小斷面隧道襯砌自密實混凝土技術研究

收稿日期：2023-11-08

作者簡介：李雪強（1980—），男，本科，高級工程師，從事混凝土研究工作。

基金項目：中鐵十二局集團有限公司科技研究開發計劃項目“臨近營業線小斷面隧道安全高效爆破關鍵技術研究”（集團2021研-47號）。

摘要 自密實混凝土一般用于鐵路板式無砟軌道，目前應用技術比較成熟，而鐵路隧道襯砌采用自密實混凝土施工的案例極少，為了研究鐵路隧道襯砌自密實混凝土技術，現從自密實混凝土的工作性能、力學性能、收縮性能、耐久性能等方面進行研究，并且通過利用不同顆粒形狀的碎石對自密實混凝土技術進行研究，經大量試驗，配制出符合要求的自密實混凝土配合比。由于隧道襯砌的結構不同于板式無砟軌道，襯砌的自密實混凝土主要用于環形結構，并且鋼筋較密，不方便振搗，所以對混凝土的性能提出了較高要求。因此，有必要對襯砌自密實混凝土技術性能進行研究，從而為今后鐵路隧道襯砌自密實混凝土施工提供參考和借鑒。

關鍵詞 小斷面隧道；襯砌；自密實混凝土；研究

中圖分類號 U231.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）01-0061-04

0 引言

由于鐵路隧道襯砌結構的特殊性，所以自密實混凝土的拌和物性能尤為重要，良好的拌和物性能是保證隧道襯砌澆筑成功的關鍵，通過模擬混凝土在有鋼筋阻礙的情況下的流動狀態，從而判斷出混凝土是否可以在不振搗的情況下充填密實[1]。

鐵路隧道襯砌結構設計強度等級為C40，為了保證自密實混凝土能達到試配要求的強度，在滿足混凝土拌和物性能的基礎上，通過調整引氣劑、膨脹劑、粉煤灰的摻量，同時改變混凝土的砂率，計算出一系列理論配合比，然后通過測定硬化混凝土的性能指標，最終得出最佳的自密實混凝土配合比[2]。

由于隧道襯砌地處環境等級為H1、Y1、L1，所以自密實混凝土要檢測抗蝕系數、抗硫酸鹽結晶破壞等級、氯離子擴散系數，以及混凝土氣泡間距系數和電通量等耐久性指標，以研究鐵路隧道襯砌自密實混凝土的各項指標是否符合設計要求[3]。

1 工程概況

三亞至樂東鐵路改造工程，設計時速160 km/h，Ⅰ級鐵路，新大保隧道進口里程YDK350+390，出口里程YDK351+150，全長760 m，為單線隧道，隧道最大埋深約87 m。

隧道進出口均接路基，全隧線路縱坡為?3.1%。760 m的單面坡，進口端227.59 m位于曲線半徑R=800 m的右偏曲線上，其余段532.41 m位于直線上。

新簸箕嶺隧道進口里程DK346+890，出口里程DK347+275，全長385 m，為單線隧道，隧道最大埋深約 48 m。

2 試驗設計

2.1 原材料及特性

水泥：采用強度等級為42.5級普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰：采用F類Ⅱ級粉煤灰。

砂：采用細度模數2.8的中砂。

碎石：采用5～20 mm連續級配碎石。

減水劑：采用緩凝型聚羧酸高性能減水劑。

水：地表水。

2.2 自密實混凝土配合比設計流程

鐵路隧道襯砌自密實混凝土根據自密實混凝土技術規程進行配合比設計，并在綜合考慮混凝土性能指標的基礎上，計算初始配合比，經強度、耐久性復核得到基準配合比[4]，設計流程見圖1。

在試驗中，研究引氣劑、膨脹劑、粉煤灰、粗骨料、砂率等參數對混凝土性能的影響。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗配合比及組合

自密實混凝土初始配合比按照設計及相關標準規范選定，基準配合比通過多次試拌選定，見表1。

3.2 混凝土性能

（1）混凝土拌和物性能指標包括坍落擴展度、含氣量、擴展時間T500、J環障礙高差、L型儀充填比，其中坍落擴展度設計值為660～680 mm，實測坍落擴展度為675 mm；含氣量設計值為≥4.0%，實測含氣量為4.8%；擴展時間T500設計值為2～7 s，實測擴展時間為6.2 s；J環障礙高差設計值為＜18 mm，實測值為11 mm；L型儀充填比設計值為≥0.80，實測值為0.90。

（2）采用基準配合比制備并進行留樣的硬化混凝土性能參數見表2。

3.3 引氣劑對自密實混凝土性能的影響

混凝土中摻入引氣劑后引入大量氣泡，使得骨料懸浮在漿體中，同時氣泡的存在可以增加混凝土的流動性，并且不離析，但是引氣劑的摻量并不是越多越好，合理的引氣劑摻量既可以保證混凝土的拌和物性能，又可以保證硬化混凝土的強度滿足設計要求。隨著引氣劑摻量的增加，混凝土的強度會降低，所以對不同摻量的引氣劑與不同齡期硬化混凝土強度之間的關系進行研究[5]，具體結果見圖2。

圖2表明，引氣劑摻量越大，強度越低，證明了引氣劑摻量為0.5%時混凝土的56 d強度滿足設計要求[6]。

3.4 粉煤灰摻量對自密實混凝土性能的影響

粉煤灰的顆粒比水泥小很多，可以產生細顆粒填充效應，使得混凝土更加密實，提高了混凝土的耐久性，增強了混凝土的抗氯離子滲透性[7]。以C40自密實混凝土為例，粉煤灰摻量選取10%、15%、20%、25%、30%，其中C40自密實混凝土配合比為：水泥378 kg·m?3、

粉煤灰119 kg·m?3、砂807 kg·m?3、碎石819 kg·m?3、水173 kg·m?3、減水劑6.33 kg·m?3、引氣劑2.70 kg·m?3、膨脹劑43 kg·m?3，以5種粉煤灰摻量按照同樣的配合比進行試拌，測試混凝土拌和物的坍落擴展度，拌和物坍落擴展度與粉煤灰摻量的關系見圖3。

圖3表明，粉煤灰摻量越大，自密實混凝土坍落擴展度越大，由于坍落擴展度設計要求660～680 mm，所以選擇粉煤灰摻量介于20%～25%之間較為合適[8]。

通過對以上5種粉煤灰摻量分別制作不同齡期的抗壓強度試件，測定7 d、28 d、56 d抗壓強度值，粉煤灰摻量與不同齡期的混凝土抗壓強度關系見圖4。

圖4表明，粉煤灰的摻量越大，自密實混凝土的后期強度越低，尤其是粉煤灰摻量達到30%時，混凝土的后期強度明顯降低[9]。綜合粉煤灰摻量對坍落擴展度和硬化混凝土后期強度的影響關系，最終選擇粉煤灰的摻量為22%。

3.5 粗骨料針片狀總含量對自密實混凝土性能的影響

以C40自密實混凝土配合比為例，粗骨料針片狀總含量控制在6%～10%之間，選取針片狀總含量6%、8%、10%、12%、14%五種分別按照C40的配合比進行試拌，其他材料用量相同，經試拌后，混凝土和易性各不相同，針片狀為6%的配合比和易性良好；針片狀為14%的配合比包裹性較差；對五種針片狀含量的粗骨料拌制的自密實混凝土分別測試坍落擴展度，粗骨料針片狀總含量與混凝土坍落擴展度的關系見圖5。

圖5表明，粗骨料針片狀總含量越大，自密實混凝土的坍落擴展度越小，根據自密實混凝土實測的坍落擴展度，最終選擇粗骨料針片狀總含量為6%最佳[10]。

3.6 膨脹劑對自密實混凝土性能的影響

自密實混凝土中摻入膨脹劑可以起到微膨脹的作用，抵制自密實混凝土的收縮變形，防止混凝土出現收縮裂縫而影響其結構、功能與外觀。但是膨脹劑摻量要控制適當，因為膨脹劑摻量會對混凝土的強度產生影響，可選擇摻量為8%、10%、12%、14%、16%五種膨脹劑進行自密實混凝土的試配，測定不同齡期混凝土的強度。膨脹劑摻量與混凝土強度的關系見圖6。

圖6表明，膨脹劑的摻量越大，自密實混凝土的強度越低，尤其是摻量達到16%時，強度降低得很明顯，所以選擇了膨脹劑摻量為8%，既可以起到微膨脹的效果，又可以保證混凝土的強度[11]。

3.7 砂率對自密實混凝土性能的影響

自密實混凝土要求有較好的和易性，尤其是坍落擴展度、L型儀充填比、J環障礙高差等參數對混凝土的流動性有很嚴格的要求，通過改變混凝土的砂率來配制自密實混凝土。選擇砂率為44%、46%、48%、50%、52%五種，分別測試混凝土的坍落擴展度[12]。砂率與混凝土坍落擴展度的關系見圖7。

圖7表明，砂率越大，混凝土的坍落擴展度越大，拌和物的和易性越好，結合坍落擴展度的檢測值，最終選擇砂率為50%。

3.8 混凝土拌和物的性能

以C40自密實混凝土配合比為例，混凝土拌和物坍落度實測值為200 mm，滿足設計要求，檢測數據見圖8。

4 結論

該文重點對三亞至樂東鐵路自密實混凝土性能進行研究，得到以下結論：

（1）引氣劑摻量為膠凝材料的0.5%為宜。

（2）粉煤灰的摻量為22%，混凝土各方面性能最優。

（3）粗骨料的針片狀顆粒總含量≤6%最佳。

（4）膨脹劑的摻量為8%，既可以起到微膨脹的作用，又不影響混凝土的強度。

（5）混凝土砂率為50%為宜。

通過以上試驗研究，獲得科學合理的技術參數，為后期隧道襯砌自密實混凝土配合比設計提供借鑒意義。

參考文獻

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