盾構隧道鋼筋混凝土管片色差影響因素分析

田安然

(中鐵十四局集團房橋有限公司,北京 102400)

隨著盾構隧道施工的高速發展,襯砌管片在保證尺寸精度、基本性能的同時,其外觀顏色的一致性越來越受到重視。管片的表觀色澤直接影響了隧道成型后的觀感,做好盾構隧道鋼筋混凝土管片的色差控制是施工管理的一個重要方面。目前針對管片色差的影響因素,大多從原材料、配合比、施工工藝等角度粗略分析,未系統的、根本性的揭示相關因素對管片色差的影響規律。且研究期間對于盾構管片色差一般依靠人工肉眼判斷,少數輔以標準色卡對比。該方法嚴重依賴觀察人員的個人標準和經驗,缺乏客觀性。不同管片之間的顏色差異僅能用顏色深淺等定性描述,難以準確量化表示。

針對以上情況,筆者依據色差形成機理,利用圖像采集+視覺識別分析技術,將混凝土顏色量化,通過試驗分析了水泥化學成分、粉煤灰燒失量、粗骨料含泥量、坍落度及養護溫度對色差的影響,制定了色差控制措施,為管片色差控制提供了參考。

1 管片色差形成機理

混凝土從本質上來說,是一種成分極其復雜的多相多孔體系。水泥的本色會構成管片的基色。水泥經水化反應會生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸三鈣、水化硫鋁酸鈣、硅酸三鈣、硅酸二鈣等水化產物。不同水化產物的微觀形貌特點有很大差異,且對原始孔隙的填充程度不同,最終混凝土形成不同的毛細孔。光通過若干毛細孔在各種水化產物、粗細骨料以及混凝土中的泥、雜質等物質表面不斷散射、反射,最終表現為有差異的混凝土顏色。

根據對相關文獻的研讀以及對水化反應過程的分析,發現管片色差的形成可能與水泥化學成分、粉煤灰燒失量、混凝土坍落度、粗骨料含泥量、蒸汽養護溫度有關。

1)水泥中鐵通常都是以鐵鋁酸鈣的形式存在,鐵鋁酸四鈣又稱鈣鐵石,是鐵鋁酸鹽礦物固溶體系列之一,化學式4CaO·Al2O3·Fe2O3(簡寫為C4AF)。光學常數:ng=2.04(Li),nm=2.01,np=1.96,ng-np=0.08,(-)2V=75°,有明顯多色性、np為棕黃、ng為棕色。Fe2O3和MgO能形成橄欖石(Mg·Fe)[SO4]固溶體,并且橄欖石的結構隨Mg2+,Fe3+離子濃度的不同發生變化,從而引起顏色差異[1]。因此,水泥中氧化鐵含量越高,形成的有色橄欖石越多,管片顏色越深。

2)粉煤灰是在燃燒煤電廠煙囪中收集的灰塵,再從高溫到低溫,溫度急劇下降的過程中形成的大量表面光滑的球狀玻璃體。粉煤灰的燒失量是表征粉煤灰中未燃燒完全的有機物包括炭粒的數量的指標。燒失量越大,表明未燃盡炭分越多,顏色越深。

3)混凝土在振搗和攪拌過程中除水泥水化外,水與空氣形成極小的氣泡,在混凝土養護時這些小氣泡隨之蒸發而留下許多微孔形的凹穴。混凝土坍落度越大,混凝土的單位體積用水量就越大,自由水相對越多。光射到物體上時,有色的不透明物體反射與它顏色相同的色光,呈現出顏色。凹穴越多越大,使入射光更多的發生散射,通過混凝土的光的強度減弱,反射色減弱從而使混凝土色調變淺。

4)粗骨料中含泥量偏大,潤濕這些石粉顆粒和黏土顆粒需要占用一定量的水,導致混凝土中膠凝材料的用水量相對降低,從而減小了坍落度。自由水少,水分蒸發形成的凹穴小而少,光的反射更多,管片顏色發深。

5)張高展等研究表明,養護溫度的提高大幅提升了C-S-H凝膠的聚合度,降低了Ca/Si比,改善了細觀力學性能,并使其形貌由絮狀或顆粒狀轉變為蜂窩狀或網狀。同時,促進輔助膠凝材料發生火山灰反應,消耗更多Ca(OH)2晶體(CH),生成C-S-H凝膠或托勃莫來石[2]。C-S-H凝膠色白、疏松,其聚合度的提高和量的增加會表現出混凝土顏色變淺的特征。此外,物體溫度越高,吸收的光越少,對光的反射能力越強,本色越淺,亮度越大。因此養護溫度升高會使得管片顏色變淺。

2 試驗論證

依據混凝土色差形成的機理,為對以上管片色差的影響因素進行驗證,筆者進行了系列實驗。

2.1 水泥化學成分

針對水泥中不同化學成分含量對管片顏色的影響,特選取了三個顏色差異較大的不同廠家水泥作為樣品,委托第三方進行了化學成分分析,比較水泥中的氧化鐵、游離氧化鈣、氧化鎂含量。分別利用三種水泥制作試件對比不同水泥生產的管片顏色差異。使用相機對水泥樣品及試件進行拍攝,并利用圖像處理軟件對拍攝圖片進行顏色取樣分析,確定其RGB顏色數值,依據公式Gray=0.229×R+0.587×G+0.114×B將轉化為灰度值,利用圖片的灰度值量化表示其顏色[3]。實驗情況如圖1,表1所示。

表1 水泥化學成分對色差影響分析表

根據水泥中不同成分含量與試件顏色灰度值相關數據,運用軟件數據分析功能對上述相關數據進行擬合,得出試件顏色隨水泥中不同成分含量變化的回歸曲線及回歸方程。水泥化學成分對試件顏色影響線性擬合圖見圖2—圖4,數據擬合分析見表2—表4。

表2 回歸統計表

表3 方差分析表

表4 回歸參數表

從回歸分析結果可以看出,R2與調整R2均大于50%,說明數據與模型擬合程度良好;回歸方程F檢驗、P均小于0.05,說明回歸方程顯著,自變量能夠顯著影響因變量;Adjusted R Square為0.599 299 082,說明自變量能夠說明因變量的59.93%。三個變量中氧化鐵的顯著性水平P<0.001,說明其對試件顏色的影響較大,游離氧化鈣和氧化鎂對試件顏色無明顯影響規律,可以忽略?？梢缘贸鲅趸F含量越高,構件顏色越深[4]。

2.2 粉煤灰燒失量

針對粉煤灰燒失量對混凝土表面顏色的影響,選取了四個不同廠家的粉煤灰進行取樣,并分別制作試件,拍照后使用圖像軟件進行顏色取樣分析,確定其RGB顏色數值,結合公式將轉化為灰度值,進行顏色分析(見圖5,表5)。

根據粉煤灰燒失量與試件顏色灰度值相關數據,運用軟件數據分析功能對上述相關數據進行擬合,得出試件顏色隨粉煤灰燒失量變化的回歸曲線及回歸方程(見圖6)。

表5 粉煤灰燒失量對預制試件顏色影響分析表

從回歸分析結果可以看出,R2(0.602 786 613)與調整R2(0.536 584 382)均大于50%,說明數據與模型擬合程度良好;回歸方程F檢驗(0.023 472 941)、P(0.023)均小于0.05,說明回歸方程顯著,自變量能夠顯著影響因變量,即粉煤灰燒失量對試件顏色有較大影響。燒失量越大,構件顏色越深[5]。

2.3 混凝土坍落度

針對混凝土的坍落度對管片顏色的影響開展實驗研究,通過使用相同原材料制作試件,控制其他影響因素一致,對比不同坍落度下的管片顏色差異,確定其對管片顏色的影響。坍落度試件效果圖見圖7。

利用圖像軟件進行顏色取樣分析,確定其RGB顏色數值,通過公式將轉化為灰度值,作為顏色分析(見表6)。

通過照片比對及灰度值分析可以得出,隨著坍落度的升高,混凝土顏色由深變淺。

2.4 粗骨料含泥量

粗骨料含泥量是指卵石、碎石中粒徑小于75 μm的顆粒含量。管片中要求含泥量不大于0.5%。針對粗骨料含泥量對于管片顏色的影響開展實驗研究。采用單一變量法,使用除粗骨料外其他相同原材料制作試件,對比不同含泥量的粗骨料生產的試件顏色差異,確定其對管片顏色的影響。粗骨料含泥量試件效果圖見圖8。

表6 混凝土坍落度對試件顏色分析表

利用圖像軟件進行顏色取樣分析,確定其RGB顏色數值,通過公式將轉化為灰度值,作為顏色分析(見表7)。

表7 粗骨料含泥量對試件顏色分析表

通過照片比對及灰度值分析,可以看出含泥量升高,混凝土顏色深。

2.5 蒸汽養護溫度

管片的養護溫度不同,直接影響管片的水化反應進程和水化產物的生成,間接影響管片的顏色。通過使用相同的原材料制作板件,在不同蒸養溫度下進行養護,分析養護溫度對于混凝土顏色的影響[6]。養護溫度效果圖見圖9。

利用圖像軟件進行顏色取樣分析,確定其RGB顏色數值,通過公式將轉化為灰度值,作為顏色分析(見表8)。

結合目視觀感比較和圖像數據分析可以看出,隨著養護溫度的升高,混凝土顏色變淺。

表8 蒸汽養護溫度對試件顏色分析表

3 盾構隧道鋼筋混凝土管片色差控制措施

依據前文對管片色差影響因素的實驗及分析,針對顏色影響較大的幾個因素制定了相關控制措施。

1)針對水泥氧化鐵含量、粉煤灰燒失量、粗骨料含泥量對色差的影響,嚴格把控進場原材料質量。

水泥、粉煤灰每車原材料進場后采取對比留樣方式,進行留樣,放置于拌合站適當位置,由試驗室對來料進行顏色比對,合格后方可卸車,對顏色差異較大的原材料堅決進行退場處理,并做好記錄。對粉煤灰燒失量、粗骨料含泥量兩個進場檢驗項目加強控制,控制相鄰兩批次進場原材料指標差異幅度。

2)針對混凝土坍落度:增加現場管控試驗人員數量,加大坍落度檢驗頻次,嚴格控制施工過程混凝土的水灰比,保持坍落度浮動在20 mm內。

3)針對管片養護溫度:嚴格控制混凝土的養護溫度,升溫速度不得超過15 ℃/h,恒溫溫度控制在45 ℃以內,在生產條件允許的情況下,通過降低恒溫養護溫度,延長恒溫養護時間的手段提高混凝土拆模強度。避免短期內頻繁、大幅調整養護溫度,在確保養護效果的基礎上避免養護溫度大幅度變化。

通過采取上述色差控制措施,經過一段時期的施工驗證,施工要素趨于穩定,管片外觀顏色較以前差異減小,觀感一致性得到提升。

4 結論

1)水泥氧化鐵含量越高,管片顏色越深;粉煤灰燒失量越大,管片顏色越深;粗骨料含泥量越大,管片顏色越深;隨著坍落度的升高,管片顏色由深變淺;養護溫度升高,管片顏色變淺。

2)通過采取相關施工控制措施,從水泥、粉煤灰燒失量、粗骨料含泥量、坍落度及養護溫度幾個方面入手,控制施工要素趨于穩定,管片色差情況得以改善。管片色差的影響因素判斷準確,控制措施有效。

3)實際施工中,往往是多種因素綜合作用造成了管片表觀顏色差異。除水泥氧化鐵含量、粉煤灰燒失量、粗骨料含泥量、坍落度及養護溫度幾個主要因素外,還可能存在其他影響色差的原因,有待今后進一步探索研究。