探討堿—集料反應(yīng)對噴射混凝土的影響

崔艷軍

(陜西交建公路工程試驗(yàn)檢測有限公司，陜西西安 710117)

1 工程概況

西商高速田家溝隧道是長隧道，按雙線六車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，屬大斷面隧道，左右線長度分別為2 310 m和2 230m，凈寬14．5 m，高8．10 m，最大開挖斷面165．9 m2。該隧道總掘進(jìn)550 m，均處于Ⅴ級圍巖段，上臺階采用雙側(cè)壁施工，下臺階開挖馬口跳槽落底。初期支護(hù)由 D25型中空注漿錨桿(L=350 cm，縱環(huán)向間距75 cm×100 cm)、φ8鋼筋網(wǎng)(間距20 cm ×20 cm)、28 cm 厚噴射混凝土、20b工字鋼(縱向間距75 cm)組成，結(jié)合φ42×3．5mm超前小導(dǎo)管(L=4．5m，縱、環(huán)向間距3m，0．4m)。施工過程中因地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，先后發(fā)生較大規(guī)模的塌方，采用了地表加固注漿、臨時(shí)噴射混凝土封閉、管棚超前支護(hù)、塌體注漿、預(yù)留核心土分部開挖支護(hù)等措施對塌方進(jìn)行治理，并穿越了山體滾落堆積體，從處理后的監(jiān)控觀測結(jié)果看，地表下沉、初期支護(hù)收斂變形均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

2 噴射混凝土作用分析

噴射混凝土是利用泵或高壓風(fēng)作為動(dòng)力把拌和好的混合料通過噴射機(jī)、輸料管以及噴頭直接射到隧道開挖好的圍巖壁上面，由于噴射力較大，容易造成反彈而下落。為了減少反彈損失，防止噴射混凝土因重力作用所引起的脫落，配制混凝土?xí)r加速凝劑可以提高混凝土的初凝、終凝時(shí)間，使其在數(shù)小時(shí)內(nèi)獲得能夠支持自重和隨掌子面推進(jìn)的荷載的施工上所需的強(qiáng)度。

噴射混凝土在施工期間是保證施工安全，減少圍巖松弛并支承圍巖，噴層在大面積與圍巖牢固接觸的前提下，控制圍巖不出現(xiàn)有害變形，從而使圍巖卸載。噴射混凝土還通過填平圍巖間的裂隙及表面凹處，使巖塊聯(lián)結(jié)在一起，提高巖塊之間的粘結(jié)力，摩阻力，防止圍巖松動(dòng)。在噴射混凝土完好覆蓋圍巖表面的情況下，還可以形成防風(fēng)化和止水的防護(hù)層。從力學(xué)意義上來講，噴射混凝土還可以分配外力，傳遞徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力到錨桿、鋼筋網(wǎng)架，使支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均勻。

3 堿—集料反應(yīng)及其危害

1)堿—集料反應(yīng)是混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合后與水中的堿(Na2O或K2O)與骨料中的活性成分反應(yīng)，經(jīng)過一個(gè)長期的過程，反應(yīng)生成物吸水膨脹，使混凝土產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，表面不均勻膨脹，產(chǎn)生裂縫。從而大大縮短混凝土建筑物的使用壽命，預(yù)防和抑制堿—集料反應(yīng)是國內(nèi)外混凝土界研究的重要領(lǐng)域之一。其反應(yīng)的內(nèi)外部條件主要有三點(diǎn):a．混凝土所用的骨料具有活性。b．混凝土中的總堿含量達(dá)到一定的數(shù)值。c．具有潮濕的環(huán)境，有水的存在。

2)產(chǎn)生堿—集料反應(yīng)的內(nèi)部條件是水泥中的堿含量和集料中的活性物質(zhì)。而其外部條件主要是水。對隧道工程中的初期支護(hù)C20噴射混凝土而言，正是長期處于地下濕度比較高的環(huán)境之下，而且每立方米水泥用量較大，因而產(chǎn)生堿—集料反應(yīng)的可能性極大。當(dāng)豐水年份地下浸流發(fā)生，地下水較多時(shí)，每立方米噴射混凝土中的堿含量將接近3 kg，和泥質(zhì)石灰質(zhì)白云石的活性物質(zhì)就會發(fā)生堿—集料反應(yīng)。所以采取必要的預(yù)防措施，步步設(shè)防才可減少堿—集料反應(yīng)的發(fā)生。

由于西商高速田家溝隧道地處白云質(zhì)灰?guī)r、角礫白云巖和白云巖山體中，按照就地取材的原則選用噴射混凝土的原材料，然后查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得到白云質(zhì)灰?guī)r等屬于沉積巖的是堿活性集料，用砂漿長度法試驗(yàn)得不到骨料有潛在堿—硅酸反應(yīng)(見表1)。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

上述的是堿—碳酸鹽反應(yīng)，屬于堿—集料反應(yīng)的第三類反應(yīng)，堿與泥質(zhì)石灰質(zhì)白云石發(fā)生作用，將白云石中的碳酸鈣鎂轉(zhuǎn)化為水鎂石Mg(OH)2，水鎂石晶體排列的壓力和粘土吸水膨脹，引起混凝土的內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂。與堿—硅酸反應(yīng)不同的是，堿—碳酸鹽反應(yīng)繼續(xù)產(chǎn)生堿，繼續(xù)反復(fù)與白云石反應(yīng)。堿—碳酸鹽反應(yīng)表現(xiàn)為有白色的碳酸鈣和碳酸鈉析出。外觀表現(xiàn)為混凝土表面出現(xiàn)樹枝狀、網(wǎng)狀裂縫(龜裂)，在集料處膨脹、開裂。盡管這些裂縫并不會使混凝土完全破壞，卻降低了混凝土的設(shè)計(jì)抗折抗壓強(qiáng)度、降低混凝土的耐久性，縮短了隧道的使用壽命。

3)噴射混凝土中的堿含量標(biāo)準(zhǔn)要求與實(shí)例計(jì)算。隧道初期支護(hù)使用的C20噴射混凝土的配合比的具體數(shù)據(jù)如下:

第一步:水泥∶砂∶石∶水∶外加劑 =420 kg∶1 027 kg∶840 kg∶189 kg∶16．8 kg。

C20噴射混凝土采用商洛料場所產(chǎn)的碎石和河砂。

C20噴射混凝土采用某化工有限公司的HL-J85粉狀速凝劑，其堿含量為 2．73%，pH=11．98≈12．0，屬堿性。

水泥采用某牌P．O32．5其堿含量為0．52%。

第二步:噴射混凝土含堿量計(jì)算公式:

混凝土堿含量=水泥帶入堿量+外加劑帶入堿量+摻和料中有效堿含量。

水泥帶入堿量 =420 kg×0．005 2=2．184 kg。

外加劑帶入的堿量 =16．8 kg×0．002 73=0．458 64 kg。

以上兩項(xiàng)之和得2．643 kg，帶入的總堿量約等于2．7 kg/m3小于3．0 kg/m3(未計(jì)第三項(xiàng)摻和料帶入的堿量)。

《混凝土堿含量限值標(biāo)準(zhǔn)》對混凝土中的總堿含量有規(guī)定:在重要工程橋梁隧道中應(yīng)用的混凝土的總堿含量不能超過3 kg/m3。

上述的C20噴射混凝土中的含堿量未超過3 kg/m3。

4)預(yù)防堿碳酸鹽反應(yīng)的思路。從推算噴射混凝土中的兩項(xiàng)堿含量可以看出，水泥中的堿含量占噴射混凝土總堿量的80%以上，而外加劑中的堿含量只占噴射混凝土總堿量的20%以下。因此預(yù)防堿—碳酸鹽反應(yīng)這類堿—集料反應(yīng)的思路有兩條:a．盡量選用低堿或無堿水泥(水泥的含堿量以當(dāng)量氧化鈉(Na2O+0．658K2O)計(jì)，不得超過0．6%)。減少C20噴射混凝土中的水泥用量，使每立方米混凝土的堿含量不大于3．0 kg。嚴(yán)格限制使用高堿外加劑。b．在開挖圍巖時(shí)，如發(fā)現(xiàn)地下水，應(yīng)盡可能引入排水溝中，使隧道保持較為干燥的施工和運(yùn)營環(huán)境，切斷造成堿—集料反應(yīng)的外部條件。

4 結(jié)語

堿—集料反應(yīng)不是一般的含活性SiO2的堿—硅酸鹽反應(yīng)，而是指堿—碳酸鹽這類堿—集料反應(yīng)。目前把堿—集料反應(yīng)稱作混凝土的頑癥，所以無論哪一種堿—集料反應(yīng)都應(yīng)引起高度重視。建議C20噴射混凝土的總堿含量控制在每立方米3．0 kg以下。施工中，切實(shí)做好防水、排水措施，切斷發(fā)生堿骨料反應(yīng)的外部條件，從而延長隧道的使用壽命。