探討堿—集料反應對噴射混凝土的影響

崔艷軍

(陜西交建公路工程試驗檢測有限公司，陜西西安 710117)

1 工程概況

西商高速田家溝隧道是長隧道，按雙線六車道標準設計，屬大斷面隧道，左右線長度分別為2 310 m和2 230m，凈寬14．5 m，高8．10 m，最大開挖斷面165．9 m2。該隧道總掘進550 m，均處于Ⅴ級圍巖段，上臺階采用雙側壁施工，下臺階開挖馬口跳槽落底。初期支護由 D25型中空注漿錨桿(L=350 cm，縱環向間距75 cm×100 cm)、φ8鋼筋網(間距20 cm ×20 cm)、28 cm 厚噴射混凝土、20b工字鋼(縱向間距75 cm)組成，結合φ42×3．5mm超前小導管(L=4．5m，縱、環向間距3m，0．4m)。施工過程中因地質構造復雜，先后發生較大規模的塌方，采用了地表加固注漿、臨時噴射混凝土封閉、管棚超前支護、塌體注漿、預留核心土分部開挖支護等措施對塌方進行治理，并穿越了山體滾落堆積體，從處理后的監控觀測結果看，地表下沉、初期支護收斂變形均符合設計及規范要求。

2 噴射混凝土作用分析

噴射混凝土是利用泵或高壓風作為動力把拌和好的混合料通過噴射機、輸料管以及噴頭直接射到隧道開挖好的圍巖壁上面，由于噴射力較大，容易造成反彈而下落。為了減少反彈損失，防止噴射混凝土因重力作用所引起的脫落，配制混凝土時加速凝劑可以提高混凝土的初凝、終凝時間，使其在數小時內獲得能夠支持自重和隨掌子面推進的荷載的施工上所需的強度。

噴射混凝土在施工期間是保證施工安全，減少圍巖松弛并支承圍巖，噴層在大面積與圍巖牢固接觸的前提下，控制圍巖不出現有害變形，從而使圍巖卸載。噴射混凝土還通過填平圍巖間的裂隙及表面凹處，使巖塊聯結在一起，提高巖塊之間的粘結力，摩阻力，防止圍巖松動。在噴射混凝土完好覆蓋圍巖表面的情況下，還可以形成防風化和止水的防護層。從力學意義上來講，噴射混凝土還可以分配外力，傳遞徑向應力和切向應力到錨桿、鋼筋網架，使支護結構受力均勻。

3 堿—集料反應及其危害

1)堿—集料反應是混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合后與水中的堿(Na2O或K2O)與骨料中的活性成分反應，經過一個長期的過程，反應生成物吸水膨脹，使混凝土產生內應力，表面不均勻膨脹，產生裂縫。從而大大縮短混凝土建筑物的使用壽命，預防和抑制堿—集料反應是國內外混凝土界研究的重要領域之一。其反應的內外部條件主要有三點:a．混凝土所用的骨料具有活性。b．混凝土中的總堿含量達到一定的數值。c．具有潮濕的環境，有水的存在。

2)產生堿—集料反應的內部條件是水泥中的堿含量和集料中的活性物質。而其外部條件主要是水。對隧道工程中的初期支護C20噴射混凝土而言，正是長期處于地下濕度比較高的環境之下，而且每立方米水泥用量較大，因而產生堿—集料反應的可能性極大。當豐水年份地下浸流發生，地下水較多時，每立方米噴射混凝土中的堿含量將接近3 kg，和泥質石灰質白云石的活性物質就會發生堿—集料反應。所以采取必要的預防措施，步步設防才可減少堿—集料反應的發生。

由于西商高速田家溝隧道地處白云質灰巖、角礫白云巖和白云巖山體中，按照就地取材的原則選用噴射混凝土的原材料，然后查閱相關文獻，得到白云質灰巖等屬于沉積巖的是堿活性集料，用砂漿長度法試驗得不到骨料有潛在堿—硅酸反應(見表1)。

表1 試驗結果

上述的是堿—碳酸鹽反應，屬于堿—集料反應的第三類反應，堿與泥質石灰質白云石發生作用，將白云石中的碳酸鈣鎂轉化為水鎂石Mg(OH)2，水鎂石晶體排列的壓力和粘土吸水膨脹，引起混凝土的內部應力，導致混凝土開裂。與堿—硅酸反應不同的是，堿—碳酸鹽反應繼續產生堿，繼續反復與白云石反應。堿—碳酸鹽反應表現為有白色的碳酸鈣和碳酸鈉析出。外觀表現為混凝土表面出現樹枝狀、網狀裂縫(龜裂)，在集料處膨脹、開裂。盡管這些裂縫并不會使混凝土完全破壞，卻降低了混凝土的設計抗折抗壓強度、降低混凝土的耐久性，縮短了隧道的使用壽命。

3)噴射混凝土中的堿含量標準要求與實例計算。隧道初期支護使用的C20噴射混凝土的配合比的具體數據如下:

第一步:水泥∶砂∶石∶水∶外加劑 =420 kg∶1 027 kg∶840 kg∶189 kg∶16．8 kg。

C20噴射混凝土采用商洛料場所產的碎石和河砂。

C20噴射混凝土采用某化工有限公司的HL-J85粉狀速凝劑，其堿含量為 2．73%，pH=11．98≈12．0，屬堿性。

水泥采用某牌P．O32．5其堿含量為0．52%。

第二步:噴射混凝土含堿量計算公式:

混凝土堿含量=水泥帶入堿量+外加劑帶入堿量+摻和料中有效堿含量。

水泥帶入堿量 =420 kg×0．005 2=2．184 kg。

外加劑帶入的堿量 =16．8 kg×0．002 73=0．458 64 kg。

以上兩項之和得2．643 kg，帶入的總堿量約等于2．7 kg/m3小于3．0 kg/m3(未計第三項摻和料帶入的堿量)。

《混凝土堿含量限值標準》對混凝土中的總堿含量有規定:在重要工程橋梁隧道中應用的混凝土的總堿含量不能超過3 kg/m3。

上述的C20噴射混凝土中的含堿量未超過3 kg/m3。

4)預防堿碳酸鹽反應的思路。從推算噴射混凝土中的兩項堿含量可以看出，水泥中的堿含量占噴射混凝土總堿量的80%以上，而外加劑中的堿含量只占噴射混凝土總堿量的20%以下。因此預防堿—碳酸鹽反應這類堿—集料反應的思路有兩條:a．盡量選用低堿或無堿水泥(水泥的含堿量以當量氧化鈉(Na2O+0．658K2O)計，不得超過0．6%)。減少C20噴射混凝土中的水泥用量，使每立方米混凝土的堿含量不大于3．0 kg。嚴格限制使用高堿外加劑。b．在開挖圍巖時，如發現地下水，應盡可能引入排水溝中，使隧道保持較為干燥的施工和運營環境，切斷造成堿—集料反應的外部條件。

4 結語

堿—集料反應不是一般的含活性SiO2的堿—硅酸鹽反應，而是指堿—碳酸鹽這類堿—集料反應。目前把堿—集料反應稱作混凝土的頑癥，所以無論哪一種堿—集料反應都應引起高度重視。建議C20噴射混凝土的總堿含量控制在每立方米3．0 kg以下。施工中，切實做好防水、排水措施，切斷發生堿骨料反應的外部條件，從而延長隧道的使用壽命。