高巖溫低濕環(huán)境下鐵路隧道混凝土耐久性研究

程 磊

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

高巖溫低濕環(huán)境下鐵路隧道混凝土耐久性研究

程 磊

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

依托在建鐵路隧道工程，針對高巖溫對隧道襯砌混凝土耐久性能的影響，通過試驗室模擬現(xiàn)場高巖溫、低濕度的施工環(huán)境，研究高巖溫對純水泥混凝土、單摻粉煤灰混凝土和雙摻粉煤灰、礦粉混凝土耐久性能的影響規(guī)律，并從微觀形貌方面分析高巖溫對混凝土耐久性能的影響機理。結(jié)果表明：高溫、低濕養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，3種配合比的混凝土的耐久性能均隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低，抗氯離子滲透性能單摻粉煤灰混凝土最好，純水泥混凝土最差；抗碳化性能基本相當(dāng)；微觀上分析單摻粉煤灰混凝土結(jié)構(gòu)更密實、孔隙率更小。

鐵路隧道；高巖溫；低濕度；混凝土配合比；耐久性；氯離子滲透性

1 高巖溫隧道概述

新建鐵路拉薩至日喀則線，位于青藏高原西南部，地處北緯29°30′～29°45′，東經(jīng)88°45′～91°15′。其中色麥至仁布段(約90 km)平行通過雅魯藏布江峽谷區(qū)，大角度穿透全球著名的那曲—當(dāng)雄—尼木—多慶錯地?zé)峄顒訋?，區(qū)內(nèi)高地?zé)岙惓娏?；河谷兩岸山高坡陡，地勢陡峻，地質(zhì)復(fù)雜，線路主要以隧道形式通過該段落，高巖溫地段主要涉及8座隧道，總長約47.59 km。經(jīng)現(xiàn)場初步勘察，該段落最高巖溫、水溫達(dá)80 ℃，在高巖溫的作用下，隧道襯砌混凝土能否滿足耐久性要求是現(xiàn)場面臨的一個急迫問題。

目前，高溫對混凝土性能的影響大部分研究工作基于蒸養(yǎng)等高濕度條件下[1-5，7]，而隧道工程建設(shè)現(xiàn)場無法提供高濕度的養(yǎng)護(hù)條件，本文以隧道施工現(xiàn)場為依托，重點研究高巖溫、低濕度的環(huán)境條件下，隧道襯砌混凝土(C30)的耐久性能的變化規(guī)律。

2 高巖溫隧道襯砌混凝土耐久性試驗

2.1 試驗原材料的選擇

為更好地模擬現(xiàn)場施工條件，并最終將試驗結(jié)果用于指導(dǎo)現(xiàn)場進(jìn)一步的施工過程，室內(nèi)試驗所用的原材料，如水泥、細(xì)骨料、粗骨料、外加劑等均由現(xiàn)場運回試驗室。

2.2 試驗過程2.2.1 試驗配合比

為保證試驗結(jié)果能更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，本試驗采用的配合比與現(xiàn)場施工一致，其中水泥和摻和料合計343 kg/m3；砂762 kg/m3；石1 142 kg/m3；水154 kg/m3；減水劑3.42 kg/m3。試驗采用粉煤灰和礦渣粉兩種摻和料，配合比A為純水泥混凝土，即水泥用量為343 kg/m3；配合比B為單摻粉煤灰混凝土，即水泥用量為256 kg/m3，粉煤灰用量為87 kg/m3；配合比C為雙摻粉煤灰、礦粉混凝土，即水泥用量為256 kg/m3，粉煤灰用量為35 kg/m3，礦粉用量為52 kg/m3。

2.2.2 試驗養(yǎng)護(hù)制度

在高巖溫隧道襯砌混凝土施工過程中，從立模、澆筑、振搗混凝土到拆模過程中無法進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，經(jīng)現(xiàn)場測定，拉日線高巖溫隧道內(nèi)的空氣濕度在40%～60%范圍內(nèi)。

由此確定了高溫混凝土養(yǎng)護(hù)制度：將混凝土養(yǎng)護(hù)過程先后分為2個階段，即拆模前的高溫養(yǎng)護(hù)階段和拆模后的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)階段?；炷寥肽３尚秃?，在(20±5) ℃的室內(nèi)環(huán)境中靜置初凝，然后連同試模一起放入恒溫恒濕箱進(jìn)行高溫養(yǎng)護(hù)24 h，其中為了模擬高巖溫隧道施工的環(huán)境，將恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱設(shè)定相對濕度為50%，依據(jù)現(xiàn)場可能出現(xiàn)的高巖溫，養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)為50 ℃、60 ℃和80 ℃ 3種溫度等級；從恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)取出并拆模，然后轉(zhuǎn)入溫度為(20±2) ℃、相對濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

2.3 試驗內(nèi)容

本次試驗內(nèi)容主要包括檢測混凝土的氯離子滲透性，即電通量指標(biāo)；混凝土抗碳化深度指標(biāo)以及利用掃描電鏡對試樣的微觀形貌特性進(jìn)行分析、比較。

3 試驗研究成果

3.1 高溫養(yǎng)護(hù)對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件和在相對濕度為50%的不同高溫養(yǎng)護(hù)條件下，不同高溫養(yǎng)護(hù)溫度對混凝土抗氯離子滲透性能[9](電通量)的影響結(jié)果，如圖1所示。

由圖1可以看出，各組混凝土28 d齡期6 h庫侖電量值均隨著早期高溫養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增大。這說

圖1 高溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土碳化深度趨勢

明高溫養(yǎng)護(hù)使混凝土抗氯離子滲透性變差。

相對濕度為50%的不同高溫養(yǎng)護(hù)條件下，高溫養(yǎng)護(hù)溫度的升高對純水泥A試件抗氯離子滲透性能影響顯著，養(yǎng)護(hù)溫度為80 ℃較標(biāo)養(yǎng)條件下增長了82%；對摻礦物摻合料的混凝土B和C試件影響較小，特別是對單摻粉煤灰的B試件影響最小，養(yǎng)護(hù)溫度為80 ℃較標(biāo)養(yǎng)條件下增長了8.5%，這說明單摻粉煤灰的混凝土在高溫、低濕環(huán)境下較為穩(wěn)定。

依據(jù)《混凝土耐久性檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 193—2009)3.0.2第2條的相關(guān)規(guī)定，詳見表1。

由表1可知，本次試驗結(jié)果除80 ℃養(yǎng)護(hù)條件下的純水泥混凝土的等級為較差外，其余均為較好，說明高溫養(yǎng)護(hù)雖然對含摻和料的混凝土抗氯離子性能有所劣化，但對混凝土耐久性的品質(zhì)沒有實質(zhì)的影響，均能滿足規(guī)范的要求。

表1 混凝土抗氯離子滲透性能的等級劃分(電通量法)

3.2 高溫養(yǎng)護(hù)對混凝土抗碳化性能的影響

相對濕度為50%的不同高溫養(yǎng)護(hù)條件下，高溫養(yǎng)護(hù)溫度對各組混凝土抗碳化性能的影響，測定了混凝土的28 d和56 d齡期的碳化深度值。試驗測定結(jié)果如表2所示。

表2 高溫養(yǎng)護(hù)對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

由表2可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，混凝土在28 d和56 d碳化深度的變化規(guī)律一致，對于純水泥混凝土，碳化深度影響較大，分別增長了約121%和63%；對于單摻粉煤灰和雙摻粉煤灰、礦粉混凝土，碳化深度影響較小，特別是單摻粉煤灰混凝土，28 d齡期增長了約7%，56 d齡期減少了不足1%。這說明對于含摻和料的混凝土，在高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，抗碳化的耐久性指標(biāo)比較穩(wěn)定。

在標(biāo)養(yǎng)條件下，純水泥混凝土的抗碳化性能明顯優(yōu)于含摻和料的混凝土，雖然由于養(yǎng)護(hù)溫度劣化較快，但從試驗結(jié)果來看，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度超過60 ℃后，3種混凝土在28 d齡期和56d齡期的抗碳化深度基本相當(dāng)。

依據(jù)《混凝土耐久性檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 193—2009)3.0.3第2條的相關(guān)規(guī)定“系統(tǒng)的試驗研究表明，在快速碳化試驗中，碳化深度小于20 mm的混凝土，其抗碳化性能較好，一般認(rèn)為滿足大氣環(huán)境下50年的耐久性要求。在工程實際中，碳化的發(fā)展規(guī)律也基本與此相近。在其他腐蝕介質(zhì)的共同侵蝕下，混凝土的碳化會發(fā)展得更快。一般公認(rèn)的是，碳化深度小于10 mm的混凝土，其抗碳化性能良好”。由試驗結(jié)果可以得出混凝土不論是否添加摻和料，在80 ℃以下的環(huán)境溫度養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的抗碳化耐久性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3.3 高溫養(yǎng)護(hù)對混凝土膠凝材料硬化漿體微觀形貌的影響

相對濕度為50%的不同高溫養(yǎng)護(hù)條件下，高溫養(yǎng)護(hù)溫度對各組混凝土膠凝材料硬化漿體微觀形貌的影響，測定了單摻粉煤灰(A組)凈漿和雙摻粉煤灰、礦渣粉(B組)凈漿在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、50 ℃和80 ℃養(yǎng)護(hù)制度下28 d齡期微觀形貌分析如圖2所示。

由圖2可以看出：在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，膠凝材料硬化漿體結(jié)構(gòu)較致密，表面比較光滑，雙摻粉煤灰、礦粉與單摻粉煤灰相比較，其結(jié)構(gòu)顯得更密實；在50 ℃和80 ℃的高溫養(yǎng)護(hù)制度下，隨著溫度的升高漿體結(jié)構(gòu)越來越疏松，水化產(chǎn)物整體分布越來越不均勻，特別是雙摻粉煤灰、礦粉的C組試件，單摻粉煤灰的B組試件相對穩(wěn)定。這就是單摻粉煤灰混凝土抗碳化性能和抗氯離子滲透性能均高于雙摻粉煤灰、礦渣粉混凝土的主要原因。

4 高巖溫隧道襯砌混凝土耐久性試驗研究結(jié)論

(1)在養(yǎng)護(hù)濕度為50%的各級高溫(50 ℃、60 ℃、80 ℃)養(yǎng)護(hù)制度下，抗氯離子滲透性能單摻粉煤灰混凝土最好，純水泥混凝土最差，雙摻粉煤灰、礦粉混凝土居中。建議施工現(xiàn)場巖溫超過60 ℃時，采用單摻粉煤灰混凝土。

(2)通過SEM(掃描電鏡)試驗，在標(biāo)養(yǎng)及50 ℃和80 ℃的高溫和50%濕度的養(yǎng)護(hù)制度下，單摻粉煤灰混凝土較雙摻粉煤灰、礦粉混凝土結(jié)構(gòu)更密實，孔隙率更小，建議施工現(xiàn)場采用單摻粉煤灰混凝土。

(3)在標(biāo)養(yǎng)條件下，純水泥混凝土的抗碳化性能明顯優(yōu)于含摻和料的混凝土，但隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高劣化較快，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度超過60 ℃后，3種混凝土在抗碳化指標(biāo)上基本相當(dāng)。

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Research on the Durability of Concrete under High Rock Temperature and Low Humidity Environment

CHENG Lei

(China Railway first Surveying and Design Institute Group Ltd.， Xi’an 710043， China)

This thesis aims to study the influence of high rock temperature on the durability of tunnel lining concrete with reference to ongoing railway tunnel project and to investigate the rules governing the influence of high rock temperature on the durability of straight cement concrete， the concrete mixed singly with fly ash and the concrete mixed with both fly ash and slag powder by simulating the engineering environment with high rock temperature and low humidity in laboratory. And it also analyses the mechanism of the influence of high rock temperature on the durability of concrete from a microscopic point of view. The results indicate that the durability of all three concretes tends to decrease with the increase of maintaining temperature; the concrete mixed only with fly ash is the best to resist chloride ions penetration while straight cement concrete is the worst; the carbonation resistance is almost the same for all the three; the structure of concrete mixed only with fly ash is more compact and the probability of porosity is much smaller as shown by the micro analysis．

Railway tunnel; High rock temperature; Low humidity; The mixture ratio of concrete; Durability; Chlorine ion permeability

2014-11-12

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2011G027-B)

程 磊(1982—)男，工程師，2009年畢業(yè)于西安科技大學(xué)防

災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：tyychenglei@163.com。

1004-2954(2015)08-0136-04

U454

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.029