隧道襯砌混凝土抗?jié)B抗凍性能研究進(jìn)展

劉飛

摘 要：隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國對交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)日趨擴(kuò)大，隧道工程的數(shù)量也愈來愈多。由于我國隧道所處環(huán)境復(fù)雜惡劣，特別是在寒冷地區(qū)，隧道的滲漏水、凍融破壞問題越來越突出，從而危及隧道工程質(zhì)量和行車安全。本文綜述了現(xiàn)階段國內(nèi)外關(guān)于隧道襯砌混凝土抗?jié)B性、抗凍性的研究進(jìn)展和方式，并提出了當(dāng)前研究存在的問題和有待進(jìn)一步努力的方向。

關(guān)鍵詞：隧道襯砌混凝土;抗?jié)B抗凍性;配合比設(shè)計(jì);外加劑;混雜纖維

目前，我國已運(yùn)營的隧道存在各種各樣的病害，隧道常見的病害類型有：襯砌開裂和滲漏水、襯砌腐蝕、隧道震害、隧道內(nèi)有毒氣體以及隧道火災(zāi)等。[1]其中襯砌滲漏水病害對隧道工程的安全危害最大，不僅會在寒冷地區(qū)造成反復(fù)的凍融循環(huán)破壞，影響著隧道結(jié)構(gòu)的使用壽命，而且還會造成行車路面積水濕滑，威脅著行車安全，增加隧道洞內(nèi)的濕度，進(jìn)一步加劇了隧道襯砌的腐蝕。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從國內(nèi)外研究成果來看，對隧道襯砌混凝土抗?jié)B抗凍性能的改善主要來自以下三個(gè)方面：（1）優(yōu)化配合比，（2）加入外加劑，（3）摻入纖維等。混凝土配合比是影響其性能的關(guān)鍵因素，包括水灰比、砂率、骨料級配等影響因素。水灰比過大，混凝土毛細(xì)管空隙率增大會加劇混凝土的內(nèi)在缺陷，水灰比過小，混凝土拌合物流動性過小，不能保證混凝土的密實(shí)性，二者均會影響混凝土的耐久性能;砂率不宜過大或過小，最終都會導(dǎo)致拌合物和易性變差而降低混凝土的耐久性能，施工時(shí)應(yīng)盡量選用合理砂率范圍內(nèi)的較小砂率，以節(jié)約水泥;德國最先提出通過集料的連續(xù)級配來提高混凝土的抗?jié)B性能，骨料級配的好壞直接影響到混凝土的和易性、密實(shí)性，好的級配可以減少混凝土的內(nèi)部缺陷，降低空隙率，提高混凝土的耐久性能。[2]

防水劑、膨脹劑、礦物摻合料等外加劑摻入混凝土中，對隧道襯砌混凝土抗?jié)B抗凍等耐久性能的研究應(yīng)用也在不斷發(fā)展。50年中期，美國混凝土協(xié)會舉行研討會議，為了滿足建筑工程的需要，提高混凝土的抗?jié)B性和耐久性，增設(shè)了專門的防水混凝土學(xué)會。70年代初，美國、英國等開始研究在混凝土中摻入引氣劑，通過混凝土中密閉、微小的空氣泡來阻斷毛細(xì)孔道，以達(dá)到改善混凝土耐久性能的目的。80年代，膨脹水泥、膨脹劑在混凝土領(lǐng)域開始得到應(yīng)用研究，將其摻入到混凝土中，由于水化反應(yīng)生產(chǎn)的大量鈣礬石體積較大，可填充混凝土中的孔隙，增加結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，改善混凝土內(nèi)部缺陷，從而提高混凝土的抗?jié)B抗凍性能。張俊儒[3]通過礦物摻合料和高效減水劑等量置換部分水泥，一方面減少水泥用量，降低水化熱，可減少收縮裂縫的數(shù)量;另一方面，礦物摻合料的微集料效應(yīng)可降低混凝土中的空隙率，提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，改善結(jié)構(gòu)的抗?jié)B抗凍性能，達(dá)到“一舉多得”的效果。

此外，混雜纖維混凝土有效地發(fā)揮纖維各自的性能，使纖維混凝土的增強(qiáng)增韌效果優(yōu)于單一纖維，即所謂的1+1>2效應(yīng)。繼1982年Kobayashi等[4]首次提出“Hybrid”一次后，當(dāng)時(shí)由于受到經(jīng)濟(jì)水平、生產(chǎn)工藝等多方面的限制，我國于本世紀(jì)初才開始對混雜纖維混凝土開展理論與應(yīng)用研究。近年來，隨著混雜纖維混凝土科研成果的日益豐富，其已被廣泛地應(yīng)用在大型隧道、大跨度橋梁、機(jī)場跑道、港口碼頭等現(xiàn)代重大工程中。孫偉等[5]選用不同種類的聚丙烯纖維、維綸纖維和鋼纖維，在纖維總體積相同時(shí)，按照二元或三元混雜摻入水泥基復(fù)合材料中，系統(tǒng)研究了水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性能。結(jié)果表明，混雜纖維尺寸層次越多，對孔結(jié)構(gòu)改善越好，混凝土的抗?jié)B性越好。何曉達(dá)[6]將鋼纖維與聚丙烯纖維混雜摻入高性能混凝土中，通過一系列正交試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，混雜纖維混凝土中，單一纖維性能得到了優(yōu)勢疊加互補(bǔ)，產(chǎn)生了復(fù)合疊加增強(qiáng)效應(yīng)，從不同階段、不同層次增強(qiáng)了混凝土的抗?jié)B、抗凍性能。

2 襯砌混凝土抗?jié)B性和抗凍性檢測方法

提高襯砌混凝土抗?jié)B抗凍性能，對于隧道結(jié)構(gòu)在嚴(yán)酷的自然環(huán)境下的安全、耐久性能有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。而科學(xué)的測試方法（見下表）是試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確的保障，同時(shí)也能有效指導(dǎo)襯砌混凝土抗?jié)B抗凍性能的研究。

3 結(jié)論

綜上所述，在提高隧道襯砌混凝土的抗?jié)B、抗凍性能領(lǐng)域，以上大三影響因素的最優(yōu)組合形式以及最佳摻量范圍，目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定論。在綜合考慮隧道工程造價(jià)，并滿足襯砌混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B抗凍等耐久性能方面，今后有待進(jìn)一步的系統(tǒng)研究，為其在隧道工程中的應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鵬.隧道二次襯砌混凝土的抗?jié)B性及干縮性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]劉旭全.客運(yùn)專線大斷面黃土隧道高性能混凝土施工技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008（11）：87-91.

[3]張俊儒.噴射混凝土單層襯砌抗?jié)B機(jī)理及防水技術(shù)研究設(shè)想[J].技術(shù)與材料，2013（9）：305-311.

[4]Kobayasho K，CHO R.Flexural Characteristics of Steel Fibre and Polyethylene Fibre Hybrid-reinforced Concrete[J].Composites，1982，13（2）：164-168.

[5]孫偉，錢紅萍，陳惠蘇.纖維混雜及其與膨脹劑復(fù)合對水泥基材料的物理性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000，28（9）：95-99.

[6]何曉達(dá).低摻量混雜纖維/聚丙烯纖維高性能混凝土試驗(yàn)研究[D].大連理工大學(xué)，2002.