型防水材料，形成厚度為0.01～1.5mm的高致密防水層；管片噴淋養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，運(yùn)送至盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場，用盾構(gòu)機(jī)安裝管片；管片安裝到盾構(gòu)隧道后，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1內(nèi)表面噴涂隧道防火涂料，形成厚度為10.0～16.0mm的防火抗爆層，得盾構(gòu)隧道混凝土管片。
所述的嵌入式折線形界面3的厚度h1與高抗?jié)B保護(hù)層2的厚度h0之比為0.5～2.0。
所述的在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1的上表面壓印出嵌入式折線形界面3是由第一不銹鋼印模和第二不銹鋼印模分別沿長向和短向在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1的上表面進(jìn)行壓印，形成規(guī)則的網(wǎng)狀凹槽；第一不銹鋼印模、第二不銹鋼印模的折線與水平面夾角15～65°。
如圖4-a、圖4-b所示，第一不銹鋼印模、第二不銹鋼印模的厚度為8～12mm。
所述的高抗?jié)B保護(hù)層2由擴(kuò)散系數(shù)小于3.0×10-13m2/s、抗裂等級達(dá)到I級、強(qiáng)度等級在C100～C200之間的高性能細(xì)集料混凝土制備而成。高性能細(xì)集料混凝土主要由水泥、水、強(qiáng)化劑和粒徑小于0.63mm的細(xì)集料原料混合而成，各原料所占重量份數(shù)為水泥1.00份、水0.16～0.22份、強(qiáng)化劑0.40～0.75份、粒徑小于0.63mm的細(xì)集料1.00～1.40份。所述的強(qiáng)化劑主要由比表面積大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉、比表面積大于4000cm2/g的高活性微礦粉或粉煤灰、混雜纖維和減縮劑原料混合而成，各原料所占重量份數(shù)為比表面積大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉1.00份、比表面積大于4000cm2/g的高活性微礦粉或粉煤灰1.50～3.00份、混雜纖維0.01～0.02份、減縮劑0.08～0.15份。
所述的強(qiáng)度等級大于C50的高性能混凝土要由水泥、粉煤灰、砂、石子、高效減水劑、水等原料混合而成，各原料所占重量份數(shù)為水泥1.00份、粉煤灰(I級)0.20～0.30份、砂1.60～1.90份、粒徑4.75～9.5mm的小石子1.00～1.30份、粒徑4.75～26.5mm的大石子1.60～2.00、高效減水劑0.01～0.02份、水0.30～0.40份。
高抗?jié)B保護(hù)層2與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1采用嵌入式折線形界面，克服了傳統(tǒng)的平滑層狀界面處理方式，顯著增大了界面過渡區(qū)的接觸面積，以盡可能消除不同功能梯度材料性能間的間斷性，保證其具有優(yōu)異的多元協(xié)同性，并具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，使之在外荷載及自身非荷載作用效應(yīng)(如溫度變形及收縮)下不致產(chǎn)生相對滑移、開裂等，確保整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、穩(wěn)定性。保證了功能梯度材料界面具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，28天界面粘結(jié)強(qiáng)度≥4.2MPa，相比未經(jīng)強(qiáng)化處理的層狀平滑界面，粘結(jié)強(qiáng)度提高30～50％。
通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測試嵌入式折線形界面的粘結(jié)強(qiáng)度，試驗(yàn)方法采用圖6所示進(jìn)行，其在界面處的劈裂抗拉強(qiáng)度即代表了界面的粘結(jié)強(qiáng)度。本發(fā)明所建立的功能梯度材料界面粘結(jié)強(qiáng)度要求不低于4.2MPa。
功能梯度盾構(gòu)管片界面性能測試(1)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1與高抗?jié)B保護(hù)層2的混凝土性能試驗(yàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層1的混凝土由強(qiáng)度等級≥C50的高性能混凝土制備而成，實(shí)測28d抗壓強(qiáng)度65.5MPa；高抗?jié)B保護(hù)層2的混凝土由高強(qiáng)、高抗?jié)B、抗蝕混凝土制備而成。實(shí)測11h抗壓強(qiáng)度56.0MPa，28d抗壓強(qiáng)度158MPa，氯離子擴(kuò)散系數(shù)0.70×10-13m2/s。
(2)粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)采用圖6所示的試驗(yàn)方法測試強(qiáng)化后以及未經(jīng)強(qiáng)化處理的界面層的粘結(jié)強(qiáng)度，界面粘結(jié)強(qiáng)度如表1所示。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)界面強(qiáng)化后，28d粘結(jié)強(qiáng)度相比未經(jīng)強(qiáng)化的界面層提高40.8％。
(2)變形性能研究分別對兩層梯度材料進(jìn)行收縮變形性能實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)層及防水抗?jié)B層混凝土的收縮變形匹配性能良好，在本發(fā)明所述的界面強(qiáng)化設(shè)計中不會發(fā)生界面的開裂及滑移等破壞現(xiàn)象。
附表說明表1管片界面粘結(jié)強(qiáng)度測試。
表2管片不同功能梯度材料的收縮變形。
表1管片界面粘結(jié)強(qiáng)度

表2管片不同功能梯度材料的收縮變形

權(quán)利要求
1.盾構(gòu)隧道混凝土管片的功能梯度材料界面強(qiáng)化工藝，盾構(gòu)隧道混凝土管片的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層(1)與高抗?jié)B保護(hù)層(2)相接觸面為功能梯度材料界面，其特征在于它包括如下步驟1)在鋼筋混凝土管片鋼模中澆注強(qiáng)度等級大于C50的高性能混凝土形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層(1)；2)進(jìn)行功能梯度材料界面強(qiáng)化處理在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層(1)的上表面壓印出嵌入式折線形界面(3)，嵌入式折線形界面(3)的折線與水平面夾角(θ)為15～65°；3)在嵌入式折線形界面(3)上采用泵送工藝澆注高性能細(xì)集料混凝土至鋼筋混凝土管片鋼模上表面，形成高抗?jié)B保護(hù)層(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)隧道混凝土管片的功能梯度材料界面強(qiáng)化工藝，其特征在于所述的嵌入式折線形界面(3)的厚度(h1)與高抗?jié)B保護(hù)層(2)的厚度(h0)之比為0.5～2.0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)隧道混凝土管片的功能梯度材料界面強(qiáng)化工藝，其特征在于所述的在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層(1)的上表面壓印出嵌入式折線形界面(3)是由第一不銹鋼印模和第二不銹鋼印模分別沿長向和短向在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層(1)的上表面進(jìn)行壓印，形成規(guī)則的網(wǎng)狀凹槽；第一不銹鋼印模、第二不銹鋼印模的折線與水平面夾角15～65°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的盾構(gòu)隧道混凝土管片的功能梯度材料界面強(qiáng)化工藝，其特征在于第一不銹鋼印模、第二不銹鋼印模的厚度為8～12mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)隧道混凝土管片的功能梯度材料界面強(qiáng)化工藝。盾構(gòu)隧道混凝土管片的功能梯度材料界面強(qiáng)化工藝，盾構(gòu)隧道混凝土管片的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層(1)與高抗?jié)B保護(hù)層(2)相接觸面為功能梯度材料界面，其特征在于它包括如下步驟1)在鋼筋混凝土管片鋼模中澆注強(qiáng)度等級大于C50的高性能混凝土形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層(1)；2)進(jìn)行功能梯度材料界面強(qiáng)化處理在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層(1)的上表面壓印出嵌入式折線形界面(3)，嵌入式折線形界面(3)的折線與水平面夾角(θ)為15～65°；3)在嵌入式折線形界面(3)上采用泵送工藝澆注高性能細(xì)集料混凝土至鋼筋混凝土管片鋼模上表面，形成高抗?jié)B保護(hù)層(2)。本發(fā)明的功能梯度材料界面具有較高的整體穩(wěn)定性的特點(diǎn)。
文檔編號B28B1/00GK1888394SQ20061001965
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月18日
發(fā)明者馬保國, 高英力, 王信剛, 王凱, 金宇, 羅忠濤 申請人:武漢理工大學(xué)