王家濱 李恒 郭慶軍 陳翔

摘 要：?高緯度、高海拔地區(qū)長大公路隧道的噴射混凝土永久支護結(jié)構(gòu)常年遭受凍融損傷及碳化雙重作用，其結(jié)構(gòu)耐久性能退化，增大了隧道的養(yǎng)護及運營成本。采用先氣凍氣融后快速碳化的方式，開展凍融損傷噴射混凝土永久支護結(jié)構(gòu)碳化耐久性試驗研究，以凍融損傷噴射混凝土碳化深度和相對抗壓強度為指標，研究凍融損傷噴射混凝土碳化深度的變化規(guī)律及影響因素。結(jié)果表明，凍融損傷加速了噴射混凝土的碳化過程，且碳化速度隨凍融損傷度快速增大。碳化的凍融損傷混凝土相對抗壓強度隨著碳化深度增大。凍融損傷度大于10%時，碳化對凍融損傷噴射混凝土相對抗壓強度增長不明顯。采用IBM SPSS統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)分析，建立了考慮凍融損傷、噴射混凝土配合比參數(shù)及成型方式的噴射混凝土碳化深度預(yù)測模型。經(jīng)驗證，預(yù)測值與試驗值總體誤差小于20%，標準誤差為0.16，模型適用性較好。

關(guān)鍵詞： 隧道工程;襯砌噴射混凝土;凍融損傷;碳化深度;預(yù)測模型

中圖分類號：TU528.44? ? 文獻標志碼：A? ?文章編號：2096-6717（2020）02-0179-09

Carbonation durability performance and carbonation prediction model of shotcrete permanent support structure after frost damage

Wang Jiabin，Li Heng， Guo Qingjun， Chen Xiang

（School of Civil & Architecture Engineering， Xian Technological University， Xian 710021， P.R.China）

Abstract：? Shotcrete permanent support structure of long highway tunnels in high-latitudes and high-altitudes area is subjected to the action of freeze-thaw damage and carbonation which degraded structure durability performance and increased the tunnel maintenance and operation cost.Carbonation durability of frost-damaged-shotcrete was investigated by using freeze-thaw cycles in air firstly and then accelerated carbonation method.With the evaluating indicator of carbonation depth and relative compressive strength， the deterioration law and influence factor of carbonation depth were researched.Results show that frost damage accelerated the carbonation rate and carbonation depth was deeper with the relative dynamic elasticity modulus decreased.The relative compressive strength of frost damage shotcrete increased with the increasing of carbonation depth.However， when frost damage degree was more than 10%， the influence of relative compressive strength on frost damage shotcrete was not obvious.Furthermore， the carbonation depth prediction model of shotcrete was established considering frost damage degree， shotcrete mixture parameters and concrete forming mode by using IBM SPSS statistical software to analyze the test data.The overall error between the predicted value and the experimental data was less than 20%， and the standard error was 0.16. This indicates that the model has good applicability.

Keywords： tunnel engineering; shotcrete lining; frost damage; carbonation depth; prediction model

噴射混凝土因采用速凝劑和特殊的噴射成型方式而能在較短的凝結(jié)時間內(nèi)產(chǎn)生強度，對圍巖起到支護作用[1-2]。目前，噴射混凝土被廣泛用于隧道工程中圍巖的臨時或永久支護。隨著隧道施工技術(shù)及裝備的發(fā)展和進步，噴射混凝土永久支護結(jié)構(gòu)逐漸被應(yīng)用于隧道工程之中。與普通模筑混凝土（不含速凝劑）相比，噴射混凝土具有不同的孔結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)，水化產(chǎn)物礦物組成及含量也存在明顯差異[3-4]。因此，模筑混凝土支護結(jié)構(gòu)耐久性退化規(guī)律及過程不適用于評價噴射混凝土永久支護結(jié)構(gòu)，開展噴射混凝土永久支護結(jié)構(gòu)耐久性研究勢在必行。

位于高緯度和高海拔地區(qū)長大公路隧道工程的噴射混凝土永久支護結(jié)構(gòu)常年遭受凍融循環(huán)作用和汽車尾氣聚積造成的碳化作用。凍融損傷破壞支護噴射混凝土的微觀結(jié)構(gòu)及孔結(jié)構(gòu)，加速了碳化過程，造成錨桿、鋼筋網(wǎng)及鋼桁架發(fā)生銹蝕，降低了支護結(jié)構(gòu)可靠度及隧道的服役壽命[5]。因此，開展凍融損傷噴射混凝土永久支護結(jié)構(gòu)碳化過程及碳化深度預(yù)測研究具有重要的工程意義。

學(xué)者們針對普通混凝土的凍融損傷/碳化耐久性展開了相關(guān)研究。Niu等[6]、趙高升等[7]開展了凍融循環(huán)和碳化交替作用混凝土耐久性試驗，在交替作用早期，碳化提高了混凝土的抗凍性，而后期則加速了混凝土的凍融損傷。冉晉等[8]、He等[9]、Cheng等[10]通過凍融循環(huán)/碳化交替試驗，分別建立了一維凍融損傷狀態(tài)下混凝土抗壓強度模型、三維損傷狀態(tài)下混凝土碳化模型和開裂混凝土碳化及鋼筋銹蝕模型。Rao等[11]、Li等[5]采用計算機斷層掃描（CT）、掃描電鏡（SEM）及碳酸鈣含量分析等手段，對凍融循環(huán)/碳化作用混凝土微觀結(jié)構(gòu)及礦物組成變化進行表征，分析凍融循環(huán)對混凝土碳化影響機理。

對于噴射混凝土永久支護結(jié)構(gòu)，目前，已對其凍融循環(huán)[12-13]和碳化耐久性[14]進行了研究，但針對凍融損傷噴射混凝土碳化耐久性的研究尚未見報道。筆者采用氣凍氣融法和快速碳化法，以凍融損傷噴射混凝土碳化深度及相對抗壓強度為指標，研究凍融損傷度、噴射混凝土配合比參數(shù)對碳化耐久性的影響，并建立碳化深度模型，為噴射混凝土與永久支護結(jié)構(gòu)耐久性研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

PO 42.5普通硅酸鹽水泥（密度3.08 g/cm3、細度2.7%、比表面積334 m2/kg、燒失量4.12%;CaO含量5.62%、SiO2含量43.64%、Al2O3含量25.38%、Fe2O3含量4.19%），Ⅱ級低鈣粉煤灰（密度2.09 g/cm3、細度15.2%、比表面積404 m2/kg、需水量比98%、燒失量3.0%;CaO含量5.62%、SiO2含量43.64%、Al2O3含量25.38%，F(xiàn)e2O3含量4.19%），5～10 mm渭河卵石（表觀密度2 680 kg/m3、含泥量0.2%、針片狀含量2.0%），渭河I區(qū)粗砂（細度模數(shù)3.4、含泥量1.5%、云母含量0.2%、輕物質(zhì)含量0.2%），剪切波浪型鋼纖維（抗拉強度≥600 MPa、長30 mm、寬2 mm），聚羧酸系減水劑（固含量25%，減水率27%），RC-04粉狀速凝劑（主要成分為鋁氧熟料及碳酸鈉，經(jīng)檢測未發(fā)生堿骨料反應(yīng)。終凝時間不大于10 min）。水泥礦物組成示于表1。

1.2 噴射混凝土配合比及試件制作

1.2.1 噴射混凝土配合比

噴射混凝土試驗配合比考慮水膠比（0.49、0.43、0.38）、粉煤灰取代率（0、 10%、20%、30%）及鋼纖維摻量（0、40、50、60 kg/m3）， 共分為9組。為了對比分析混凝土成型方式對碳化性能的影響，在噴射混凝土S43F10基礎(chǔ)上，制作模筑混凝土C43F10（無速凝劑，其余材料及用量均不變）。試驗混凝土配合比示于表2。

1.2.2 噴射混凝土試件制作

噴射混凝土采用干噴法進行制作，模筑混凝土采用澆筑成型的方式進行制作。噴射混凝土及模筑混凝土試件制作過程見文獻[15]。試件成型后，均標準養(yǎng)護至28 d，而后置于室內(nèi)繼續(xù)自然養(yǎng)護至90 d。噴射混凝土90 d立方體抗壓強度示于表2。

1.3 試驗方法

試驗采用先凍融循環(huán)后快速碳化的方式進行。試件以凍融損傷度分為4組（0、5%、10%、15%，計算方法見式（1）），即相對動彈性模量為100%、（95±0.5）%、（90±0.5）%和（85±1）%。凍融循環(huán)試驗采用氣凍氣融方式，在步入型氣候模擬試驗室內(nèi)進行（ZHT/W2300，重慶五環(huán)）。凍融循環(huán)試驗見圖1。

D=100-Ed=100- t20 t2N ×100% （1）

式中：D為噴射混凝土凍融損傷度，%;Ed為噴射混凝土相對動彈性模量，%;t0為未凍融噴射混凝土超聲波對測聲時，μs;tN為凍融循環(huán)N次噴射混凝土超聲波對測聲時，μs。

試驗每凍融循環(huán)25次為1周期，采用超聲波對測法對其超聲波聲時進行測試（MN-4A，北京康科瑞）。當混凝土相對動彈性模量下降至預(yù)定值時，將試件（棱柱體及立方體）取出并停止凍融循環(huán)試驗。將試件取出置于室內(nèi)晾干2 d，而后在鼓風(fēng)干燥箱中60 ℃干燥48 h，晾至室溫后，移入碳化試驗箱開展快速碳化試驗（CCB-70W，北京數(shù)智意隆）。碳化試驗齡期為7、14、21、28、42 d。到達相應(yīng)齡期時，測試并計算混凝土的碳化深度XC和相對抗壓強度F（式（2））。試驗試件尺寸及數(shù)量示于表3。

F= fcu，N fcu，0? （2）

式中：F為凍融損傷噴射混凝土相對抗壓強度;fcu，N為碳化齡期N后噴射混凝土立方體抗壓強度，MPa;fcu，0為未碳化噴射混凝土立方體抗壓強度，MPa。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 碳化深度

2.1.1 凍融損傷影響

圖2為凍融損傷噴射混凝土S43F10的碳化深度。噴射混凝土碳化深度隨著凍融損傷度增大。由前期試驗可知[16]（圖3為凍融損傷噴射混凝土微觀結(jié)構(gòu)，采用掃描電鏡表征;表4為凍融損傷噴射混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用壓汞測孔法表征），在凍脹應(yīng)力和過冷水遷移形成的滲透壓共同作用下，微裂縫在噴射混凝土骨料界面過渡區(qū)及砂漿中不斷萌生并擴展，逐漸連通形成裂縫，造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率增大。因此，凍融損傷度增大，混凝土表面及內(nèi)部微裂縫增多，碳化深度增大。由于碳化產(chǎn)物在微裂縫及毛細孔壁表面不斷堆積，堵塞裂縫及孔，CO2擴散減速，碳化深度增長變緩[14]。

2.1.2 噴射混凝土配合比影響

圖4為凍融損傷水膠比0.49、0.43、0.38的噴射混凝土碳化深度。由圖4可以看出，噴射混凝土碳化深度隨水膠比增大。水膠比增大，噴射混凝土初始微裂縫及毛細連通孔多，抗凍性降低。在同凍融損傷度，高水膠比噴射混凝土中大孔徑孔含量及孔隙率大，二氧化碳擴散阻力小。另一方面，高水膠比噴射混凝土膠凝材料用量及水化產(chǎn)物相對含量降低，可碳化物質(zhì)減少，碳化深度增大。

凍融損傷粉煤灰噴射混凝土的碳化深度變化規(guī)律見圖5。隨著粉煤灰摻量增大，碳化深度變化呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)可顯著增強噴射混凝土界面過渡區(qū)強度及細化毛細孔，增大毛細孔曲折度及提高混凝土密實度、抗?jié)B性及抗凍性。但過多粉煤灰摻入（摻量大于20%），其形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)減弱，造成混凝土孔隙率和有害孔（孔徑范圍為50～200 nm）體積增大[17]，凍融耐久性降低。再者，粉煤灰二次水化反應(yīng)消耗氫氧化鈣，使其含量降低，繼而造成可碳化物質(zhì)含量降低，碳化深度增大。因此，凍融損傷噴射混凝土碳化深度先減小后增大。

從圖6可看出，凍融損傷噴射混凝土碳化深度隨鋼纖維摻量增大快速減小。鋼纖維可有效減緩微裂縫的產(chǎn)生、擴展及連通，噴射混凝土抗凍性明顯提高。在相同的凍融損傷度下，高鋼纖維摻量噴射混凝土中微裂縫和小孔徑孔含量高于低鋼纖維摻量或不摻鋼纖維的噴射混凝土[18]。因此，在快速碳化時，二氧化碳在高鋼纖維摻量噴射混凝土中的相對擴散速度低，碳化深度小。

綜合試驗結(jié)果，水膠比0.43且粉煤灰取代率為20%的噴射混凝土或鋼纖維噴射混凝土具有較高的抗碳化性能?？紤]到施工及成本因素，鋼纖維噴射混凝土S43F10SF50適用于高緯度、高海拔地區(qū)的長大公路隧道的噴射混凝土永久襯砌結(jié)構(gòu)。

2.1.3 成型方式影響

圖7為凍融損傷同配合比噴射混凝土和模筑混凝土的碳化深度。由圖7可知，模筑混凝土碳化深度顯著大于噴射混凝土。其一，噴射混凝土中速凝劑的有效成分在水化過程中生成大量堿性礦物，使噴射混凝土中可碳化物質(zhì)相對含量增多;其二，在噴射過程中，骨料高速撞擊并嵌入砂漿中，且快速凝結(jié)硬化。噴射混凝土骨料界面過渡區(qū)強度高于模筑混凝土（模筑混凝土振動成型過程中，骨料下部會形成水膜）。在同凍融損傷度，噴射混凝土中微裂縫數(shù)量低于模筑混凝土，即二氧化碳擴散速度小于模筑混凝土。其三，模筑混凝土在振實過程中，砂漿上浮，骨料下沉，內(nèi)部毛細連通孔較多，從而導(dǎo)致后期碳化深度較大。

2.2 相對抗壓強度

凍融損傷噴射混凝土碳化后的相對抗壓強度見圖8。由圖8可知，隨著凍融損傷度增大，未碳化噴射混凝土相對抗壓強度損失率大。隨著碳化深度增大，凍融損傷噴射混凝土相對抗壓強度快速增大，但其增長趨勢與混凝土凍融損傷度、配合比參數(shù)及成型方式等因素均有關(guān)系。采用最小二乘法對混凝土相對抗壓強度和碳化深度之間關(guān)系進行擬合分析，二者之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。

凍融損傷度越大，噴射混凝土相對抗壓強度越低。未損傷混凝土相對抗壓強度增長率較凍融損傷混凝土大。未損傷混凝土孔隙率低，小孔徑孔含量高，少量的碳化產(chǎn)物即可將微孔填充，顯著提升混凝土碳化區(qū)密實度。尤其是損傷度大于10%，凍融損傷噴射混凝土碳化后相對抗壓強度增長率顯著增大，但其相對抗壓強度仍未超過未凍融損傷的混凝土強度。這是因為凍融損傷度愈大，混凝土界面過渡區(qū)微裂縫及毛細孔增多，且逐漸向混凝土表面延伸。雖然中性化深度增大會造成碳化產(chǎn)物相對含量高，但無法將損傷混凝土中微裂縫和孔完全填充，混凝土密實度與未損傷混凝土密實度差距較大。因此，雖然混凝土相對抗壓強度增長率大，但其強度仍較低。

水膠比增大，混凝土相對抗壓強度增長率增大;粉煤灰摻量增大，增長率先減小后略微增大;鋼纖維摻量增大，增長率減小。高水膠比、高粉煤灰摻量噴射混凝土抗凍性差，微裂縫數(shù)量、孔隙率及大孔徑孔含量高，凍融損傷后相對抗壓強度快速下降。在快速碳化過程中，二氧化碳快速擴散，碳化深度大且碳化產(chǎn)物相對含量提高。碳化產(chǎn)物的形成使凍融損傷噴射混凝土碳化區(qū)密實度快速提高，混凝土相對抗壓強度及其增長率增大。對于抗凍性較好的噴射混凝土（低水膠比、適當粉煤灰摻量噴射混凝土及噴射鋼纖維混凝土），孔隙率變化幅度及微裂縫寬度小，少量碳化產(chǎn)物即可填充微裂縫，后續(xù)碳化速度及碳化產(chǎn)物增長量小，相對抗壓強度提高但增長率較低。

3? 凍融損傷噴射混凝土碳化深度預(yù)測模型

采用Origin Lab軟件，以Fick第一定律為基準（式（3）），對圖4～圖7中凍融損傷噴射混凝土碳化深度XC，th-cr與相應(yīng)的碳化齡期tth-cr之間關(guān)系進行分析，得到相應(yīng)的碳化系數(shù)kth-cr。凍融損傷噴射混凝土碳化深度擬合結(jié)果見圖9，碳化系數(shù)kth-cr見表5。為了表征凍融循環(huán)作用對噴射混凝土碳化深度的影響，定義凍融損傷影響系數(shù)γth，以凍融損傷噴射混凝土碳化系數(shù)kth-cr與未凍融噴射混凝土碳化系數(shù)kcr比值表示（式（4））。

XC，th-cr=kth-cr tth-cr??（3）

γth= kth-cr kcr? （4）

從表5中可以看出，未凍融損傷噴射混凝土碳化深度與混凝土水膠比、粉煤灰摻量、鋼纖維摻量及成型方式有關(guān)。采用IBM SPSS中內(nèi)置的非線性分析模塊（最小二乘法）對未凍融損傷混凝土碳化深度進行綜合分析，在試驗參數(shù)取值范圍內(nèi)，未凍融損傷噴射混凝土碳化深度與水膠比、粉煤灰摻量及鋼纖維摻量關(guān)系可用式（5）表示。

kcr=α·kw/b·kFA·kSF （5）

式中：α為混凝土成型方式系數(shù)，模筑混凝土取1，噴射混凝土取0.913;kw/b為水膠比影響系數(shù)，kw/b=0.54+0.67（w/b），w/b為混凝土水膠比;kFA為粉煤灰摻量影響系數(shù)，kFA=1.38wFA2-0.52wFA+0.70，wFA為粉煤灰取代率;kSF為鋼纖維摻量影響系數(shù)，kSF=2.11+e-wSF，wSF為鋼纖維摻量。

另一方面，凍融損傷噴射混凝土碳化系數(shù)kth-cr與凍融損傷度D有直接關(guān)系。對凍融損傷噴射混凝土碳化系數(shù)kth-cr與未凍融損傷噴射混凝土碳化系數(shù)kcr之間的關(guān)系進行分析，如式（6）、圖10所示。

γth=（6.64-4.76×1.12D/100） （6）

圖10 凍融循環(huán)作用噴射混凝土碳化系數(shù)kth-cr與未凍融噴射混凝土碳化系數(shù)關(guān)系kcr

Fig.10 Relationship between kth-cr and kcr of carbonation shotcrete with and without freeze-thaw cycles []

將式（4）～式（6）帶入式（3），得到凍融損傷噴射混凝土碳化深度預(yù)測模型

XC，th-cr=α（6.64-4.76×1.12D/100）·kw/b·kFA·kSF tth-cr? （7）

將試驗相關(guān)系數(shù)代入式（7），得到凍融損傷噴射混凝土碳化作用預(yù)測值，并與試驗值進行對比分析，其關(guān)系見圖11。

從圖11可看出，預(yù)測值與試驗值誤差在20%以內(nèi)，平均誤差為0.11，方差為0.02，標準誤差為0.16。因此，通過此模型可較好地進行凍融損傷噴射混凝土碳化深度的預(yù)測。碳化齡期大于28 d時，預(yù)測值均大于試驗值，按照式（7）進行碳化耐久性設(shè)計，偏于安全。

4 結(jié)論

1）噴射混凝土碳化深度與凍融損傷度、混凝土配合比及成型方式有關(guān)：碳化深度隨凍融損傷度增大，高水膠比、高粉煤灰摻量噴射混凝土及模筑混凝土碳化深度大，鋼纖維噴射混凝土碳化深度小。

2）凍融損傷噴射混凝土相對抗壓強度隨著碳化深度增大，與碳化深度呈指數(shù)關(guān)系。相對抗壓強度增長率與凍融損傷度及噴射混凝土配合比有關(guān)。碳化噴射混凝土相對抗壓強度增長率隨凍融損傷度、水膠比及粉煤灰摻量增大而提高，鋼纖維噴射混凝土相對抗壓強度增長率小。這與凍融損傷噴射混凝土孔隙率及微裂縫數(shù)量有直接關(guān)系。

3） 凍融損傷噴射混凝土碳化深度符合Fick第一定律，碳化系數(shù)與凍融損傷度、配合比參數(shù)及混凝土的成型方式有關(guān)，建立了凍融損傷噴射混凝土碳化深度預(yù)測模型。通過與試驗值進行對比，模型總體誤差小于20%，方差為0.02，標準誤差為0.16，該模型可較好地進行凍融損傷噴射混凝土碳化深度預(yù)測。

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（編輯 王秀玲）

收稿日期：2019-06-18

基金項目：? 國家自然科學(xué)基金（51908440）;陜西省自然科學(xué)基金（2018JQ5032）;陜西省教育廳自然科學(xué)計劃專項（18JK0376）

作者簡介：? 王家濱（1986- ），男，博士，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究，E-mail：wangjiabin@xatu.edu.cn。

Received： 2019-06-18

Foundation items：? National Natural Science Foundation of China （No.51908440）; Natural Science Foundation of Shannxi Province （No. 2018JQ5032）; Natural Science Foundation of Shannxi Educational Committee （No. 18JK0376）

Author brief：? Wang Jiabin （1986- ）， PhD， main research interest： durability of concrete structure， E-mail： wangjiabin@xatu.edu.cn.