公路隧道襯砌混凝土抗裂研究

袁正兵

(山西交通控股集團(tuán)有限公司 太原市 030006)

0 引言

山區(qū)公路隧道投入使用后，來(lái)自勘探、設(shè)計(jì)與施工等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌發(fā)生開(kāi)裂與滲水等質(zhì)量問(wèn)題，增加了運(yùn)營(yíng)期的安全隱患[1]。在隧道的襯砌施工過(guò)程中，導(dǎo)致混凝土發(fā)生開(kāi)裂的原因通常是因?yàn)樗嗟乃療嵋穑淼纼?nèi)部濕度較大，在夏季施工過(guò)程中會(huì)加劇溫度和濕度對(duì)新澆筑的襯砌內(nèi)部水化熱的變化，從而導(dǎo)致開(kāi)裂。

襯砌混凝土發(fā)生開(kāi)裂的原因多種多樣，劉偉研究發(fā)現(xiàn)，水泥的脆性與開(kāi)裂與粉煤灰的摻量有一定關(guān)聯(lián)，其摻量越大越不易開(kāi)裂，但需要綜合考慮強(qiáng)度的衰減[2]。在膠凝材料的用量一定時(shí)，摻加礦物還能在溫度變化時(shí)有效減少混凝土的收縮，從而提高結(jié)構(gòu)混凝土的抗開(kāi)裂性，提高耐久性[3]。吳夢(mèng)軍綜合服役年限與地理?xiàng)l件等因素研究了渝懷線沙壩隧道襯砌開(kāi)裂的問(wèn)題，分析了傾斜層狀巖下隧道襯砌裂縫的發(fā)展機(jī)理，并提出了相應(yīng)的處理方案[4]。葉飛研究襯砌裂縫的修復(fù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)裂縫中的填充殘留物會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，基于依托工程進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)估，對(duì)修復(fù)效果有一定參考意義[5]。襯砌混凝土防開(kāi)裂的常規(guī)方法有對(duì)開(kāi)裂處噴射混凝土加固、鋼板或纖維貼補(bǔ)、拆除破裂處重建等。周紅升依托實(shí)際工程建立了V級(jí)圍巖中的隧道襯砌模型，驗(yàn)證了采用補(bǔ)充收縮混凝土進(jìn)行修復(fù)的可靠性[6]。

而山體隧道往往屬于大體積混凝土的施工范疇，被動(dòng)式地在病害出現(xiàn)后補(bǔ)修不僅會(huì)造成巨大的施工成本，而且對(duì)山體圍巖的擾動(dòng)會(huì)影響隧道的安全性。因此對(duì)于隧道的服役環(huán)境與周期，在設(shè)計(jì)中對(duì)配比進(jìn)行有效的調(diào)整有利于整個(gè)壽命周期的運(yùn)營(yíng)。擬通過(guò)摻加粉煤灰、礦渣粉，降低水泥用量、增加含水量，延緩混凝土的水化，從而達(dá)到防止公路隧道襯砌混凝土開(kāi)裂的目的。

1 原材料

采用山西某水泥廠生產(chǎn)的P.I 42.5級(jí)水泥，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥力學(xué)性能指標(biāo)

(2)粉煤灰

粉煤灰取自山西某發(fā)電廠，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

(3)集料

集料產(chǎn)自山西某石料廠，性能見(jiàn)表3。

表3 集料技術(shù)指標(biāo)

(4)外加劑

外加劑采用蘇博特公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%。

2 抗裂混凝土配制

配合比設(shè)計(jì)依據(jù)《JGJ 51-2002 輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》，再參考現(xiàn)有工程的經(jīng)驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)通過(guò)控制坍落度在160～200mm來(lái)調(diào)整用水量。

2.1 初步擬定配合比

通過(guò)控制容重的方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，擬定初步的配合比見(jiàn)表4，其中PB0代表常規(guī)隧道襯砌混凝土采用的配比。

表4 混凝土質(zhì)量配合比(kg/m3)

查詢《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)，其中C45混凝土的28d標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度不得低于53.23MPa[7-8]?？箟簭?qiáng)度測(cè)試制作150mm×150mm×150mm的立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下測(cè)定3d、7d、28d的抗壓強(qiáng)度。

表5 不同配比不同齡期下的抗壓強(qiáng)度

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表5、圖1可知，傳統(tǒng)隧道襯砌采用的混凝土配比抗壓強(qiáng)度在齡期達(dá)到14d后基本保持穩(wěn)定。隨著水泥用量的減少、用水量的增加，抗壓強(qiáng)度在各齡期下均呈下降趨勢(shì)，但在14d后仍然有一定增長(zhǎng)，這是因?yàn)殡S著齡期的增加，礦渣粉與粉煤灰陸續(xù)加入襯砌混凝土的二次水化反應(yīng)中。

礦渣粉有著比細(xì)料更高的細(xì)度與活性，單摻礦渣粉對(duì)于混凝土彈性模量的提升會(huì)大于單摻粉煤灰的效果，但收縮性能會(huì)有所下降，因此復(fù)摻礦渣粉與粉煤灰無(wú)論是提高混凝土的后期強(qiáng)度，還是增強(qiáng)抗開(kāi)裂與收縮性能，對(duì)實(shí)際應(yīng)用都有益處[9-11]。為了進(jìn)一步分析抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，將不同配比不同齡期的抗壓強(qiáng)度與PB0的抗壓強(qiáng)度比記為相對(duì)值分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同配比不同齡期下的抗壓強(qiáng)度相對(duì)值

由表6可知，水泥用量減少與用水量增加的不同配比隨著齡期的增加，抗壓強(qiáng)度與PB0的比值越來(lái)越小，其中，當(dāng)膠凝材料的總量分別為395kg/m3、432 kg/m3、471 kg/m3時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度滿足規(guī)范要求?？紤]到隧道環(huán)境的特殊性，濕度較大有利于礦渣粉與粉煤灰的二次水化進(jìn)一步增長(zhǎng)強(qiáng)度。

3 性能驗(yàn)證

不同配比的性能驗(yàn)證通過(guò)抗折強(qiáng)度測(cè)試，而折壓比可衡量混凝土的抗開(kāi)裂性能，故通過(guò)測(cè)試28d的抗折強(qiáng)度與28d的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算?？拐蹚?qiáng)度測(cè)試通過(guò)制作550mm×150mm×150mm的長(zhǎng)方體試塊，每個(gè)配合比各制作3個(gè)平行試件，成型1d后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗(yàn)，采用SYE-1000型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同配比混凝土的抗折強(qiáng)度與折壓比

由表7可知，混凝土的抗折強(qiáng)度與抗裂性能隨著礦渣粉與粉煤灰用量的增加而提升，但水泥用量的減少會(huì)降低材料之間的粘結(jié)，因此結(jié)合抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，推薦采用PB2、PB3、PB4的配比。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)實(shí)際施工采用的配比，通過(guò)控制坍落度來(lái)調(diào)整用水量及配比；

(2)礦渣粉與粉煤灰可在襯砌混凝土的二次水化反應(yīng)中隨著齡期的增長(zhǎng)提高混凝土的后期強(qiáng)度；

(3)混凝土的強(qiáng)度隨著礦渣粉與粉煤灰摻量的增加而降低，而與標(biāo)準(zhǔn)配比的差值隨齡期的增長(zhǎng)越來(lái)越小。經(jīng)抗折強(qiáng)度測(cè)試與折壓比計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠凝材料的總量分別為395kg/m3、432kg/m3、471kg/m3時(shí)滿足規(guī)范要求?？紤]到隧道環(huán)境的特殊性，可考慮增加礦渣粉與粉煤灰的用量來(lái)提高襯砌混凝土的后期強(qiáng)度，降低水泥用量以防止開(kāi)裂。