基于CaCO₃析出影響的隧道初期支護(hù)力學(xué)性能試驗(yàn)

摘 要：地下水在滲流運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)和隧道初期支護(hù)噴射混凝土接觸產(chǎn)生碳酸鈣結(jié)晶析出，使得初期支護(hù)噴射混凝土的力學(xué)性能下降，從而影響整個(gè)隧道初期的穩(wěn)固性。為此，研究公路隧道初期支護(hù)力學(xué)性能。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集水樣的離子構(gòu)成，配置與隧道地下水主要離子成分相同的試驗(yàn)溶液，模擬地下水與隧道初期支護(hù)噴射混凝土接觸后產(chǎn)生結(jié)晶這一過(guò)程。研究表明：（1）隨著時(shí)間的變化，混凝土外觀結(jié)晶量增大，結(jié)晶覆蓋面積也逐漸增大；（2）混凝土中Ca + 不斷的析出，試樣質(zhì)量也不斷降低直至趨于平穩(wěn)；（3）試樣的抗壓強(qiáng)度不斷下降，試樣的平均抗壓強(qiáng)度損失率也在不斷地上升，最終逐漸地減緩；（4）試樣的彈性模量平均損失值呈上升趨勢(shì)，使得混凝土剛度下降，影響隧道結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：CaCO 3 ；力學(xué)性能；結(jié)晶時(shí)間；公路隧道

中圖分類號(hào)：U457；TQ039 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）03-0165-04

Mechanical properties test of initial tunnel support based onthe influence of CaCO 3 precipitation

CAI Yonghong 1 ，LIU Zhen 2 ，ZHANG Liming 3 ，LUO Xuqin 1 ，ZHENG Pengyi 1

（1. Guizhou Provincial Highway Engineering Group Co.，Ltd.，Guiyang 550008，China；

2. School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；

3.The9thEngineeringCompanyofGuizhouProvincialHighwayEngineeringGroupCo.，Ltd.，Guiyang550001，China）

Abstract：In the process of seepage movement，groundwater will come into contact with the initial support shot?crete of the tunnel to produce calcium carbonate crystallization precipitation，which will reduce the mechanicalproperties of the initial support shotcrete，thereby affecting the stability of the whole tunnel at the beginning. There?fore，the mechanical properties of the initial support of highway tunnels were studied. According to the ionic compo?sition of the water samples collected on site，the test solution with the same main ionic composition as the groundwa?ter of the tunnel was configured to simulate the crystallization process of groundwater after contact with the shot?crete of the initial support of the tunnel. The results showed that：（1）With the change of time， the crystallizationamount of concrete appearance increased，and the crystallization coverage area also increased gradually；（2）Ca+ in the concrete was continuously precipitated，and the quality of the sample was continuously reduced until it tends tobe stable；（3）The compressive strength of the sample decreased continuously，and the average compressive strengthloss rate of the sample also increased， and finally gradually slowed down；（4）The average loss value of the elasticmodulus of the sample showed an upward trend， which made the concrete stiffness decrease and affected the overallstability of the tunnel structure.

Key words：CaCO 3 ；mechanical properties；crystallization time；highway tunnel

針對(duì)隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問(wèn)題對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負(fù)面影響，目前Galan等人 [1] 總結(jié)了隧道結(jié)晶體生成對(duì)混凝土耐久性方面的影響，并將影響結(jié)晶體產(chǎn)生的因素分為可控和不可控兩類。高春君等 [2] 學(xué)者依托重慶中梁山隧道進(jìn)行數(shù)值模擬研究了不同結(jié)晶堵塞程度下隧道襯砌的應(yīng)力變化，結(jié)果表明排水系統(tǒng)堵塞后隧道襯砌應(yīng)力會(huì)增加，不同工況下隧道襯砌應(yīng)力變化規(guī)律較為一致。張一安 [3] 研究了隧道排水系統(tǒng)不同位置的堵塞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明堵塞位置背后襯砌應(yīng)力和孔隙水壓力均會(huì)上升，而正常位置的襯砌應(yīng)力和孔隙水壓力則沒(méi)有變化。高國(guó)紅 [4] 通過(guò)分析西南地區(qū)隧道結(jié)晶堵塞病害實(shí)例，研究了隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞機(jī)理，結(jié)果表明排水系統(tǒng)堵塞會(huì)造成局部水壓集中危害襯砌結(jié)構(gòu)，結(jié)晶析出使混凝土抗壓強(qiáng)度損傷，影響隧道襯砌的受力性能。Lee等 [5] 以韓國(guó)首爾地鐵工程為依據(jù)，研究了地下水滲流對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和隧道施工中開(kāi)挖掌子面的影響。榮傳新等 [6] 提出了圍巖孔隙水壓力與隧道圍巖應(yīng)力及隧道損傷范圍之間的規(guī)律。彭海闊等 [7] 通過(guò)對(duì)沉管隧道的流固耦合分析，得到了不同水位條件下隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力的規(guī)律。徐軍等 [8] 通過(guò)有限差分軟件模擬計(jì)算，分析有無(wú)水壓時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的不同應(yīng)力響應(yīng)，探究水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。岳健等 [9] 建立流固耦合隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，分析了不同工況下隧道及圍巖的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，并結(jié)合工程實(shí)地監(jiān)測(cè)，對(duì)實(shí)際的施工提出了指導(dǎo)意見(jiàn)。馬高強(qiáng) [10] 依托實(shí)際工程結(jié)合ANSYS有限元軟件計(jì)算分析圍巖孔隙水壓對(duì)圍巖和隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

通過(guò)上述研究結(jié)果可知，隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞后隧道襯砌應(yīng)力會(huì)上升，威脅隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，這是由于排水系統(tǒng)堵塞后地下水位上升，隧道所受水壓力增大 [11-14] ，為后續(xù)的研究提供了積極的借鑒價(jià)值。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

針對(duì)位于仁懷市與遵義市播州區(qū)之間石筍溝新建隧道中已出現(xiàn)結(jié)晶病害的施工段落進(jìn)行調(diào)研取樣分析工作，開(kāi)展石筍溝隧道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。對(duì)施作了初期支護(hù)還未施作二次襯砌的段落進(jìn)行調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，隧道初支表面存在著滲漏水、白色結(jié)晶物析出等現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)測(cè)試可知，現(xiàn)場(chǎng)隧址區(qū)地下水以pH值8～12的堿性地下水為主，主要離子成分為鈣鎂離子、氯離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子等，鈣離子最大濃度為107 mg/L，碳酸根離子最大濃度為31 mg/L，碳酸氫根離子最大濃度為165 mg/L。而結(jié)晶物主要以碳酸鈣為主。

1.2 試驗(yàn)部分

1.2.1 試驗(yàn)溶液配置

試驗(yàn)溶液選取：氯化鈣（CaCl 2 ）（分析純，天津市化工三廠有限公司）；碳酸氫鈉（NaHCO 3 ）（分析純，比克曼生物科技有限公司）原料，并采用超純水機(jī)制備去離子水進(jìn)行配置 [15-17] 。

試驗(yàn)溶液配置按無(wú)水氯化鈣和碳酸氫鈉的質(zhì)量比為1∶2的比例向去離子水中加入適量的無(wú)水氯化鈣和碳酸氫鈉，保證溶液中HCO 3 - 含量占主要地位。

為了消除這部分碳酸鈣的影響，保證溶液中CO 3 2- 、HCO 3 - 、Ca 2+ 以離子的形式存在，在加入試劑后將溶液放置一段時(shí)間，待反應(yīng)完成后取上層澄清溶液作為試驗(yàn)溶液。

1.2.2 初期支護(hù)噴射混凝土試樣制備

試驗(yàn)所制備的初期支護(hù)噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，所采用的材料主要為水、水泥、碎石、細(xì)砂、速凝劑。本次試驗(yàn)試樣大小為100 mm×100 mm×100 mm，一共準(zhǔn)備5組混凝土試樣，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組設(shè)置4個(gè)試樣，共制備20個(gè)試樣。

按配比準(zhǔn)備好用料后，見(jiàn)表1，將原料放入混凝土攪拌機(jī)攪拌10 s，隨后加入水繼續(xù)攪拌2 min使材料相互混合均勻。之后倒出混凝土，加入速凝劑手工拌勻，在模具表面涂抹一定量的工業(yè)凡士林，將攪拌好的原料倒入模具中，隨后靜置24 h等待其成型。試樣初凝成型后，將試樣放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，再將試樣取出準(zhǔn)備試驗(yàn)。

1.2.3 性能測(cè)試

（1）隧道初期支護(hù)噴射混凝土結(jié)晶試驗(yàn)。在室內(nèi)配置與其離子成分相同的試驗(yàn)溶液，將制備的混凝土試樣浸泡于試驗(yàn)溶液中，使其產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象。試驗(yàn)共分為5組，每組分別浸泡0 d（空白對(duì)照組）、10 d、20 d、30 d、40 d，每組混凝土試樣的試驗(yàn)時(shí)間結(jié)束后，取出相應(yīng)試樣靜置干燥24 h后開(kāi)展后續(xù)試驗(yàn)；

（2）混凝土試樣外觀檢查和質(zhì)量損失測(cè)定。將結(jié)晶試驗(yàn)結(jié)束后靜置干燥的試樣取出進(jìn)行外觀檢查，觀察試樣結(jié)晶析出情況以及表面變化。觀察記錄后清洗掉試樣表面的結(jié)晶，采用精度為0.1 g的電子稱對(duì)試樣進(jìn)行稱重并完成記錄，計(jì)算每組試樣的平均質(zhì)量和質(zhì)量損傷率，統(tǒng)計(jì)過(guò)程中排出誤差過(guò)大的數(shù)據(jù)；

（3）單軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)采用數(shù)字式壓力試驗(yàn)機(jī)，在測(cè)定每組試樣的結(jié)晶試驗(yàn)、外觀檢查和質(zhì)量損失后，在混凝土側(cè)面相鄰兩面橫向、豎向各貼上應(yīng)變片，將試樣放入壓力板上進(jìn)行調(diào)平，設(shè)置應(yīng)力加載速率0.5 MPa/s，開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得試樣的破壞荷載和應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由破壞荷載得出試樣的抗壓強(qiáng)度，由應(yīng)力-應(yīng)變曲線中直線上升階段的斜率得出試樣彈性模量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同結(jié)晶天數(shù)混凝土外觀變化分析

選取試樣在溶液中朝上的表面進(jìn)行重點(diǎn)觀察，同時(shí)選取每組試樣中最具代表性的表面變化圖。為方便觀察，用紅色實(shí)線畫(huà)出了試樣表面的結(jié)晶區(qū)域和損傷區(qū)域。在0 d、10 d、20 d、30 d、40 d時(shí)表面的變化情況如圖1所示。

通過(guò)觀察，0 d組試樣表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常情況，顏色仍為混凝土常見(jiàn)的灰色。10 d時(shí)，試樣表面開(kāi)始析出白色的碳酸鈣結(jié)晶，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的損傷情況。到20 d時(shí)，試樣表面已經(jīng)基本被白色的碳酸鈣結(jié)晶覆蓋，僅有少部位未形成明顯的結(jié)晶層，開(kāi)始出現(xiàn)微小的孔洞。30 d組試樣表面已經(jīng)完全被白色的碳酸鈣結(jié)晶覆蓋。40 d組試樣與30 d組相比，表面的白色結(jié)晶區(qū)域只是稍有增大，孔洞數(shù)量明顯增多，孔洞的直徑也最大。

2.2 不同結(jié)晶天數(shù)混凝土質(zhì)量變化分析

質(zhì)量損失率反映了不同結(jié)晶天數(shù)下試樣質(zhì)量損失的嚴(yán)重程度。為了更加直觀的表示試樣的質(zhì)量變化規(guī)律，定義質(zhì)量損失率：試樣試驗(yàn)后的質(zhì)量，g。

不同結(jié)晶天數(shù)的試樣平均損失質(zhì)量、不同結(jié)晶天數(shù)的試樣平均質(zhì)量損失率如圖2～圖3所示。

由圖2中可知，隨著結(jié)晶時(shí)間的上升，試樣的平均損失質(zhì)量呈上升趨勢(shì)，混凝土試樣中由水泥水化產(chǎn)生的鈣離子以碳酸鈣結(jié)晶形式析出的也就越多，平均質(zhì)量損失率的上升速度在逐漸地減緩。這是因?yàn)樵嚇又械拟}離子由于不斷析出，其總量也不斷下降，鈣離子總量的下降使得試樣析出的鈣離子不斷減少。

2.3 不同結(jié)晶天數(shù)混凝土抗壓強(qiáng)度變化分析

抗壓強(qiáng)度損失率反映了不同結(jié)晶天數(shù)下試樣抗壓強(qiáng)度損失的嚴(yán)重程度，抗壓強(qiáng)度損失率越大，試樣的抗壓強(qiáng)度損失也就越多。為了更加直觀的表示試樣的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，定義抗壓強(qiáng)度損失率：式中： P f 為抗壓強(qiáng)度損失率，%； f 0 為試樣初始抗壓強(qiáng)度，MPa； f 為試樣試驗(yàn)后的抗壓強(qiáng)度，MPa。

不同結(jié)晶天數(shù)的抗壓強(qiáng)度平均損失值、不同結(jié)晶天數(shù)的試樣平均抗壓強(qiáng)度損失率如圖4～圖5所示。

由圖4可知，隨著結(jié)晶時(shí)間的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度平均損失值呈上升趨勢(shì)，由此可以推出隨著隧道初期支護(hù)噴射混凝土不斷析出碳酸鈣結(jié)晶，其抗壓強(qiáng)度會(huì)呈下降趨勢(shì)，影響隧道結(jié)構(gòu)整體的支護(hù)強(qiáng)度。由圖5可知，雖然隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度不斷下降，試樣的平均抗壓強(qiáng)度損失率也在不斷地上升，但平均抗壓強(qiáng)度損失率的上升速度在逐漸地減緩。

2.4 不同結(jié)晶天數(shù)混凝土彈性模量變化分析

彈性模量損失率反映了不同結(jié)晶天數(shù)下試樣彈性模量損失的嚴(yán)重程度。為了更加直觀的表示試樣的彈性模量變化規(guī)律，定義彈性模量損失率：

P E =E 0 ?EE 0

（3）

式中： P E 為彈性模量損失率，%； E 0 為試樣初始彈性模量，GPa； E 為試樣試驗(yàn)后的彈性模量，GPa。

不同結(jié)晶天數(shù)的彈性模量平均損失值、不同結(jié)晶天數(shù)的試樣平均彈性模量損失率如圖6～圖7所示。

由圖6可知，發(fā)現(xiàn)隨著結(jié)晶時(shí)間的增加，試樣的彈性模量平均損失值呈上升趨勢(shì)，由此可以推出隨著隧道初支混凝土不斷析出碳酸鈣結(jié)晶，其彈性模量會(huì)呈下降趨勢(shì)，使得混凝土剛度下降，影響隧道結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。由圖7可知，隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，試樣的彈性模量不斷下降，試樣的平均彈性模量損失率也在不斷地上升，但平均彈性模量損失率的上升速度在逐漸地減緩。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集水樣的離子構(gòu)成，配置與巖溶隧道地下水離子成分相同的試驗(yàn)溶液，開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M巖溶區(qū)地下水與隧道初期支護(hù)噴射混凝土接觸后產(chǎn)生結(jié)晶這一過(guò)程。通過(guò)研究結(jié)晶時(shí)間0～40 d時(shí)隧道初期支護(hù)噴射混凝土外觀、質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、彈性模量的變化，以此分析結(jié)晶過(guò)程對(duì)隧道初期支護(hù)噴射混凝土的影響。針對(duì)碳酸鈣對(duì)初支混凝土的影響，建議實(shí)際工程中，對(duì)噴射混凝土材料使用中減少鈣離子含量，以此減少碳酸鈣析出對(duì)初支的影響。并做好相關(guān)排水系統(tǒng)的排水情況以及防水措施。

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（責(zé)任編輯：張玉平）