高海拔高速公路隧道混凝土抗凍耐久性能試驗研究

李大清

摘要 高海拔地區高速公路隧道用混凝土對抗凍性能、耐久性能等要求較高，文章為研究適應高海拔高速公路隧道的高性能混凝土，做了混凝土配合比優化與抗凍耐久性能試驗研究。試驗結果表明：（1）玄武巖纖維（BF）0.15%摻量內能夠降低混凝土受凍后質量損失率、提高動彈性模量；摻量0.15%時混凝土抗硫酸鹽等級為KS90；試驗確定BF最佳體積摻量為0.15%。（2）適量硅灰摻加能夠提高隧道混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能與抗滲性能，試驗確定硅灰最佳摻量為40 kg·m?3。（3）優化配合比的混凝土應用于高海拔高速公路隧道澆筑中，混凝土和易性更佳，凝結硬化表面相對平整，無混凝土脫落，28 d抗壓強度54.72 MPa，抗硫酸鹽等級KS90。

關鍵詞 高海拔高速公路；隧道；混凝土；抗凍性能；耐久性能

中圖分類號 U455.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0101-03

0 引言

隨著國家出臺提高公共設施建設能力的系列政策，國內在高速公路、高速鐵路建設等方面建設規模日益擴大。近年來，高速公路、鐵路逐漸向西部地區延伸的同時，給工程施工帶來很大難度。一方面自然工況惡劣，施工難度大；另一方面施工所需材料性能要求高，普通材料無法滿足工程應用要求。該試驗研究結合目前施工難度較大的高海拔地區高速公路隧道混凝土做相關研究。

針對高速公路隧道混凝土，國內許多專家學者也有相關研究。王杰之[1]等人做了高速公路隧道用洞渣混凝土耐久性研究與應用，何柳[2]研究了機制砂成分對隧道混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。劉飛[3]系統梳理了隧道襯砌混凝土抗滲抗凍性能研究進展。

雖然針對隧道混凝土研究很多，但針對高海拔高速公路的研究鮮有報道。該文試驗研究高海拔高速公路隧道混凝土的抗凍性能及耐久性能，得到抗凍性能、耐久性能最佳的混凝土。試驗研究為高海拔地區隧道用高性能混凝土提供了理論與數據參考。

1 試驗原材料

膠凝材料：水泥，P·O42.5R，早強普通硅酸鹽水泥。硅灰，活性二氧化硅（SiO2），SiO2含量≥92%。粉煤灰，Ι級粉煤灰。

外加劑：減水劑，聚羧酸減水劑，液體，TPEG合成。速凝劑，Ⅱ型無堿速凝劑，液體，硫鋁酸鹽合成。

骨料：人工砂，破碎花崗巖，符合Ⅱ區中型砂；碎石子，5～10mm連續粒級碎石。

纖維：玄武巖纖維，簡稱BF。

水：實驗室自來水。

2 結果與討論

2.1 混凝土基礎配合比試驗

該文試驗研究混凝土抗壓強度設計等級C45，經計算得到C45噴射混凝土基礎配合比，混凝土為細石混凝土。考慮混凝土應用于實際工程高海拔地區高速公路隧道中，隧道內自然狀況相對較差，不確定環境因素較多，對混凝土澆筑后影響較大，混凝土存在侵氯離子蝕、動水滲透、凍融影響等缺陷。考慮在基礎配合比基礎上，做試驗配合比優化以提高混凝土抗凍性能、耐久性能。

2.2 BF對高海拔高速公路隧道混凝土抗凍耐久性能影響

大量研究表明，大多數合成纖維（鋼纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維等）摻加到隧道用混凝土中會提高混凝土致密性與整體性，由于細度大、比表面積大，其與漿體及骨料會形成致密網狀結構。因此該部分試驗考慮通過摻加BF，研究對混凝土抗凍耐久性能的影響，以期提高隧道混凝土抗凍性能、耐久性能。BF摻量（體積摻量）分別為0%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%，如圖1所示，為抗凍性能試驗結果。如圖2所示，為耐久性能試驗結果。

圖1試驗結果得出：經過50次凍融循環，隨著BF摻量增加，質量損失率先減小后增大，相對動彈性模量先增大后減小。經過200次凍融循環，隨著BF摻量增加，質量損失率先減小后增大，相對動彈性模量先增大后減小。試驗分析表明，BF有助于提高隧道混凝土抗凍性，原因是混凝土中摻加BF促使水泥漿體與骨料顆粒之間的接觸更大，增強了水泥水化產物附著于粗細骨料表面的能力，混凝土的整體密實度大幅度提高，抗凍性能也隨之提高[4-5]。

圖2試驗結果得出：BF摻量0%，混凝土干濕交替90次時抗壓強度耐腐蝕系數、質量損失率分別為73.5%、4.6%，抗壓強度耐腐蝕系數低于75%，混凝土抗硫酸鹽等級為KS60。BF摻量0.05%，混凝土抗硫酸鹽等級同為KS60。BF摻量0.1%，混凝土抗硫酸鹽等級同為KS60。BF摻量0.15%，混凝土干濕交替90次時抗壓強度耐腐蝕系數、質量損失率分別為75.6%、4%，混凝土抗硫酸鹽等級為KS90。BF摻量0.2%，混凝土抗硫酸鹽等級同為KS60。試驗表明，BF會提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。原因是BF會使混凝土各組分之間的整體連接的整體性更強，結構更加致密，微觀孔隙同時大幅減少[6]。該部分試驗得出結論：BF最佳體積摻量為0.15%。

2.3 硅灰對高海拔高速公路隧道混凝土耐久性能影響試驗研究

上述試驗研究得出，BF對高海拔高速公路隧道混凝土抗凍耐久性能的影響，得到BF最佳摻量。研究表明，在氯鹽侵蝕環境較為嚴重的水工隧洞工程中復摻一定比例的礦物摻合料，如硅灰、礦粉等，會提高混凝土耐久性能。因此，該文考慮摻加適量硅灰，研究對隧道混凝土耐久性能的影響，耐久性能以混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗指標表征。硅灰摻量分別為0 kg·m?3、20 kg·m?3、40 kg·m?3、

60 kg·m?3、80 kg·m?3，如圖3所示為抗硫酸鹽侵蝕試驗結果。

圖3試驗結果得出：硅灰摻加對隧道混凝土抗侵蝕性能有一定影響。摻加硅灰所有配合比，混凝土干濕交替90次時抗壓強度耐腐蝕系數均大于75%，抗硫酸鹽等級均為KS90。隨著硅灰摻量增加，干濕交替30次的混凝土質量損失率先增大后減小再增大，干濕交替60次的混凝土質量損失率先減小后增大，干濕交替90次的混凝土質量損失率先減小后增大。分析硅灰對隧道混凝土抗侵蝕性能影響，硅灰中主要成分為高火山灰活性SiO2，在偏堿性水泥漿體內能夠與其中的Ca（OH）2發生反應，生成結構致密凝膠體，凝膠體附著于骨料表面，增加黏結力與致密性[7-8]。通過該部分試驗得出結論：硅灰最佳摻量為40 kg·m?3。

2.4 高海拔高速公路隧道混凝土最佳配合比

上述研究做了玄武巖纖維、硅灰對高海拔高速公路隧道混凝土抗凍及耐久性能試驗研究，得到兩種材料的最佳摻量比例，即BF最佳體積摻量0.15%、硅灰最佳摻量40 kg·m?3。對比基礎隧道細石混凝土，試驗結果見表1。

對比表明：相比基礎混凝土，優化配合比的混凝土應用于高海拔高速公路隧道澆筑中，混凝土和易性更佳，凝結硬化表面相對平整，無混凝土脫落。同時測試混凝土28 d留模抗壓強度分別為51.41 MPa、54.72 MPa；混凝土抗硫酸鹽等級分別為KS60、KS90。

3 結論

該文做了高海拔高速公路隧道混凝土抗凍耐久性能試驗研究，通過綜合試驗研究得出以下結論：

（1）BF促使水泥漿體與骨料顆粒之間的接觸更大，增強水泥水化產物附著于粗細骨料表面的能力，混凝土的整體密實度大幅提高，進而提高了隧道混凝土抗凍性能、耐久性能。

（2）硅灰中的活性SiO2，在偏堿性水泥漿體內能夠與Ca（OH）2發生反應，生成結構致密的凝膠體，增加混凝土的黏結力與致密性，進而提高隧道混凝土耐久性能。

（3）與基礎混凝土相比，優化配合比的混凝土應用于高海拔高速公路隧道澆筑中，混凝土和易性更佳，凝結硬化表面相對平整，無混凝土脫落，抗壓強度更高，抗硫酸鹽等級更高。

參考文獻

[1]王杰之， 溫樹磊， 魏文安， 等. 高速公路隧道用洞渣混凝土耐久性研究與應用[J]. 建筑技術， 2023（19）： 2355-2358.

[2]何柳. 機制砂成分對隧道混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響[J]. 混凝土與水泥制品， 2022（5）： 21-25.

[3]劉飛. 隧道襯砌混凝土抗滲抗凍性能研究進展[J]. 科技風， 2019（9）： 113.

[4]楊永豐. 纖維混凝土抗裂性能分析及在隧道工程中的應用[J]. 四川水泥， 2021（2）： 38-39.

[5]梁世俊. 纖維噴射混凝土在隧道施工中的應用研究[J]. 山西交通科技， 2022（3）： 86-89.

[6]肖艷斌. 高原高寒地區隧道混凝土溫控防裂研究[J]. 交通世界， 2023（21）： 139-142.

[7]林振濤. 硅灰摻量對噴射混凝土性能的影響試驗研究[J]. 黑龍江水利科技， 2019（3）： 1-3+8.

[8]寧逢偉， 蔡躍波， 白銀， 等. 膨脹劑和硅灰改善C50噴射混凝土抗滲性能的研究[J]. 硅酸鹽通報， 2019（10）： 3253-3259.