低溫升高抗裂機(jī)制砂隧道襯砌混凝土的研究與應(yīng)用

陳露一，包嘉誠

（1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430034；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北武漢 430034）

0 引言

隧道經(jīng)洞身開挖、初期支護(hù)后，為減緩地基或圍巖沉降變形，營造安全的運(yùn)營通車環(huán)境，需及時(shí)進(jìn)行襯砌混凝土結(jié)構(gòu)層施工，二襯作為隧道防水最后一道防線，其耐久性是隧道長期安全運(yùn)營的關(guān)鍵[1]。隧道內(nèi)風(fēng)速較大，且二襯一側(cè)處于圍巖剛性約束下，若混凝土水化溫升過高，混凝土工程內(nèi)部蓄積的熱量無法釋放，造成較大內(nèi)表溫差致使表面開裂；亦會(huì)加劇外界環(huán)境中各類侵蝕性離子（Cl-、SO42-）對(duì)混凝土的侵蝕，縮短結(jié)構(gòu)的服役壽命[2-4]。

張國華等[5]調(diào)研分析重慶部分地鐵線路隧道襯砌開裂現(xiàn)象，提出混凝土收縮變形及膠凝材料水化溫升是引發(fā)襯砌混凝土環(huán)向裂縫的主要原因。羅斌[6]提出貫穿結(jié)構(gòu)全厚度的貫穿裂縫是混凝土性能劣化的主要原因。胡紅梅等[7]調(diào)研了廈門市多條地鐵及跨海通道，提出硫酸鹽侵蝕是致使襯砌混凝土結(jié)構(gòu)軟化、酥松、剝落的主要成因，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的使用壽命產(chǎn)生不良影響。

保神高速位于湖北省西部山區(qū)，是連接襄陽及神農(nóng)架林區(qū)的重要快速通道。項(xiàng)目途徑多座隧道，為確保高速公路長期運(yùn)營安全，打造百年工程，加快推進(jìn)湖北省“脫貧攻堅(jiān)”戰(zhàn)略，項(xiàng)目針對(duì)襯砌混凝土展開專項(xiàng)研究，利用當(dāng)?shù)刎S富的機(jī)制砂資源，通過配合比優(yōu)化，降低混凝土的水化放熱，提高結(jié)構(gòu)耐久性。該科技成果直接應(yīng)用于保神高速沿線隧道施工。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：分別選用亞東P·O42.5、華新P·O42.5及葛洲壩P·O42.5水泥，性能符合GB/T 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，3種水泥的礦物組成及力學(xué)性能見表1。

表1 水泥礦物組成及力學(xué)性能

粉煤灰：Ⅱ級(jí)，襄陽某電廠產(chǎn)，主要化學(xué)成分見表2。

表2 粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

礦粉：S95級(jí)，比表面積430 m2/kg，需水量比94%。

石灰石粉：400目，密度2.69 g/cm3，比表面積264.1 m2/kg，流動(dòng)度比96%。

膨脹劑：三源特種建材公司產(chǎn)輕燒MgO膨脹劑，0.08 mm篩篩余6.2%，實(shí)測活性160 s。

減水劑：聚羧酸系高效減水劑，固含量18%，減水率24%。

集料：細(xì)集料為當(dāng)?shù)厣皬S破碎機(jī)制砂，石粉含量12.9%，細(xì)度模數(shù)3.03，MB值0.8；粗集料為石灰?guī)r碎石，將小石（5～10 mm）、中石（10～20 mm）和大石（16～31.5 mm）按3∶5∶2的質(zhì)量比摻配而成，壓碎值16.4%，針片狀含量4.1%。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土拌合物坍落度、擴(kuò)展度；參照GB/T 50081—2019《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行混凝土試塊的成型、養(yǎng)護(hù)及力學(xué)性能測試；依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土的早期抗裂及抗氯離子滲透性；干濕循環(huán)下混凝土抗硫酸鹽侵蝕試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，侵蝕溶液為質(zhì)量濃度5%的Na2SO4溶液，試件經(jīng)標(biāo)養(yǎng)28 d后，放入Na2SO4溶液中浸泡12 h，置于65 ℃烘箱10 h，冷卻至室溫2 h，每50次循環(huán)后測試其抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量損失率，試驗(yàn)周期為250次；采用FEI QUANTA FEG 450型掃描電鏡觀察膠凝漿體的微觀形貌，膠凝漿體成型后經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，然后用無水乙醇浸泡終止水化；采用美國TA儀器生產(chǎn)的TAM Air微量熱儀，進(jìn)行水化熱分析，試樣為混凝土同配比凈漿。

2 低溫升高抗裂機(jī)制砂襯砌混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 水泥礦物成分對(duì)收縮開裂的影響

保神高速茅山隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用C30機(jī)制砂混凝土，因此本研究以C30機(jī)制砂混凝土為基準(zhǔn)，基于大量工程試驗(yàn)，確定其基準(zhǔn)配比為：m（水泥）∶m（機(jī)制砂）∶m（碎石）∶m（水）=420∶810∶960∶160，固定減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的1.2%。水泥是混凝土的核心組分，通常在水化凝結(jié)過程中體積縮減0.03%，產(chǎn)生大量水化熱，從而引發(fā)混凝土表面收縮開裂。Justnes等[8]指出，水泥礦物組成是凈漿早期開裂的主要原因，本文選取3種不同品牌水泥，采用膠凝材料體系環(huán)約束法，研究礦物組成對(duì)抗裂性能的影響。

表3 不同品種水泥環(huán)約束試驗(yàn)

由表3可知，亞東P·O42.5水泥開裂最早，葛洲壩P·O42.5水泥開裂最晚，開裂齡期為76.2 h。Justnes通過研究水泥特性對(duì)化學(xué)收縮的影響，提出水泥水化產(chǎn)物主要為C-S-H凝膠，其體積小于水泥與水體積之和，不同單礦相應(yīng)的收縮值存在較大差異，為C3A＞C4AF＞C3S＞C2S，其中C3A的收縮值約為C2S的4倍。因此可以認(rèn)為，水泥組分中C3A含量對(duì)混凝土抗裂性產(chǎn)生決定性影響，其含量越小，混凝土的抗裂性能越高。本文后續(xù)試驗(yàn)皆選用葛洲壩P·O42.5水泥。

2.2 膠凝體系對(duì)水化放熱影響

為降低混凝土水化溫升，配比中引入部分礦物摻合料及石灰石粉，以等比例替代水泥，“稀釋”水泥中的C3A，延緩水化溫升，其配比及性能如表4所示。

由表4可見：

（1）粉煤灰具備良好的“微集料效應(yīng)”及“填充效應(yīng)”，可發(fā)揮一定的物理減水作用，提高拌合物工作性能。粉煤灰作為一種鋁質(zhì)火山灰材料，其早期反應(yīng)活性相對(duì)水泥、礦粉較低，隨粉煤灰摻量增加，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度及凈漿水化放熱量降低，當(dāng)其摻量為30%時(shí)，凈漿3 d水化放熱量僅為Z1組的86.7%，放熱峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后4.1 h，可顯著降低襯砌混凝土早期開裂風(fēng)險(xiǎn)[9]。

表4 不同膠凝材料體系對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能以及凈漿水化放熱的影響

（2）礦粉早期水化活性較高，水泥中的C3S、C2S水化生成Ca（OH）2，其氫氧根離子對(duì)礦粉產(chǎn)生堿激發(fā)效應(yīng)，使其產(chǎn)生一定膠凝性水化消耗部分粗大Ca（OH）2的晶粒，降低結(jié)構(gòu)脆性，改善混凝土界面過渡區(qū)，然而礦粉需水量大將對(duì)混凝土工作性能造成明顯劣化。分析表4可見，當(dāng)摻入礦粉時(shí)，凈漿3 d水化放熱量無明顯降低，摻量為10%時(shí)，相較Z1組僅降低0.27%。對(duì)比Z2、Z6可見，當(dāng)用10%礦粉替代粉煤灰作摻合料時(shí)，凈漿水化加速期縮短，溫升峰值提前，不利于襯砌混凝土早期抗裂。

（3）石灰石粉無水化活性，分析Z7、Z8、Z9三組可知，將其作為一種惰性填料，部分替代粉煤灰，隨石灰石粉摻量增加，凈漿溫升峰值進(jìn)一步滯后，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)石灰石粉摻量為15%時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度僅為35.7 MPa，低于GB/T 50081—2019的要求，因此石灰石粉含量不宜高于15%。

2.3 襯砌混凝土抗裂性能優(yōu)化

混凝土抗拉強(qiáng)度較低，襯砌混凝土受單側(cè)圍巖及鋼筋籠約束，隨水泥水化不可避免出現(xiàn)體積收縮，若結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度無法抵抗其收縮應(yīng)力，襯砌形成表面裂紋甚至貫穿性裂紋[10]。因此，需摻加適量膨脹組分補(bǔ)償混凝土收縮。常用補(bǔ)償劑補(bǔ)償機(jī)理如下所示：

氧化鈣及鈣礬石類膨脹劑具備良好的膨脹時(shí)效性，主要作用于水化反應(yīng)早期補(bǔ)償混凝土塑性收縮及化學(xué)收縮等，氧化鎂類膨脹劑因其燒成制度，具備延遲膨脹特性，通常作用于水化后期。考慮到襯砌結(jié)構(gòu)施工要求混凝土具備一定的速凝性，且鈣礬石類膨脹劑反應(yīng)消耗水量較多，易在水化早期同水泥產(chǎn)生“爭水效應(yīng)”，不利于水泥水化。因此，選用氧化鈣類膨脹劑，分別按膠凝材料的2%、4%、7%摻入，固定膠凝材料總量為420 kg/m3，砂率為45%，水膠比為0.38，減水劑摻量為1.2%。不同膨脹劑摻量混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度見表5，收縮曲線見圖1。

表5 不同摻量膨脹劑混凝土的性能

圖1 不同膨脹劑摻量混凝土的干燥收縮

由圖1可見，摻入粉煤灰及石灰石粉取代部分水泥，可顯著降低混凝土的干燥收縮率，隨膨脹劑摻量增加，混凝土收縮率進(jìn)一步降低，其補(bǔ)償收縮效果也逐步降低。結(jié)合表5可知，氧化鈣類膨脹劑具有良好的時(shí)效性，雖可在水化早期快速補(bǔ)償收縮，避免襯砌收縮開裂，但其膨脹反應(yīng)速率快，易在水化早期同水泥產(chǎn)生“爭水效應(yīng)”，當(dāng)摻量為7%時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度僅為33.4 MPa，低于GB/T 50081—2019的要求，且工作性能不佳。此時(shí)漿體黏稠，結(jié)構(gòu)內(nèi)部相對(duì)濕度較小，大量水泥黏結(jié)成團(tuán)未能充分水化，對(duì)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度造成不利影響。

混凝土早期平板抗裂試驗(yàn)如表6和圖2所示。

圖2 混凝土早期平板抗裂試驗(yàn)

表6 混凝土早期平板抗裂試驗(yàn)結(jié)果

由表6和圖2可知，增加礦物摻合料摻量，降低凈漿早期水化放熱可有效改善混凝土的抗裂性。隨膨脹劑摻量的增加，平板表面最大裂縫寬度、平均開裂面積等均呈減小趨勢，摻量為7%時(shí)單位開裂面積最小，然而其相對(duì)4%摻量時(shí)對(duì)混凝土抗裂性優(yōu)化有限，反而對(duì)力學(xué)性能造成較大劣化（見表5），因此，膨脹劑摻量宜選4%。

3 低溫升高抗裂機(jī)制砂襯砌混凝土的耐久性

基于上述研究，選取Z1、Z3、Z8、Z11四組配比分別進(jìn)行混凝土耐久性試驗(yàn)。

3.1 抗?jié)B透性及抗碳化性能（見表7）

表7 混凝土的抗?jié)B性及抗碳化性能

由表7可知，摻礦物摻合料后，混凝土的抗碳化性及抗?jié)B性均大幅改善，這是由于礦物摻合料在漿體中發(fā)揮其火山灰效應(yīng)，消耗大量Ca（OH）2，降低體系內(nèi)部堿度[11]，同時(shí)礦物摻合料可發(fā)揮“稀釋效應(yīng)”，延緩混凝土內(nèi)水化溫升，抑制微裂紋的產(chǎn)生，提高混凝土的致密度。對(duì)比Z8、Z11組可知，隨膨脹劑摻入，膨脹反應(yīng)產(chǎn)物可有效補(bǔ)償收縮，填充部分因體積收縮而產(chǎn)生的孔隙，進(jìn)一步提高混凝土密實(shí)度，堵塞外部離子侵蝕通道[12]。

3.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

硫酸鹽侵蝕對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量損失率的影響分別見圖3、圖4。

圖3 硫酸鹽侵蝕對(duì)抗混凝土壓強(qiáng)度的影響

圖4 硫酸鹽侵蝕對(duì)混凝土質(zhì)量損失率的影響

由圖3可見，經(jīng)100次干濕循環(huán)后，4組混凝土的抗壓強(qiáng)度均提高，這是因反應(yīng)前期SO42-侵蝕速率較慢，且部分SO42-與混凝土內(nèi)部氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石及石膏[13]，可產(chǎn)生一定的膨脹效應(yīng)，填充混凝土內(nèi)部孔隙，提高其結(jié)構(gòu)致密度，致使混凝土抗壓強(qiáng)度在早期干濕循環(huán)中呈提高趨勢。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)大于100次后，隨循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土內(nèi)部生成大量鈣礬石，其體積膨脹效應(yīng)致使混凝土內(nèi)部膨脹力陡增，造成應(yīng)力集中，破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得抗壓強(qiáng)度逐漸下降。由圖4可見，在硫酸鹽侵蝕初期，經(jīng)混凝土表面毛細(xì)孔滲透，結(jié)合其內(nèi)部氫氧化鈣生成硫酸鈣晶體[14]，致使早期試塊質(zhì)量增大；之后，隨侵蝕程度進(jìn)一步加深，侵蝕產(chǎn)物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂信蛎浱匦缘氖嗉扳}礬石，使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部裂縫，加劇內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化，致使后期質(zhì)量損失率陡增。

綜合上述研究可知，按m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（石灰石粉）∶m（膨脹劑）∶m（機(jī)制砂）∶m（碎石）∶m（水）∶m（減水劑）=319∶42∶42∶17∶810∶960∶160∶5.04的配合比制備低溫升高抗裂機(jī)制砂襯砌混凝土，其28 d碳化深度為1.2 mm，抗?jié)B等級(jí)達(dá)P23，經(jīng)硫酸鹽侵蝕環(huán)境下250次干濕循環(huán)后，質(zhì)量損失率小于0.3%，抗壓強(qiáng)度損失較純水泥組大幅降低。

不同膠凝材料組成漿體的SEM照片見圖5。

圖5 不同膠凝材料組成漿體的SEM照片

由圖5可見，當(dāng)膠凝材料僅為水泥時(shí)，膠凝材料未形成良好顆粒級(jí)配，水化產(chǎn)物堆積較松散，難以抵抗鹽離子侵蝕。復(fù)摻粉煤灰、石粉后，摻合料發(fā)揮“填充效應(yīng)”，且粉煤灰可同水化產(chǎn)物結(jié)合形成二次水化，增強(qiáng)界面致密度。Z11組中，膨脹劑可同孔溶液反應(yīng)生成絡(luò)合物堵塞了毛細(xì)孔，密實(shí)了膠凝漿體的孔結(jié)構(gòu)。對(duì)比Z1、Z8、Z11組可知，隨礦物摻合料及膨脹劑摻入，可降低混凝土早期水化溫升，降低其內(nèi)部孔隙率，同時(shí)生成較多低Ca/Si比C-S-H凝膠[15]，提高膠凝漿體結(jié)構(gòu)密實(shí)度，使其具備更好的抵抗侵蝕能力和耐久性。

4 結(jié)論

（1）水泥組分中C3A含量對(duì)混凝土抗裂性產(chǎn)生決定性影響，其含量越小，混凝土的抗裂性能越好。

（2）粉煤灰及石灰石粉的摻入可大幅降低膠凝材料的水化放熱峰值和3 d水化放熱量，且具有物理減水效應(yīng)，可提高混凝土的工作性能，但對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，摻量不宜超過20%。適量石灰石粉及粉煤灰雙摻，可大幅降低了混凝土的水化溫升和開裂風(fēng)險(xiǎn)。

（3）基于施工中，隧道襯砌混凝土需具備一定的速凝特性，引入氧化鈣類膨脹劑，補(bǔ)償收縮使混凝土結(jié)構(gòu)致密，耐久性能提升。按m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（石灰石粉）∶m（膨脹劑）∶m（機(jī)制砂）∶m（碎石）∶m（水）∶m（減水劑）=319∶42∶42∶17∶810∶960∶160∶5.04的配比制備低溫升高抗裂機(jī)制砂襯砌混凝土，其28 d碳化深度為1.2 mm，抗?jié)B等級(jí)達(dá)P23，經(jīng)侵蝕環(huán)境下250次干濕循環(huán)后，質(zhì)量損失率小于0.3%，抗壓強(qiáng)度的損失較純水泥組大幅降低。