隧道襯砌高性能混凝土性能試驗(yàn)研究

李 鵬

（中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司 天津 300308）

隧道襯砌高性能混凝土性能試驗(yàn)研究

李 鵬

（中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司 天津 300308）

混凝土作為最大宗的建筑材料，已不能單純從力學(xué)性能指標(biāo)來(lái)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文主要以礦渣粉、粉煤灰、石膏及纖維素為外摻料，在使用聚羧酸高效減水劑的情況下，除纖維素直接外摻外，其他摻合料等量取代相應(yīng)比例的水泥，研究單摻和復(fù)摻礦物摻合料對(duì)混凝土的力學(xué)和耐久性等各方面的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明礦渣粉、粉煤灰的摻入可以滿足膠凝材料及混凝土的基本物理力學(xué)性能，并改善了耐久性，其抗凍性較差，寒區(qū)隧道中慎用。

隧道 襯砌 高性能 混凝土 膠凝材

1 引言

目前，我國(guó)山嶺隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)混凝土膠凝材以普通硅酸鹽水泥為主，部分采用單摻粉煤灰，而采用雙摻或多摻礦物摻合料的膠凝材很少，由于膠凝材成分單一、級(jí)配差，加之品質(zhì)不高，密實(shí)性差，導(dǎo)致混凝土抗碳化、溶蝕能力差，耐久性不足。

采用“多摻”混凝土可以較好的解決隧道結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題。所謂“多摻”混凝土就是摻入礦物摻合料和高效減水劑以及纖維等混凝土。其中，礦物摻合料包含礦渣、粉煤灰等。混凝土中的膠凝材可以采用單摻、雙摻或多摻礦物摻合料的方式，采用這種方式可以降低混凝土凝結(jié)硬化時(shí)的水化熱，減少混凝土的初裂，提高混凝土的密實(shí)度和耐久性。

基于以上思路，通過(guò)配制大量不同比例礦物摻合料的混凝土，然后通過(guò)混凝土力學(xué)和耐久性能試驗(yàn)，找到適合不同隧道環(huán)境的混凝土配方，為隧道結(jié)構(gòu)體系耐久性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 原材料選擇

（1）水泥：遼寧大連小野田水泥廠生產(chǎn)的PO42.4普通硅酸鹽水泥，3d抗壓強(qiáng)度33.6MPa，28d抗壓強(qiáng)度56.4MPa，初凝160min，終凝210min。

（2）粉煤灰：采用遼寧本溪電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，比表面積500m2/kg，需水量比0.96，燒失量2.4%，SO3含量0.54%。

（3）礦粉：采用遼寧本溪鋼鐵廠S95礦粉，比表面積450m2/kg，7d活性指數(shù)79%、28d活性指數(shù)111%，需水量比0.98、燒失量0.57%、SO3含量2.69%。

（4）細(xì)骨料：選用Ⅱ區(qū)中粗砂，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量1.80%，表觀密度2630kg/m3，堆積密度1281kg/m3，空隙率40%。

（5）粗骨料：采用連續(xù)級(jí)河卵石作為粗骨料，含泥量0.50%，壓碎指標(biāo)4.70%，針、片狀顆粒含量6.10%，表觀密度2616kg/m3，堆積密度1560kg/m3，空隙率41%，吸水率1.3%。

（6）拌合水和減水劑：拌合水為潔凈自來(lái)水；本試驗(yàn)分別選用北方牌洪盟高性能聚羧酸減水劑，減水率為30%。

3 配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)采用重量法，將拌制好的混凝土采用塌落度儀進(jìn)行塌落度測(cè)試，塌落度滿足設(shè)定的混凝土坍落度范圍（20±2cm），根據(jù)塌落度值調(diào)整膠凝材用量和砂率使混凝土達(dá)到適宜的工作性能，最終確定基準(zhǔn)配合比為：膠凝材料380kg、水膠比0.40、砂率42%、減水劑1.2%、容重取為2400 kg/m3，每立方混凝土膠凝材用量及和易性如表1所示。

表1 每立方混凝土膠凝材用量及和易性

由表1中各配方混凝土和易性測(cè)試結(jié)果可知，單摻礦粉混凝土坍落度較基準(zhǔn)混凝土小，而單摻粉煤灰的混凝土、復(fù)摻礦物摻合料的混凝土坍落度均較基準(zhǔn)混凝土大。這是因?yàn)閺姆垠w顆粒形貌而言，水泥、礦粉多為不規(guī)則且表面粗糙的顆粒，粉煤灰為表面光滑的球狀玻璃體顆粒，微米級(jí)脫硫石膏顆粒形態(tài)近似于球狀玻璃微珠。因此，礦粉摻入混凝土中可能會(huì)降低新拌混凝土的流動(dòng)性，脫硫石膏超細(xì)顆粒和粉煤灰細(xì)顆粒填充在水泥顆粒之間起到一定的潤(rùn)滑作用，故礦粉、粉煤灰和脫硫石膏的復(fù)合可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，增強(qiáng)混凝土的流動(dòng)性。

4 力學(xué)性能試驗(yàn)

混凝土力學(xué)性能是表征混凝土承載能力的大小，是混凝土性能重要指標(biāo)之一。混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)有：抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)等，本論文對(duì)各配比混凝土試件分別進(jìn)行了3d、7d、28d的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表2可得如下結(jié)論：

（1）在相同的摻和比例下，單摻粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度低于單摻礦粉的，但其后期強(qiáng)度高于單摻礦粉混凝土。單摻粉煤灰30%和單摻礦粉30%混凝土除3d強(qiáng)度略低意外，后期強(qiáng)度均表現(xiàn)良好，但隨著摻量增大各齡期的強(qiáng)度均會(huì)降低。

（2）隨著摻入礦物摻合料比例不同，強(qiáng)度略有波動(dòng)，但變化不大，S40F10配方混凝土各齡期強(qiáng)度均有較大優(yōu)勢(shì)。

（3）同配比情況下，摻加纖維素后，各齡期的抗壓強(qiáng)度均有提高，而摻入石膏后，各齡期的抗壓強(qiáng)度略有下降。

圖1 各種配方混凝土電通量變化

5 耐久性能試驗(yàn)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性是混凝土在環(huán)境作用下，抵抗地下水侵蝕及化學(xué)腐蝕、碳化或凍融它破壞過(guò)程的能力，耐久性好的混凝土在設(shè)計(jì)壽命期限內(nèi)能保持自身的形態(tài)質(zhì)量和使用功能。解決混凝土的耐久性歸根結(jié)底就是要提高混凝土的密實(shí)度。

5.1 電通量試驗(yàn)

評(píng)價(jià)混凝土密實(shí)度的主要指標(biāo)是抗?jié)B透性和電通量，電通量的大小直接表征混凝土CL–滲透能力，模筑混凝土電通量測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，除基準(zhǔn)混凝土CL–滲透能力低以外，其余配比混凝土的CL–滲透能力均很低，S40F10G5配比混凝土電通量最低僅為462庫(kù)侖。說(shuō)明純水泥混凝土由于水化熱較高，混凝土內(nèi)部氣孔較多，密實(shí)度較差，摻入礦物摻合料后混凝土密實(shí)性得到提高，特別是復(fù)摻礦粉、粉煤灰和石膏混凝土密實(shí)度最高。

5.2 快速凍融試驗(yàn)

混凝土的抗凍性是表示其抵抗凍融循環(huán)作用的能力，是評(píng)價(jià)寒區(qū)隧道混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)之一。由于動(dòng)彈模量是非破損測(cè)試方法，能敏感的反映混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷。所以在混凝土試件經(jīng)過(guò)若干次的凍融循環(huán)后，測(cè)定其動(dòng)彈模量變化，根據(jù)相對(duì)動(dòng)彈模值來(lái)評(píng)價(jià)混凝土抗凍性，以抗凍性指數(shù)F表示。本文采用超聲波縱波速度來(lái)計(jì)算出混凝土結(jié)構(gòu)的相對(duì)動(dòng)彈性模量，當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈性模量值低于60%時(shí)，凍融試驗(yàn)結(jié)束，此時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)就是抗凍性指數(shù)。混凝土凍融試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 襯砌混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，基準(zhǔn)混凝土抗凍性最好，摻入礦物摻合料后混凝土的抗凍性會(huì)降低，且隨著摻入種類和量的增多混凝土抗凍性呈下降趨勢(shì)。造成復(fù)合膠凝混凝土抗凍性下降的原因有：其一由于膠凝材各組分材料脹縮系數(shù)不同所致；其二摻入礦物摻合料后混凝土內(nèi)部孔隙減少，水泥石微觀結(jié)構(gòu)得到改善，滲透系數(shù)降低，在凍融條件下混凝土內(nèi)部水分遷移困難，水泥石承受凍脹壓力增大，加劇了混凝土的破壞。

隨著礦物摻合料的增多混凝土的抗凍性下降，因此在寒區(qū)隧道二襯混凝土應(yīng)慎用復(fù)摻礦物摻合料，若需使用建議在混凝土中摻入適量的引氣劑。

6 結(jié)論

通過(guò)隧道襯砌混凝土力學(xué)和耐久性能試驗(yàn)，可以得出以下主要結(jié)論：

（1）單摻、雙摻或復(fù)摻礦物摻合料混凝土早期強(qiáng)度均比基準(zhǔn)混凝土要低，但28d以后抗壓強(qiáng)度和密實(shí)度較基準(zhǔn)混凝土要高，這是因?yàn)榈V物摻合料的活性效應(yīng)在水化的后期才逐漸發(fā)揮出來(lái)，減少了水泥石中Ca（OH）2的含量，生成了大量的C-S-H，同時(shí)礦物摻合料填充水泥石中的孔隙，提高了混凝土的密實(shí)度，降低了孔隙率，使混凝土獲得較高的強(qiáng)度。

（2）單摻、雙摻或復(fù)摻礦物摻合料混凝土電通量均比基準(zhǔn)混凝土要低，S40F10G5配比混凝土電通量最低僅為462庫(kù)侖。說(shuō)明摻入礦物摻合料后混凝土密實(shí)性得到提高，特別是復(fù)摻礦粉、粉煤灰和石膏混凝土密實(shí)度最高。

（3）基準(zhǔn)混凝土抗凍性最好，摻入礦物摻合料后混凝土的抗凍性會(huì)降低，且隨著摻入種類和量的增多混凝土抗凍性呈下降趨勢(shì)。

（4）摻加UF500纖維素可以有效提高混凝土的力學(xué)性能，加入石膏可以顯著降低混凝土的電通量，提高混凝土密實(shí)性，但早期強(qiáng)度偏低。

（5）合理的養(yǎng)生方式對(duì)改善混凝土性能非常有利，施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)隧道內(nèi)的溫濕度，合理確定養(yǎng)生方式和時(shí)間。

通過(guò)以上大量不同混凝土配合比試驗(yàn)，我們可以看到，采用單摻或雙摻礦物摻合料，能夠達(dá)到預(yù)期目的，提高混凝土的性能，降低了經(jīng)濟(jì)性，說(shuō)明“雞尾酒”療法是切實(shí)可行的。但是，上述混凝土的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的還是有一定得離散性，要最終確定出符合耐久性和經(jīng)濟(jì)性的最佳配合比，還需要進(jìn)一步的研究。

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Experimental Research of High Performance Concrete Properties in Tunnel Lining

LI Peng

(Construction and Installation Engineering Co., Ltd of China Railway 18th Bureau Group Tianjin 300308 China)

As the most widely used building materials, concrete shouldn’t be evaluated just from its mechanical properties. The experiment used granulated blast furnace slag (GGBFS), fly ash (FA), gypsum and cellulose as mineral admixtures, and with the condition of using polycarboxylate superplasticizer, all the admixtures except cellulose were used to replace cements in the same rate. The mechanical and durability performance of concretes when only mixed with one kind of admixture or mixed with several kinds of admixtures was studied. The results of the experiment show that the use of fly ash (FA) and granulated blast furnace slag (GGBFS) can meet the basic physical and mechanical properties of the cementing materials and the concrete and improve their durability. But it is risky to use this kind of concrete in tunnels of the cold region as it has poor frost resistance.

tunnel lining high performance concrete cementing material

A

1673-1816(2017)03-0001-05

2016-06-18

李鵬（1983-），河北邯鄲人，學(xué)士，工程師，研究方向工程技術(shù)工程管理。