瓦斯隧道氣密性混凝土配合比設(shè)計

肖立波

(中鐵二局 工程測試中心，成都 610031)

自上世紀90年代開始，國內(nèi)在公路、鐵路等瓦斯隧道工程中，開始研究使用氣密性混凝土防止瓦斯突出技術(shù)。其中在華鎣山公路隧道、上清河鐵路隧道、渝遂路大學城(梨樹灣)隧道均成功地運用了該技術(shù)，即利用在混凝土中添加礦物摻和料、外加劑等配制氣密性混凝土，實際應(yīng)用效果很好，能夠達到封閉瓦斯、防水及防腐的目的。另一方面，隨著我國鐵路、公路建設(shè)的迅速發(fā)展，其中通過煤層的高瓦斯隧道工程會越來越多，氣密性混凝土試配設(shè)計及施工技術(shù)在近年還會有很大的發(fā)展。本文著重介紹用正交試驗方法選定氣密性混凝土配合比的過程。

1 氣密性混凝土的技術(shù)要求

水灰(膠)比是控制混凝土密實性的主要因素，有關(guān)試驗資料表明，水泥漿孔隙率超過20% ～30%時，硬化后的水泥漿滲透系數(shù)將急劇變大，因此水灰比的控制，對混凝土的抗?jié)B性有著極其重要的作用。目前，對于氣密性混凝土的水灰比限值尚未明確界定，根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ042—94)關(guān)于抗?jié)B混凝土的規(guī)定及瓦斯隧道施工相關(guān)試驗資料，氣密性混凝土的水灰比應(yīng)不大于0.55，坍落度宜控制在160～200 mm范圍，抗壓強度等級不低于 C20、抗?jié)B等級不低于 P8，透氣系數(shù) K ＜1×10－11cm/s。

有關(guān)資料表明，混凝土對瓦斯的氣密性和對空氣的氣密性大體屬于同一數(shù)量級(瓦斯包括烴類氣體(甲烷等)、CO2、CO、H2S等在內(nèi)的有害氣體，甲烷含量約占80%)，所以可以采用測定混凝土對空氣的氣密性來間接評估對瓦斯的氣密性。對于測定方法及評估指標，目前常用的有定壓法和變壓法。定壓法是保持工作壓力不變，測定一定量流體透過試件需要的時間或在一定時間內(nèi)流體透過試件的數(shù)量作為氣密性衡量指標，按前蘇聯(lián)及日本的測試裝置，氣密性采用透氣系數(shù)即在定壓條件下，以氣體在單位時間內(nèi)，于單位面積上的滲流量表示。

2 氣密性混凝土原材料實測指標

1)水泥

四川亞東水泥公司生產(chǎn)的“洋房”牌 P.O42.5R水泥，實測28 d抗壓強度為44.7 MPa，所檢指標均滿足GB175—2007標準要求。

2)粗骨料

周家鎮(zhèn)石子，規(guī)格5～20 mm和16.0～31.5 mm兩級配的碎石，摻配比例為20%∶80%，摻配后級配滿足5.0～31.5 mm連續(xù)級配要求，含泥量為0.5%，針片狀含量為7.2%。所檢指標均符合 GB/T14685—2001標準中Ⅱ類標準。

3)細骨料

細骨料對混凝土的氣密性影響很大，含細粉過多會增大混凝土的收縮，對細骨料的級配及粉塵含量必須嚴格控制，選用彭州河砂，細度模數(shù)為2.8，實測含泥量為2.0%。所檢指標均符合GB/T14684—2001中Ⅱ類砂標準。

4)磨細礦渣粉

成都混凝土新建材有限公司生產(chǎn)的S75級磨細礦渣粉，試驗檢測結(jié)果見表1。

5)氣密劑

四川眉山永江工貿(mào)有限責任公司生產(chǎn)的FOS型氣密性防腐劑，廠家推薦摻量4% ～8%，減水率約為16%，試驗檢測結(jié)果見表2，另對鋼筋無腐蝕作用。

6)拌合用水

飲用水，滿足混凝土拌合用水標準。

表1 S75級磨細礦渣粉檢測結(jié)果

表2 氣密性防腐劑檢測結(jié)果

3 氣密性混凝土設(shè)計

3.1 設(shè)計依據(jù)

《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ 55—2000;《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》TB 10120—2002;《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》JTJ042—94。

3.2 設(shè)計原理

在混凝土中摻入適量的礦物外摻料、氣密性防腐劑等材料，這樣配制的混凝土即為氣密性混凝土。氣密性混凝土正是利用礦物外摻料、氣密性防腐劑的活性和微粒填隙機能，改善硬化混凝土微觀和亞微觀結(jié)構(gòu)，使混凝土中的空隙率降低，孔結(jié)構(gòu)細化并減少貫通性毛細孔數(shù)量;從而提高其密實度、抗?jié)B性和耐腐蝕性，達到封閉瓦斯、防水及防腐的目的。

3.3 設(shè)計思路

1)在進行配合比設(shè)計前先對擬用原材料進行篩選鑒定試驗，確保配合比所用原材料的質(zhì)量;

2)配合比設(shè)計采用L9(34)正交設(shè)計方案，通過正交試驗成果分析各方面影響因素，最后確定一個最佳的配合比。

3.4 配合比設(shè)計參數(shù)確定

1)試配強度 fcu，o=fcu，k(抗壓強度標準值)+1.645σ=33.2 MPa(設(shè)計混凝土等級為C25;σ為標準差，取 5.0 MPa。)

2)水膠比 W/C=αa×fce/fcu，o+αa× αb× fce=0.59(其中:αa、αb為回歸系數(shù)，αa為 0.46，αb為0.07;fce為水泥實測28 d抗壓強度)。

為滿足混凝土抗?jié)B等級及氣密性能要求，基準水膠比確定為 0.52，選用 0.03間隔分別試配 0.52，0.49，0.55三個配合比。

3)砂率 為滿足混凝土的可泵性，砂率選用45%。

4)單方用水量 根據(jù) JGJ55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》混凝土用水量按坍落度及粗集料規(guī)格查表及多次試拌，最終確定摻加氣密劑后用水量為185 kg/m3。

5)外加劑及外摻料摻量 ①FOS型氣密性防腐劑選用廠家推薦的摻量范圍內(nèi)的三個摻量:4%，6%，8%，采用內(nèi)摻等量取代水泥;②S75級磨細礦渣粉選用16%，18%，20%三個摻量，采用內(nèi)摻等量取代水泥。

3.5 確定正交試驗方案

采用L9(34)正交試驗方案，選用水膠比(A)、氣密劑摻量(B)、礦粉摻量(C)三個因素，因素水平表見表3，相應(yīng)的正交試驗方案見表4。

表3 因素水平

表4 L9(34)正交試驗方案

4 氣密性混凝土拌合及透氣系數(shù)試驗操作要點

4.1 氣密性混凝土拌合

試驗混凝土的拌合采用SJD-60型強制式攪拌機進行兩次投料攪拌。先加水泥、礦粉、氣密劑和砂干拌1.5 min，達到攪拌料顏色均勻后，再加入石子及水攪拌2.0 min，經(jīng)驗證攪拌效果較好，拌合物均勻無離析現(xiàn)象。

4.2 透氣系數(shù)測試

4.2.1 試件制作

試件為上口直徑175 mm、下口直徑185 mm、高150 mm的截頭圓錐形試件，成型方法及使用試模均同抗?jié)B混凝土試件。一組試件為6個。試件成型靜置24 h后拆模，用鋼絲刷將上下端面的水泥膜刷除干凈，移至標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d齡期，然后在室內(nèi)自然氣干14～28 d，使試件濕度與大氣充分平衡。

4.2.2 測試裝置

氣密性試驗采用的是下進氣法測試，測試裝置由天津建筑儀器廠生產(chǎn)的HP4.0型自動加壓抗?jié)B儀改裝而成。即在原抗?jié)B儀基礎(chǔ)上增加空壓機和氣壓計，將抗?jié)B儀的儲水罐改為儲氣罐，氣壓計用帶有刻度的“U”形透明玻璃管裝入適量的水，空壓機、儲氣罐和抗?jié)B儀之間用高壓風管連接，抗?jié)B儀和氣壓計之間用軟膠管連接。

4.2.3 試件測試

在測試之前，先將試件側(cè)面雜物清除干凈，再裹上加熱后的石蠟。然后將試件放到預(yù)熱至55℃左右的試模中，將試件帶模一起小頭朝下迅速放到壓力試驗機的承載板上，并在試件上放一個φ175 mm事先準備好的承壓鋼板，緩慢加壓至25 kN穩(wěn)壓4 min后將壓力慢慢降低至零，如試件已基本穩(wěn)定，將試件連同試模一起取下。檢查試件與試模之間的密封質(zhì)量，方法是將試件(模)安裝到測試儀上，在試件與試模間涂抹少量的肥皂水，然后開氣閥加壓到0.6 MPa，檢查是否有氣泡從試件四周冒出。檢驗合格后，即可進行試驗。

測試步驟:

1)在抗?jié)B儀上安裝好測試試件。

2)打開氣閥，將氣壓控制在0.3 MPa，穩(wěn)壓6 h。

3)將氣壓計的軟管與頂蓋的出氣管連通，開始測讀透氣量，然后每間隔30 min測讀一次，直至連續(xù)兩次的透氣量讀數(shù)差不大于平均值的10%時為止，取兩次透氣量平均值作為該試件的0.5 h透氣量。若透氣量很大，也可以按透氣量達到某一固定值時所需要的時間控制，連續(xù)兩次的時間差也應(yīng)控制在平均值的10%以內(nèi)，取其平均值作為該試件的透氣時間，計算出該測試壓力下單位時間的透氣量。然后繼續(xù)提高壓力，穩(wěn)壓6 h后，繼續(xù)測試。

4)在測試過程中如發(fā)現(xiàn)透氣量突然增大時，應(yīng)卸壓后重新檢查密封情況，必要時需重新測定。

4.2.4 透氣系數(shù)計算

以混凝土在一定壓力、一定時間內(nèi)的透氣總量計算其透氣系數(shù)K，以K來評定混凝土的氣密性，在每組試件的透氣量Q的結(jié)果中舍去最大和最小值，按下式計算透氣系數(shù)K值:

式中，P1為施壓一側(cè)氣體壓力(MPa);P2為透氣壓力(MPa);Q為單位時間透氣量(cm3/s)，Q=［(L1－L2)/ΔT］× (πd2/4)(ΔT為測試時間差，d為氣壓計玻璃管直徑);γa為空氣重度，取1.205×10－5N/cm3;A為透氣面積(cm2);L為試件厚度(cm)。

5 正交試驗結(jié)果分析

經(jīng)正交試驗，各配合比混凝土物理及力學性能指標見表5。

正交成果趨勢圖如圖1所示。

經(jīng)過分析，得出以下結(jié)論:

1)隨著水膠比的降低，混凝土抗壓強度增大，混凝土透氣系數(shù)降低;

2)礦粉的摻量變化對混凝土的強度及透氣系數(shù)影響很小;

3)氣密劑的摻量對強度及透氣系數(shù)影響較大，隨著摻量的增大，混凝土抗壓強度和透氣系數(shù)均降低，而氣密劑的摻量為最低時混凝土的流動性稍差。

綜合以上分析，考慮混凝土強度、透氣系數(shù)和和易性因素，經(jīng)過多次試拌，最終確定A3B2C1配比為選用的最佳理論配合比。

圖1 正交試驗成果趨勢

6 應(yīng)用驗證

采用選定的A3B2C1配合比在四川都江堰至汶川公路董家山隧道工地現(xiàn)場進行氣密性混凝土施工，經(jīng)取樣檢測，各方面指標均滿足要求。試驗指標匯總見表6。

表6 現(xiàn)場取樣試驗結(jié)果匯總

7 結(jié)語

1)氣密混凝土施工必須嚴把原材料質(zhì)量關(guān)，確保原材料質(zhì)量穩(wěn)定。

2)采用S75級礦粉、氣密劑，通過優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計，可配制出滿足要求的氣密性混凝土。

3)氣密劑摻量是氣密性混凝土設(shè)計的關(guān)鍵，本項目所確定的FOS型氣密性防腐劑最佳摻量為6%。

4)氣密混凝土現(xiàn)場施工時必須嚴格按規(guī)定投料順序和攪拌時間進行拌制，澆注時特別注意施工縫處理，加強混凝土的早期養(yǎng)護工作。

［1］趙鐵軍.混凝土滲透性［M］.北京:科學出版社，2005.

［2］王永海，柯國炬，李北星，等.配制高性能粉煤灰隧道混凝土的正交試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(2):52-55.

［3］王有德，宋平興.氣密性混凝土配合比設(shè)計試驗技術(shù)分析［J］.山西建筑，2003(15):50-51

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［5］中華人民共和國建設(shè)部.JGJ55—2000 普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.