公路隧道襯砌混凝土抗裂研究

袁正兵

(山西交通控股集團有限公司 太原市 030006)

0 引言

山區公路隧道投入使用后，來自勘探、設計與施工等因素的影響，會導致隧道襯砌發生開裂與滲水等質量問題，增加了運營期的安全隱患[1]。在隧道的襯砌施工過程中，導致混凝土發生開裂的原因通常是因為水泥的水化熱引起，而隧道內部濕度較大，在夏季施工過程中會加劇溫度和濕度對新澆筑的襯砌內部水化熱的變化，從而導致開裂。

襯砌混凝土發生開裂的原因多種多樣，劉偉研究發現，水泥的脆性與開裂與粉煤灰的摻量有一定關聯，其摻量越大越不易開裂，但需要綜合考慮強度的衰減[2]。在膠凝材料的用量一定時，摻加礦物還能在溫度變化時有效減少混凝土的收縮，從而提高結構混凝土的抗開裂性，提高耐久性[3]。吳夢軍綜合服役年限與地理條件等因素研究了渝懷線沙壩隧道襯砌開裂的問題，分析了傾斜層狀巖下隧道襯砌裂縫的發展機理，并提出了相應的處理方案[4]。葉飛研究襯砌裂縫的修復時，發現裂縫中的填充殘留物會對結構產生不利影響，基于依托工程進行數值模擬預估，對修復效果有一定參考意義[5]。襯砌混凝土防開裂的常規方法有對開裂處噴射混凝土加固、鋼板或纖維貼補、拆除破裂處重建等。周紅升依托實際工程建立了V級圍巖中的隧道襯砌模型，驗證了采用補充收縮混凝土進行修復的可靠性[6]。

而山體隧道往往屬于大體積混凝土的施工范疇，被動式地在病害出現后補修不僅會造成巨大的施工成本，而且對山體圍巖的擾動會影響隧道的安全性。因此對于隧道的服役環境與周期，在設計中對配比進行有效的調整有利于整個壽命周期的運營。擬通過摻加粉煤灰、礦渣粉，降低水泥用量、增加含水量，延緩混凝土的水化，從而達到防止公路隧道襯砌混凝土開裂的目的。

1 原材料

采用山西某水泥廠生產的P.I 42.5級水泥，技術指標見表1。

表1 水泥力學性能指標

(2)粉煤灰

粉煤灰取自山西某發電廠，技術指標見表2。

表2 粉煤灰技術指標

(3)集料

集料產自山西某石料廠，性能見表3。

表3 集料技術指標

(4)外加劑

外加劑采用蘇博特公司生產的聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%。

2 抗裂混凝土配制

配合比設計依據《JGJ 51-2002 輕集料混凝土技術規程》，再參考現有工程的經驗，室內試驗通過控制坍落度在160～200mm來調整用水量。

2.1 初步擬定配合比

通過控制容重的方法進行配合比設計，擬定初步的配合比見表4，其中PB0代表常規隧道襯砌混凝土采用的配比。

表4 混凝土質量配合比(kg/m3)

查詢《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55-2011)，其中C45混凝土的28d標準抗壓強度不得低于53.23MPa[7-8]。抗壓強度測試制作150mm×150mm×150mm的立方體試塊，在標準養生條件下測定3d、7d、28d的抗壓強度。

表5 不同配比不同齡期下的抗壓強度

2.2 試驗結果分析

由表5、圖1可知，傳統隧道襯砌采用的混凝土配比抗壓強度在齡期達到14d后基本保持穩定。隨著水泥用量的減少、用水量的增加，抗壓強度在各齡期下均呈下降趨勢，但在14d后仍然有一定增長，這是因為隨著齡期的增加，礦渣粉與粉煤灰陸續加入襯砌混凝土的二次水化反應中。

礦渣粉有著比細料更高的細度與活性，單摻礦渣粉對于混凝土彈性模量的提升會大于單摻粉煤灰的效果，但收縮性能會有所下降，因此復摻礦渣粉與粉煤灰無論是提高混凝土的后期強度，還是增強抗開裂與收縮性能，對實際應用都有益處[9-11]。為了進一步分析抗壓強度的增長趨勢，將不同配比不同齡期的抗壓強度與PB0的抗壓強度比記為相對值分析，結果見表6。

表6 不同配比不同齡期下的抗壓強度相對值

由表6可知，水泥用量減少與用水量增加的不同配比隨著齡期的增加，抗壓強度與PB0的比值越來越小，其中，當膠凝材料的總量分別為395kg/m3、432 kg/m3、471 kg/m3時，28d抗壓強度滿足規范要求。考慮到隧道環境的特殊性，濕度較大有利于礦渣粉與粉煤灰的二次水化進一步增長強度。

3 性能驗證

不同配比的性能驗證通過抗折強度測試，而折壓比可衡量混凝土的抗開裂性能，故通過測試28d的抗折強度與28d的抗壓強度進行計算。抗折強度測試通過制作550mm×150mm×150mm的長方體試塊，每個配合比各制作3個平行試件，成型1d后脫模，在標準養護條件下養護28d后進行試驗，采用SYE-1000型壓力試驗機測試，結果見表7。

表7 不同配比混凝土的抗折強度與折壓比

由表7可知，混凝土的抗折強度與抗裂性能隨著礦渣粉與粉煤灰用量的增加而提升，但水泥用量的減少會降低材料之間的粘結，因此結合抗壓強度測試結果，推薦采用PB2、PB3、PB4的配比。

4 結論

(1)根據實際施工采用的配比，通過控制坍落度來調整用水量及配比；

(2)礦渣粉與粉煤灰可在襯砌混凝土的二次水化反應中隨著齡期的增長提高混凝土的后期強度；

(3)混凝土的強度隨著礦渣粉與粉煤灰摻量的增加而降低，而與標準配比的差值隨齡期的增長越來越小。經抗折強度測試與折壓比計算發現，當膠凝材料的總量分別為395kg/m3、432kg/m3、471kg/m3時滿足規范要求。考慮到隧道環境的特殊性，可考慮增加礦渣粉與粉煤灰的用量來提高襯砌混凝土的后期強度，降低水泥用量以防止開裂。