高性能混凝土在公路隧道工程中應用的探討

張雙茁 趙彥缽

(河北省交通規劃設計研究院橋隧處，河北石家莊 050011)

普通混凝土是目前土木工程界用量最多的人造材料，其本身具有原料豐富，成本低廉、操作簡便、耐久性較好等優點，為現代人類文明做出了巨大貢獻。但是，普通混凝土結構也暴露出了一系列問題，尤其在耐久性方面問題較為突出，相關資料顯示，在正常使用情況下，普通混凝土的使用期限為50年，而在極端情況下經10年～20年混凝土主體結構就會遭到較大破壞，輕則需補強、修理，重則需重建。

在山區公路中，隧道一般是重要結構物，甚至為控制性工程。其工程規模大，施工期長，一旦遭到破壞，對公路正常運營影響巨大，因此現行規范要求二級以上公路隧道的主要結構的設計基準期為100年，同時對防水等級等指標都有嚴格規定。然而，隧道施工及運營期間水文地質條件、圍巖蠕變、周邊圍巖應力場復雜多變，同時特殊地區還存在凍融、氯化物、化學腐蝕等不良環境作用。采用普通混凝土往往難以滿足規范要求，尤其是在地下水、凍融作用明顯的隧道內更為明顯。

下面結合影響公路隧道耐久性及運營安全的幾個方面對采用高性能混凝土的意義進行簡要介紹。

1 高性能混凝土簡介

高性能混凝土(High Performance Concrete，簡稱HPC)的概念是20世紀90年代由美國首先提出的，其基本要求是混凝土應具有良好的耐久性、工作性和強度。國內工程界較為普遍的觀點認為:高性能混凝土不是單純追求高強度，其應具備高施工性、高抗滲性、高體積穩定性(硬化過程中不開裂，收縮徐變小)、較高強度(C30級以上)，并保持其強度持續增長，最終獲得高耐久性能(耐久性提高至200年以上)。

2 高性能混凝土對主體結構安全的影響

新奧法是當今公路隧道結構設計中的主流方法，其精髓就是要求充分發揮圍巖的自承能力，初期支護采用柔性結構，允許結構有適當變形，同時根據現場監控量測結果確定二次襯砌施作時機，根據不同的情況，二次襯砌分別作為安全儲備、承載結構和特殊承載結構進行設計。二次襯砌彎矩圖見圖1。

圖1 二次襯砌彎矩圖

通過添加適當外加劑制成的高性能混凝土與普通混凝土相比，大大改善了混凝土的微觀結構，從而使得混凝土后期強度持續增長更快，這對作為特殊承載結構的二襯就顯得尤為重要。由于隧址區水文地質條件復雜，隧道在受到地震力、膨脹性圍巖持續膨脹壓力、受地下水影響圍巖松散壓力增大、山體后期變形等不利工況時，由于其良好的強度增長性能，也可提高隧道主體結構的安全儲備，為隧道正常運營提供一定的保障。震后二襯開裂見圖2。

3 高性能混凝土對隧道防水及凍脹的影響

混凝土的抗滲性和抗凍性是衡量其耐久性的重要指標，而抗滲性是混凝土耐久性的第一道防線，公路隧道內機電設備繁多，主體結構要求不低于二級防水，結構表面不允許漏水。而國內隧道公路隧道普遍存在滲漏水問題，其中有一部分是混凝土抗滲性能較低所致。隧道漏水結冰見圖3。混凝土的滲透性取決于結構中大孔及毛細孔所占體積及分布狀況，當混凝土的水膠比大于0.4時，水泥石中除了凝膠水外，還存在毛細水，毛細管是水擴散和滲漏的通道。高性能混凝土的水膠比在0.38以下時，其連續的毛細孔可以盡早得到封閉;另外高性能混凝土中微集料與骨料周邊水化Ca(OH)2作用，改善了界面結構以及水泥石結構，極好的提高了混凝土的抗滲性，并有資料顯示，當水膠比在0.38以下時，高性能混凝土的抗滲系數比花崗巖滲透系數要低很多，比不上不透水。

圖2 震后二襯開裂

圖3 隧道漏水結冰

在抗凍脹方面，高性能混凝土也有很大優勢。眾所周知，對要求抗凍的普通混凝土必須加引氣劑，而高性能混凝土抗滲性能好，孔徑小且分布均勻。當孔徑小于5 μm～10 μm的微孔其冰點很低，很小凝膠孔的水冰點最低可達－70℃。由于高性能混凝土孔結構和界面結構得到改善，使水不易滲入其內部，因此抗凍性較普通混凝土有很大提高。

4 高性能混凝土對瓦斯及有害氣體地層隧道的影響

隧道穿越煤層時常常伴隨有瓦斯等有毒氣體外溢，瓦斯內含有甲烷、硫化氫、二氧化氮、二氧化硫、氨氣、氫氣等多種有害氣體。在一、二級瓦斯地段，初期支護及二次襯砌均應采用帶仰拱的全封閉設計斷面來封堵氣體，同時襯砌結構還應采取防瓦斯措施以防止瓦斯侵入隧道凈空內。規范要求模筑混凝土的透氣系數不應小于10－11cm/s，采用普通混凝土很難滿足上述要求，而高性能混凝土以其優異的抗滲性能可以更好地對有害氣體進行封堵。

5 結語

高性能混凝土的應用不僅是為了滿足公路隧道耐久性及運營安全的要求，也是堅持可持續發展，節約天然資源、降低勞力成本、減少建筑垃圾、保護自然環境的需要。由于高性能混凝土大量采用了粉煤灰等礦物摻合料，既改善了混凝土性能又利用了工業廢料，并減少了水泥生產能耗和二氧化碳排放，形成良性生產循環，符合我國節能減排的基本國策，也必將為人類文明發展做出不可估量的貢獻。

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