高性能防水防蝕混凝土在隧道的應(yīng)用

　　針對(duì)隧道襯砌混凝土高抗?jié)B性及高耐侵蝕性的特殊要求，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，應(yīng)用高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，通過雙摻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低水灰比、高耐久性，為在高海拔、高寒、強(qiáng)侵蝕環(huán)境下，地下工程混凝土的防水、防蝕作了有益的探索。

　　《精細(xì)化工中間體》(原名湖南化工)，《湖南化工》創(chuàng)刊于1971年，在湖南化工界具有廣泛的影響，在全國(guó)化工行業(yè)內(nèi)也頗具知名度。自新聞出版系統(tǒng)對(duì)期刊實(shí)行兩年一次的級(jí)別評(píng)定以來(lái)，《湖南化工》一直2001年，在廣泛征求編委及有關(guān)專家意見的基礎(chǔ)上，《湖南化工》更名為《精細(xì)化工中間體》，其目的一是順應(yīng)期刊發(fā)展趨勢(shì)，改變?cè)C合性期刊性質(zhì)，向科技性、專業(yè)性期刊方向發(fā)展。

　　1、概況：

　　設(shè)計(jì)為兩座單線隧道，長(zhǎng)20005m，線間距40m，線路坡度主要為11‰的單面下坡，最大埋深1100米。隧道通過地區(qū)海拔2900—3600米，氣候垂直分帶明顯，氣候寒冷，日溫差大，冰凍時(shí)間長(zhǎng)。隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)十分破碎，地下水豐富，并具有強(qiáng)硫酸鹽侵蝕，因此，二次襯砌設(shè)計(jì)采用防水混凝土，兼具高抗侵蝕性，實(shí)現(xiàn)隧道襯砌不滲、不漏、不裂。這就對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)，混凝土耐久性能，混凝土施工工藝等方面提出更高要求。

　　2、方案分析論文

　　隧道處于高寒、高海拔地區(qū)，襯砌混凝土由于與地下水相接觸，受到水中硫酸根離子、氯離子的物理化學(xué)作用，同時(shí)由于高寒凍融作用，易使混凝土耐用年限大大縮短，易出現(xiàn)混凝土剝落、開裂、露筋、滲漏等現(xiàn)象，因此，配制的混凝土除滿足強(qiáng)度及拌和物和易性等要求外，尚應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)物的具體施工實(shí)際，具有抗?jié)B性、抗蝕性、抗凍性、防止鋼筋銹蝕等混凝土耐久性能。

　　高性能混凝土是以高耐久性為目標(biāo)而發(fā)展起來(lái)的，而高耐久性則突出體現(xiàn)在混凝土材料低滲透、低缺陷、高密實(shí)等方面。隧道襯砌混凝土受地下水和惡劣氣候環(huán)境侵蝕，突出體現(xiàn)在其高抗?jié)B性及耐硫酸根離子侵蝕性能的要求，因此，必須采用高性能防水防蝕混凝土，選用優(yōu)質(zhì)混凝土外加劑、摻合料、粗細(xì)骨料，應(yīng)用雙摻技術(shù)實(shí)現(xiàn)低水灰比，采取以下措施從根本上解決地下環(huán)境水對(duì)混凝土侵蝕問題：

　　①摻活性水硬性摻合料,如優(yōu)質(zhì)粉煤灰,可相應(yīng)降低水泥石中游離氧化鈣的濃度,減輕混凝土中石膏的形成。

　　②摻加特種外加劑能夠發(fā)揮粉煤灰活性作用，通過減少混凝土單位用水量，實(shí)現(xiàn)低水灰比，增加混凝土密實(shí)度，使外界侵蝕水不能滲進(jìn)混凝土內(nèi)部，使混凝土內(nèi)的氫氧化鈣不與外界侵蝕水接觸,從而就阻滯了環(huán)境水的侵蝕速度。

　　3、原材料選用：

　　3.1、水泥：是凝結(jié)硬化生長(zhǎng)強(qiáng)度的基本材料。為確保低水膠比，并能使摻加的外加劑和摻合料達(dá)到改善混凝土的性能的目的，應(yīng)優(yōu)先選用早強(qiáng)型硅酸鹽水泥，以滿足每立方米混凝土相當(dāng)?shù)哪z凝材料量及低水灰比的要求，水泥中的含堿量控制在0.5%以下。其各項(xiàng)性能指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.2、外加劑：采用山西建華BR-2增強(qiáng)防水防蝕劑(粉狀劑)。減水率大于18%，滲透高度比小于28%，抗蝕系數(shù)大于0.96(參照《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法(GB2420─81)》測(cè)定)，總堿含量0.4%，推薦摻量6—8%，混凝土強(qiáng)度：與基準(zhǔn)試件相比，7d增加26%以上，28d增加15%以上。

　　3.3、細(xì)骨料：選用質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好的中砂，其細(xì)度模數(shù)為2.5～3.2之間為宜，含泥量應(yīng)不超過2%。其它技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合《普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》(JGJ52—92)的規(guī)定。必須進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)，確認(rèn)無(wú)堿活性時(shí)方可使用。

　　3.4、粗骨料：選用質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好。骨料母材的抗壓強(qiáng)度應(yīng)比所配制的混凝土強(qiáng)度高1倍以上，粒級(jí)范圍以5～31.5mm的連續(xù)級(jí)配為宜，含泥量不大于1%。其它技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合《普通混凝土用碎石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》(JGJ53—92)的規(guī)定。必須進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)，確認(rèn)無(wú)堿活性時(shí)方可使用。

　　3.5、粉煤灰：技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GBJ146—90)中對(duì)Ⅰ級(jí)粉煤灰的要求，細(xì)度(45μm方孔篩篩余)≤20%，需水量比≤105%，燒失量≤8%，三氧化硫含量≤3%。

　　3.6、拌合水：飲用水，PH值接近中性。

　　4、試驗(yàn)分析：

　　通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法測(cè)試已選定防水防蝕混凝土耐侵蝕效果、混凝土抗?jié)B指標(biāo)以及抗壓、抗拉強(qiáng)度、鋼筋銹蝕情況。

　　4.1、耐環(huán)境水侵蝕試驗(yàn)

　　4.1.1試驗(yàn)方法：取隧道內(nèi)天然環(huán)境水作為侵蝕液，參照《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法》(GB2420─81)有關(guān)規(guī)定制作試件，每組配合比分別成型二組試件，標(biāo)養(yǎng)24小時(shí)脫模后，再經(jīng)50℃的熱水快養(yǎng)7天，然后分別放進(jìn)標(biāo)養(yǎng)室中，并用工程環(huán)境水(侵蝕水)進(jìn)行浸泡。為了更符合工程環(huán)境水(地下流動(dòng)水)侵蝕的實(shí)際情況,試件在天然環(huán)境水浸泡過程中,每天一次用1N硫酸滴定以中和試件在溶液中析出的氫氧化鈣，并用攪拌器不斷攪拌，使溶液流動(dòng)。標(biāo)養(yǎng)試件28天及在天然環(huán)境水中浸泡28天后，進(jìn)行抗折試驗(yàn)。

　　4.1.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)：見表2

　　4.1.3結(jié)果分析：從表2中看出，空白的普通水泥膠砂,在天然環(huán)境水中浸泡28天后，耐蝕系數(shù)為0.57，摻加粉煤灰和防水防腐劑的水泥膠砂，耐蝕系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增大而提高，從強(qiáng)度發(fā)展考慮,粉煤灰最佳摻量為15～25%為宜，防水防蝕劑摻量為5%，耐蝕系數(shù)達(dá)到1，說明不受侵蝕，強(qiáng)度發(fā)展同標(biāo)養(yǎng)試件一樣繼續(xù)增長(zhǎng)。如單摻粉煤灰，摻量達(dá)到35%，耐蝕系數(shù)也能滿足要求，但強(qiáng)度發(fā)展很慢，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不利。

　　4.2、鋼筋銹蝕試驗(yàn):

　　4.2.1試驗(yàn)方法：在正常情況下,水泥混凝土中埋設(shè)的鋼筋,其表面能自然生成保護(hù)膜,叫鈍化膜。電化學(xué)測(cè)試,通過測(cè)量通電后(陽(yáng)極)的電位變化,可定性的判斷鋼筋在混凝土中鈍化膜的好壞來(lái)比較混凝土對(duì)鋼筋銹蝕陽(yáng)極過程的影響。

　　4.2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)：采用不同摻量外加劑的水泥砂漿分別成型試件進(jìn)行電化學(xué)法測(cè)試鋼筋銹蝕的結(jié)果，見表3。

　　表3電化學(xué)法測(cè)試鋼筋銹蝕結(jié)果

　　時(shí)間 陽(yáng)極電位(mv)

　　編號(hào) 0 1/2 1 2 3 4 5 7 10 15

　　1#樣 -362 430 556 659 676 679 683 686 690 694

　　2#樣 -361 442 539 657 678 684 689 692 696 699

　　注:表中1#樣是普通水泥加15%粉煤灰加5%防水防蝕劑;2#樣是空白普通水泥。

　　4.2.3結(jié)果分析：從表3看出電極通電后，在2min時(shí)，電極電位超過650mv，并且經(jīng)過15min時(shí)，電位并末下降，且還有上升，認(rèn)為此電極是鈍化電極，判定該2組試件本身都不會(huì)對(duì)鋼筋有銹蝕作用。

　　4.3、混凝土抗壓、抗?jié)B性能試驗(yàn):

　　本試驗(yàn)主要針對(duì)烏鞘嶺襯砌混凝土的技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn)。

　　4.3.1混凝土技術(shù)指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度等級(jí)滿足C25;強(qiáng)度正態(tài)分布保證率≥95%;混凝土水灰比控制≤0.45;混凝土抗?jié)B等級(jí)≥P8;混凝土拌合物和易性滿足長(zhǎng)距離大坍落度泵送要求，混凝土拌合物坍落度18～20cm。

　　4.3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)：見表4。

　　表4防水防蝕混凝土抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　強(qiáng)度等級(jí) 試驗(yàn)批號(hào) 配合比

　　(水泥:砂:碎石) 坍落度

　　mm 防水防腐劑

　　摻量/% 粉煤灰

　　摻量/% 抗壓強(qiáng)度

　　/MPa 抗?jié)B等級(jí)

　　/MPa 齡期

　　/d

　　C25 A0 1:2.72:3.21 190 0 0 26.2 >0.6 28

　　A1 1:2.72:3.21 190 5 15 35.6 >1.8 28

　　4.3.3試驗(yàn)結(jié)論：在同樣配合比、坍落度基本相同情況下，摻粉煤灰15%和5%的高效減水劑，混凝土28天抗壓強(qiáng)度滿足配制強(qiáng)度要求，達(dá)到35.6MPa)，28天齡期抗?jié)B等級(jí)大于18。而空白混凝土，28天抗壓強(qiáng)度26.2MPa，沒有達(dá)到配制強(qiáng)度要求,而抗?jié)B指標(biāo)也很低。

　　5、現(xiàn)場(chǎng)施工情況論文

　　5.1在室內(nèi)大量試驗(yàn)論證的基礎(chǔ)上，確定使用甘肅.壽鹿山牌低堿42.5R普通硅酸鹽水泥，摻5%BR—2型增強(qiáng)防水防蝕劑和15%的Ⅱ級(jí)粉煤灰雙摻配制低水灰比(W/C=0.43)的防水防蝕混凝土，2009年5月開始用于隧道進(jìn)口段襯砌混凝土。

　　5.2混凝土施工質(zhì)量情況

　　以YDK164+150-YDK164+450段襯砌為例，圍巖類別Ⅳ級(jí)，襯砌厚度35cm,設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C25，現(xiàn)場(chǎng)制作混凝土檢查試件60組,其中抗壓試件48組，抗?jié)B試件12組，抗壓試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，抗?jié)B試件標(biāo)準(zhǔn)樣護(hù)30天，對(duì)該批混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)定：樣本均值X=31.2;標(biāo)準(zhǔn)離差S=2.0;變異系數(shù)CV=0.10;正態(tài)分布保證率P=98%，抗?jié)B等級(jí)均大于18。以上技術(shù)指標(biāo)完全符合設(shè)計(jì)、規(guī)范質(zhì)量要求，取得了較好的施工效果。

　　6、總結(jié)

　　6.1針對(duì)隧道襯砌混凝土高抗?jié)B性及高耐侵蝕性的特殊要求，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，引入高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用雙摻技術(shù)實(shí)現(xiàn)低水灰比、高耐久性，解決了技術(shù)上的難題，為在高海拔、高寒、強(qiáng)侵蝕環(huán)境下，地下工程混凝土的防水、防蝕作了有益的探索，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

　　6.2施工實(shí)踐證明，不增加工程成本，通過選用優(yōu)質(zhì)混凝土外加劑、摻合料、粗細(xì)骨料，優(yōu)化混凝土配比設(shè)計(jì)，將水灰比控制在0.45以內(nèi)，配制致密性防水、防蝕混凝土,抗環(huán)境水侵蝕系數(shù)達(dá)到K=1,抗?jié)B指標(biāo)S>18。且對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕影響,其他性能指標(biāo)也很好。

　　6.3摻加粉煤灰的混凝土，對(duì)后期強(qiáng)度發(fā)展有利。地下工程混凝土施工摻加粉煤灰,如配制28天齡期達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,則到90天或180天齡期,強(qiáng)度可發(fā)展到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的150%以上。