巖溶發(fā)育區(qū)隧道混凝土抗?jié)B性能關(guān)鍵影響參數(shù)研究

為了應對在巖溶發(fā)育地區(qū)建設隧道面臨著特殊地質(zhì)、水文環(huán)境等條件對隧道襯砌結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能提出的挑戰(zhàn)，文章提出了一種有效的巖溶發(fā)育區(qū)隧道襯砌抗?jié)B混凝土制備方法，通過優(yōu)化膠凝材料體系和摻入石粉和硅灰，實現(xiàn)了混凝土在抗?jié)B性能、工作性能和力學性能方面的綜合提升。結(jié)果表明：適度增加膠凝材料用量可以提高混凝土的抗?jié)B性能，而較低的膠凝材料用量會降低混凝土的工作性能；適當摻入石粉和硅灰可以在提高工作性能的同時提高抗?jié)B性能；當石粉摻量為20%且硅灰摻量為5%時，該體系不僅在工作性能和力學性能方面表現(xiàn)出良好的綜合性能，還顯著改善了抗?jié)B性能。

隧道；抗?jié)B混凝土；正交試驗；石粉；硅灰

U457+.2A290943

作者簡介：

黃禎尹（1991—），工程師，主要從事橋梁養(yǎng)護方面的管理和研究工作。

0" 引言

隨著我國交通強國建設的推進，公路工程領域迅猛發(fā)展。受我國廣泛多樣的地理條件影響，不同地區(qū)的地質(zhì)狀況差異顯著，這對隧道防水結(jié)構(gòu)構(gòu)建提出了巨大挑戰(zhàn)［1］。我國在大型隧道和地鐵等地下工程方面取得了顯著進展，但在工程結(jié)構(gòu)的防水和防滲方面仍存在技術(shù)不足的問題，尤其是在地下水資源豐富的地區(qū)表現(xiàn)更為明顯。因此，滲漏水問題一直是溶巖發(fā)育地區(qū)豐水隧道施工亟待解決的難題［2］。

混凝土是隧道工程中最常用的材料，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量起關(guān)鍵作用。隨著礦物摻合料、膨脹劑等功能型防水材料的引入，二次襯砌混凝土的抗?jié)B性能得到顯著提升，抗?jié)B等級可以達到較高水平。然而，由于硬化特性的限制，二次襯砌混凝土必須分段澆筑，這不可避免地導致施工縫的出現(xiàn)，從而形成防水結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)［3］。因此，研發(fā)新型隧道施工縫結(jié)構(gòu)和高性能抗?jié)B混凝土仍然具有必要性。

近年來，國內(nèi)外研究者在混凝土抗?jié)B方面進行了廣泛的研究和探索，在礦物摻合料方面的研究主要集中在影響因素方面。賈飛等［4］研究了京秦高速公路隧道，以此為背景探討了大摻量粉煤灰對隧道二次襯砌混凝土的抗壓強度、吸水性以及抗氯離子滲透性的影響，結(jié)果表明在富水隧道中，大摻量粉煤灰混凝土的應用是值得推廣的。Chalee W等［5］通過ASTM C1152試驗方法研究發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰置換率的增加，混凝土的氯離子滲透性顯著降低，根據(jù)Fick第二定律的分析，氯離子滲透系數(shù)也顯著減小。

本文結(jié)合溶巖發(fā)育地區(qū)富水隧道的地質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點，著重研究了膠凝材料體系及石粉和硅灰摻量對溶巖發(fā)育區(qū)隧道襯砌混凝土抗?jié)B性能的影響，旨在解決溶巖發(fā)育地區(qū)隧道抗?jié)B混凝土的制備難題。

1" 配合比基本參數(shù)確定

自密實混凝土的配合比設計應采用絕對體積法。建議自密實混凝土的水膠比應保持在＜0.45，而膠凝材料的用量應在400～550 kg/m3。為了改善漿體的粘聚性和流動性，可以適度增加漿體體積，采用增加粉體材料或添加外加劑的方法。初步配合比設計如表1所示，主要關(guān)注膠凝材料用量、砂率和水膠比等因素對混凝土的工作性能和力學性能的影響。

1.1" 膠凝材料用量

通過采用3種不同的膠凝材料用量（400 kg/m3、420 kg/m3和440 kg/m3）進行試驗，研究了膠凝材料用量對自密實混凝土的流動性能和力學性能的影響，試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的擴展度和28 d抗壓強度都逐漸增加，并且增長趨勢相似。然而，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當混凝土的膠凝材料用量較低（400 kg/m3）時，混凝土的漿液包裹性不足，且和易性差［6］。但當膠凝材料用量增加到420 kg/m3時，混凝土的工作性能及和易性適中，可以滿足泵送要求，并且相較于420 kg/m3混凝土的配合比，具有更好的經(jīng)濟性。因此，后續(xù)試驗中的膠凝材料用量均設置為420 kg/m3。

（a）擴展度" （b）抗壓強度

1.2" 水膠比

使用3種不同的水膠比（0.38、0.4和0.42）進行試驗，研究水膠比對自密實混凝土的流動性能和力學性能的影響，結(jié)果如圖2所示。隨著水膠比的增加，自密實混凝土的流動性逐漸提高，但混凝土28 d抗壓強度逐漸下降。試驗結(jié)果表明，當混凝土的水膠比為0.4時，混凝土的流動性能和力學性能都能夠滿足混凝土施工的要求，因此，選擇水膠比為0.4。

（a）擴展度

（b）抗壓強度

巖溶發(fā)育區(qū)隧道混凝土抗?jié)B性能關(guān)鍵影響參數(shù)研究/黃禎尹，張大興，馬世朝，郝朝偉

1.3" 砂率

對3種不同的砂率（0.44、0.46、0.48）進行試驗，研究砂率對自密實混凝土的流動性能和力學性能的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著砂率的增加，混凝土的擴展度逐漸提高，但與此同時混凝土的28 d抗壓強度也逐漸減小。試驗結(jié)果表明，當砂率為0.44時，混凝土的流動性能和力學性能均能夠滿足混凝土施工的要求。盡管在砂率＞0.44后，其流動性能有所改善，但與此同時強度下降較快。因此，選擇合理的砂率為0.44。

（a）擴展度

（b）抗壓強度

通過上述試驗，初步確定了自密實混凝土的配合比設計參數(shù)，即膠凝材料用量為420 kg/m3、水膠比為0.4、砂率為0.44。

2" 膠凝材料體系的確定

在初步配合比的基礎上，研究不同膠凝材料體系和不同石粉摻量對自密實混凝土工作性能和力學性能的影響，本次試驗設計了4種膠凝材料體系，分別是水泥；水泥+礦粉；水泥+石粉；水泥+石粉+硅灰，詳見表2。通過研究不同膠凝材料體系和石粉摻量下自密實混凝土的工作性能與力學性能，最終確定最經(jīng)濟合理且滿足施工要求的膠凝材料體系。

2.1" 礦粉摻量對混凝土性能的影響

在水泥+礦粉膠凝材料體系下，研究不同礦粉摻量（15%、20%、25%）對自密實混凝土的流動性能和力學性能的影響規(guī)律。如下頁圖4所示，可以觀察到隨著礦粉摻量的增加，混凝土的擴展度和抗壓強度均逐漸減小。在礦粉摻量＜20%的情況下，混凝土擴展度的減小幅度較小，而抗壓強度下降幅度較為平衡。因此，綜合工作性能和力學性能的試驗結(jié)果，建議在自密實混凝土的配制中盡量避免使用礦粉。

2.2" 礦粉摻量對混凝土性能的影響

在水泥+石粉膠凝材料體系下，研究不同石粉摻量（15%、20%和25%）對自密實混凝土的流動性能和力學性能的影響規(guī)律，如圖5所示。隨著石粉摻量的增加，混凝土的擴展度顯著增加，而28 d抗壓強度逐漸降低。這表明單獨摻入石粉可以提高混凝土的工作性能，但會降低混凝土的抗壓強度［7］。因此，在使用石粉配制混凝土時，必須復配一些能提高抗壓強度的材料。

（a）擴展度

（b）抗壓強度

2.3" 石粉和硅灰復摻對混凝土性能的影響

在水泥+石粉+硅灰膠凝材料體系下，固定硅灰摻量為5%，研究不同石粉摻量（15%、20%和25%）對自密實混凝土流動性能和力學性能的影響規(guī)律，如圖6所示。隨著石粉摻量的增加，混凝土的擴展度顯著增加，而28 d抗壓強度在一開始增加后逐漸下降。這表明在適當?shù)氖蹞搅亢凸杌覅f(xié)同作用下，可以提高混凝土的強度，但當石粉摻量較大時，混凝土的強度會下降。當石粉與硅灰的總摻量比例為20%+5%時，混凝土的28 d抗壓強度與純水泥體系相當。但當石粉摻量＞20%時，混凝土的抗壓強度顯著下降。因此，綜合考慮經(jīng)濟性和對混凝土工作性能和力學性能的要求，建議控制石粉的摻量在20%左右，硅灰的摻量在5%左右。

（a）擴展度

（b）抗壓強度

2.4" 不同膠凝材料體系下混凝土性能分析

在上述試驗的基礎上，通過固定礦粉摻量（20%）并復摻石粉和硅灰（20%+5%），對比不同膠凝材料體系下混凝土的工作性能、力學性能和抗?jié)B性能，同時與純水泥體系進行了對比。對比結(jié)果如圖7和表3所示。

（a）擴展度

（b）抗壓強度

由圖7可知，不同的膠凝材料體系對混凝土的工作性能和力學性能產(chǎn)生了顯著的影響。與純水泥體系相比，水泥+石粉+硅灰膠凝材料體系下混凝土的流動性能顯著改善，而28 d抗壓強度與純水泥體系相當，因此適合用于自密實混凝土的配制［8］。另一方面，水泥+礦粉體系下混凝土的28 d抗壓強度略有下降，同時流動性也有輕微下降。

在抗?jié)B試驗過程中，觀察到由于水壓的影響，混凝土試件逐漸被頂起，導致試驗結(jié)束時混凝土試件的頂面高于試模。與純水泥配制的混凝土試件相比，摻20%礦粉的混凝土試件抗?jié)B性能有所降低，而復合摻石粉和硅灰的混凝土試件抗?jié)B性能明顯提高。由表3可知，在水壓力達到1.3 MPa時，純水泥的混凝土試件中有兩個發(fā)生了滲漏，根據(jù)規(guī)范要求，此時其抗?jié)B等級為P12，而摻20%礦粉的混凝土試件的抗?jié)B等級為P10。然而，摻復合摻石粉和硅灰的混凝土試件的抗?jié)B等級達到了P15。

根據(jù)上述工作、力學和抗?jié)B性能的試驗結(jié)果，最佳的自密實混凝土膠凝材料體系確定為水泥+石粉+硅灰。

3" 結(jié)語

本文對隧道二砌自密實混凝土配制進行了深入研究，結(jié)合對膠凝材料用量、砂率、水膠比等變量的考察以及膠凝材料體系的優(yōu)化試驗，得出以下主要結(jié)論：

（1）隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的擴展度和28 d抗壓強度逐漸增加。然而，當膠凝材料用量較低時，混凝土的漿液包裹性不足，并存在和易性方面的偏差。當膠凝材料用量達到420 kg/m3時，混凝土的工作性能及和易性達到了適中水平，足以滿足泵送要求。

（2）隨著礦粉摻量的增加，混凝土的擴展度和抗壓強度逐漸降低。單獨摻入石粉可以提高混凝土的工作性能，但會降低混凝土的抗壓強度。然而，通過適量的石粉和硅灰的協(xié)同摻入，可以同時提高混凝土的工作性能和力學性能。

與其他膠凝材料體系相比，水泥+石粉+硅灰的膠凝材料體系表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。當石粉摻量為20%且硅灰摻量為5%時，該體系不僅提高了混凝土的工作性能和力學性能，還顯著改善了抗?jié)B性能。

綜上所述，這些研究結(jié)果為隧道二砌自密實混凝土的配制提供了堅實的科學依據(jù)。硅灰、石粉在混凝土配制中的應用以及最佳膠凝材料體系的確定，為工程實踐提供了有力的支持，對于提升隧道工程質(zhì)量和減少維護成本具有積極的意義。

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