輕骨料噴射混凝土在公路隧道漏水治理中的應用研究

李運華，李 珍2,原 華

(1.河南大學 土木建筑學院，河南 開封 475004； 2.商丘學院 應用科技學院，河南 開封 475004)

0 引言

輕骨料混凝土的重度比普通混凝土小，材料的力學性能與普通混凝土之間存在較大差異，因此輕骨料混凝土大多用于處理非結構問題或者用于結構的非承重部位。在公路隧道修建過程中由于地質勘察的局限性，施工中往往會引起掌子面滲漏水問題，對于小型水包及部分巖隙水通常是噴射混凝土材料封堵出水口，而封堵材料并不能形成受力結構，只作為填充物承受部分水壓，因此輕型混凝土材料用于治理隧道施工滲漏水的應用前景廣泛，一些學者也給出了相關研究。王家濱等就輕骨料混凝土中粉煤灰摻量對混凝土抗?jié)B性做了相關研究，認為提高粉煤灰摻量能提高材料的抗?jié)B性能[1]；蘭州交通大學高悅琛研究了輕骨料噴射混凝土在硫酸鹽環(huán)境下的腐蝕性能，其腐蝕性能要劣于普通混凝土[2]；劉魁剛研究了輕骨料混凝土的抗凍性能，得到了其凍融循環(huán)400多次后的力學性能[3]；范士超研究了輕骨料噴射混凝土的工作性能，得到了其良好工作特性下的最佳配合比[4]；趙世科通過實驗的方法得到了輕骨料混凝土的早起強度特性[5]。本文通過實驗的方法得到了輕骨料混凝土的力學特性，并結合其在工程中的應用研究了其施工工藝，本文對輕骨料混凝土施工應用和施工技術分析具有一定的借鑒意義。

1 輕骨料混凝土力學試驗研究

混凝土的配合比直接影響了其力學性能，為了將輕骨料混凝土和普通混凝土的力學性能作對比分析，本文中輕骨料混凝土粗骨料采用陶粒等體積替換普通混凝土中的粗骨料，其余材料及配合比與普通混凝土相同，2種混凝土粗骨料各項參數(shù)見表1所示。

表1 粗骨料參數(shù)對比Table1 Comparisonofcoarseaggregateparameters名稱堆積密度/(g·cm-3)空隙率/%吸水率/%級配碎石1.4645.80.51頁巖陶粒1.1251.30.37

實驗中細砂為天然河沙，水泥為河北雙峰水泥生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，此外為了減少水的用量，本實驗中加入2%聚羧酸減水劑。實驗中2種混凝土的配合比如表2所示。

表2 2種混凝土配合比Table2 Twomixratiosofconcrete種類粗骨料/kg細骨料/kg水泥/kg水/kg減水劑/%普通混凝土11216824512112輕骨料混凝土6536824512112

在實際工程應用中，混凝土作為結構的抗壓構件部分被廣泛使用，此外結構邊緣混凝土保護層能起到防止鋼筋銹蝕的作用，因此其必須滿足一定的抗裂性能[6-7]。為了得到輕骨料混凝土的抗拉和抗壓性能，分別對其進行抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗。

1.1 混凝土抗壓試驗

對于混凝土抗壓強度試驗，實驗中試塊尺寸為邊長100 mm的立方體試塊，澆筑完成24 h后拆除模板并置于室內養(yǎng)護，室內溫度20±5 ℃，相對濕度≥95%，養(yǎng)護齡期根據(jù)實驗需要決定，最長齡期為28 d，實驗中取不同齡期標注塊放于壓力機上進行抗壓實驗，相同條件下試塊分別取3塊，實驗結果取平均值，強度計算公式如式(1)所示，壓力機為如圖1所示的SYE-2000 型壓力機。

(1)

式中：fcu為抗壓強度，MPa；F為破壞荷載，N；A為受力面積，mm2；0.95為非標準塊尺寸換算系數(shù)。

圖1 實驗用壓力機Figure 1 Experimental press

試驗中得到了2種混凝土材料不同齡期下的抗壓強度，如表3所示。

表3 2種混凝土不同齡期抗壓強度Table3 Compressivestrengthoftwokindsofconcreteatdiffer-entages種類4d強度/MPa7d強度/MPa14d強度/MPa28d強度/MPa普通混凝土13.2115.0216.8616.92輕骨料混凝土9.2518.3719.5619.63

根據(jù)表3繪制如圖2所示抗壓強度曲線。

圖2 2種混凝土抗壓強度對比曲線Figure 2 Compressive strength contrast curves of two kinds of concrete

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，輕骨料混凝土在齡期4 d前抗壓強度小于普通混凝土，但齡期7 d后輕骨料混凝土的抗壓強度增長幅度明顯高于普通混凝土，且其在28d齡期的抗壓強度比普通混凝土高出16.01%。這是因為輕骨料混凝土早期強度由材料間摩擦力決定，由于輕骨料混凝土中粗骨料表面形狀棱角少摩擦力小，因此早期強度較低，后期混凝土材料間嵌鎖力是決定混凝土抗壓強度的主要因素，輕骨料混凝土中骨料表面特性能使骨料和水泥間充分咬合，因此其抗壓強度較大。

1.2 混凝土劈裂抗拉試驗

混凝土的抗拉強度是衡量混凝土力學性能的另一個重要指標，為了得到混凝土的抗拉強度，本文對其進行劈裂抗拉試驗。實驗中混凝土試塊的制作養(yǎng)護方式與抗壓實驗相同，其抗拉強度計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：fts為抗拉強度，MPa；F為破壞荷載，N；A為劈裂面面積，mm2；0.85為非標準塊尺寸換算系數(shù)

實驗得到了2種混凝土不同齡期下的劈裂抗拉強度，實驗結果如表4所示。

表4 2種混凝土劈裂抗拉對比Table4 Comparisonofsplittingtensilestrengthoftwokindsofconcrete種類4d強度/MPa7d強度/MPa14d強度/MPa28d強度/MPa普通混凝土1.251.071.051.31輕骨料混凝土1.140.980.941.79

根據(jù)表4繪制了2種材料的抗拉對比曲線，其曲線圖如3所示。

圖3 2種混凝土材料抗拉強度對比曲線Figure 3 Tensile strength contrast curves of two concrete materials

從圖3可以看出在齡期14 d及以前輕骨料混凝土的抗拉強度比普通混凝土低，強度降低幅度在8.4%左右，但28 d后輕骨料混凝土抗拉強度比普通混凝土高出約36.66%。這是因為混凝土的初期抗拉強度主要膠凝材料和骨料間的粘聚力決定，輕骨料結構表面光滑棱角不明顯，因此其粘聚力較低，隨著混凝土齡期的增加，混凝土的抗拉由骨料間咬合力和摩擦阻力決定，輕骨料混凝土骨料間的咬合力大于普通混凝土，因此呈現(xiàn)如圖3所示的抗拉強度破壞曲線。

從輕骨料混凝土的抗壓強度實驗和抗拉強度實驗可以發(fā)現(xiàn)，其終凝后的力學性能要優(yōu)于普通混凝土。從結構受力角度考慮，輕骨料混凝土不僅可以降低結構自重，消除因結構重力帶來的二次附加應力，而且其抗拉和抗壓強度比普通混凝土高，因此輕骨料混凝土從力學性能角度考慮完全能取代普通混凝土用于隧道滲漏水治理中。

2 輕骨料混凝土抗?jié)B性研究

混凝土是由不同級配的骨料和膠凝材料在水的水化作用下膠凝形成的混合材料，混凝土的抗?jié)B性能由混凝土的自身特性和所受外部荷載共同決定的[8]。

從混凝土自身材料角度考慮，其內部的孔隙特征是決定其抗?jié)B能力的主要因素?；炷恋目紫短卣靼紫堵?、孔隙分布和孔隙大小3個方面?？紫堵手富炷林袣怏w體積占整體體積的比率，孔隙分布指的是內部孔隙裂縫的來源,并將其分為粘著裂縫、水泥石裂縫和骨料裂隙3種，孔隙大小指的孔隙裂縫的長度和寬度[9]。

混凝土所承受外部荷載特性是影響混凝土抗?jié)B性能的外部因素?；炷猎谑芾捌氖軌旱炔涣际芰顟B(tài)下容易產生裂縫影響其抗?jié)B性能[10]。

輕骨料混凝土的內部微觀構成和普通混凝土有較大區(qū)別，因此本文采用實驗的方法研究了不同配合比下輕骨料混凝土的抗?jié)B性能。實驗中用電通量衡量其抗?jié)B性能。電通量是由美國學者提出，并廣泛應用于混凝土抗?jié)B性能測驗中，該方法精度高、周期短、成本低，實驗結果如表5所示。

表5 輕骨料混凝土抗?jié)B性能Table5 Seepageresistanceoflightweightaggregateconcrete實驗編號水灰比粉煤灰/%硅灰/%電通量10.42001780.4320.47155677.1230.5230103645.7840.42305789.2350.470105312.2160.521504711.2870.421510432.9580.473001723.5690.52054862.37

從表5可以看出，輕骨料混凝土在不同配合比下其電通量變化范圍比較大，最大是5號試塊其電通量為5 312.21，最小是2號試塊其電通量為677.12。因為電通量越大表明混凝土間的孔隙越大，其抗?jié)B能力越低。從表中可以發(fā)現(xiàn)，對抗?jié)B性能影響最大的是材料的水灰比，其次是粉煤灰含量，最后是硅灰比例。因此要降低材料的水灰比，適當提高粉煤灰及硅灰含量，從表中可以看出其最佳配合比為2號試塊，即當水灰比為0.47，粉煤灰含量為15%，硅灰含量為5%時,其抗?jié)B性能達到最佳。

3 工程應用

某公路隧道是位于首都環(huán)線高速公路中一條穿越富水軟弱破碎圍巖地層中的特長隧道，該隧道于2015年建成通車，隨著運營年限的增長，隧道拱肩及拱頂多部位出現(xiàn)了如圖4所示的滲漏水病害，嚴重影響了通行安全和結構使用年限。

圖4 隧道滲漏水病害Figure 4 Tunnel leakage disease

對于隧道滲漏水病害的治理，首先將滲漏水處附近二襯結構表面1 m2，深度10 cm的混凝土全部鑿除并處理結構面，然后噴射輕骨料混凝土并做后期養(yǎng)護。其應用效果如圖5所示，從應用效果看，輕骨料混凝土能有效治理隧道滲漏水。

圖5 治理效果Figure 5 Governance effectiveness

4 結論

輕骨料混凝土由于采用了較輕的粗骨料，因此其單位體積的重量比普通混凝土小，本文利用實驗方法研究了輕骨料混凝土的力學性能和抗?jié)B性能，并結合工程實例研究了其在隧道漏水治理中的應用，并得出了以下結論：

a.輕骨料混凝土的早期抗壓強度和抗拉強度明顯低于同等級的普通混凝土，但隨著混凝土齡期的增加，其28 d齡期后的抗拉和抗壓強度均高于同級別的普通混凝土材料，因此輕骨料混凝土有良好的力學特性。

b.在不同配合比下輕骨料混凝土的抗?jié)B性能存在較大差異，且水灰比對其抗?jié)B性影響最大，實驗中當水灰比為0.47，粉煤灰含量為15%，硅灰含量為5%時，其抗?jié)B性能最佳。

c.通過其在某公路隧道滲漏水病害的治理應用來看，輕骨料混凝土能有效封堵二襯結構的孔洞和漏水點，達到了預期治理效果。