西北地區(qū)冬季低溫環(huán)境下長大隧道噴射混凝土的耐久性能研究

張付軍，曾魯平

（1.甘肅長達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730000；2.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京211103）

0 引言

近年來，隧道工程作為地下工程的構(gòu)筑物形式之一，隨著西北基礎(chǔ)建設(shè)的推進(jìn)以及西南部高鐵工程建設(shè)開展得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在西南山脈縱橫的復(fù)雜地形中，隧道工程具有有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境，縮短運(yùn)行總里程，節(jié)省交通運(yùn)輸時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。而噴射混凝土作為隧道初期襯砌結(jié)構(gòu)的重要組成材料，直接與復(fù)雜圍巖緊密接觸，為后續(xù)防水板作業(yè)及二襯施工提供第一層保障，與錨桿、鋼架結(jié)構(gòu)共同組成特殊結(jié)構(gòu)約束圍巖變形[1-2]。受制于西北地區(qū)特殊的隧道侵蝕服役環(huán)境影響，噴射混凝土容易發(fā)生硫酸鹽侵蝕、碳化損傷及凍融破壞[3-5]。

為探究西北冬季特殊干燥寒冷環(huán)境下噴射混凝土的服役性能影響規(guī)律，本文選取武都至九寨溝高速公路的控制性工程之一——高樓山隧道洞口作為研究對象。高樓山隧道主線長12.34 km，最大埋深1680 m。沿線地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，崩塌、滑坡及泥石流等不良地質(zhì)發(fā)育，隧道全段服役環(huán)境較為復(fù)雜，其中尤以隧道洞口段冬季低溫可達(dá)－7.4℃，屬于典型干燥低溫服役環(huán)境[6]。為提高隧道結(jié)構(gòu)在冬季環(huán)境的設(shè)計(jì)服役壽命，武九高速公路全線隧道噴射混凝土均采用無堿速凝劑材料和大型機(jī)械臂濕噴設(shè)備作業(yè)。目前少有研究涉及濕噴法噴射混凝土在西北地區(qū)冬季特殊干燥寒冷環(huán)境下的服役力學(xué)強(qiáng)度及耐久性能影響研究。因此，本文對比室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，采用噴射大板法成型工藝及服役實(shí)體的噴射混凝土耐久性檢測等方法，探究了高樓山隧道洞口低溫干燥養(yǎng)護(hù)環(huán)境下噴射混凝土力學(xué)性能及耐久性能劣化發(fā)展規(guī)律，為西北地區(qū)冬季環(huán)境噴射混凝土服役耐久性能提升提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：成縣祁連山P·O42.5水泥，密度3.05 g/cm3，比表面積358 m2/kg；粗集料：甘肅大家礦業(yè)5～10 mm粒徑花崗巖碎石，表觀密度2750 kg/m3，針片狀顆粒含量5.3%；細(xì)集料：武都區(qū)外納甘溝子砂廠的河砂，細(xì)度模數(shù)2.75，表觀密度2588 kg/m3，含泥量1.5%；無堿速凝劑：SBT－N（Ⅱ）液體速凝劑（無堿型），主要性能指標(biāo)符合GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》要求；減水劑：聚羧酸類液體減水劑，減水率23%，固含量24.85%。

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)采用C25噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)，對比室內(nèi)模筑成型方式，設(shè)置噴射大板成型方式及隧道同環(huán)境養(yǎng)護(hù)2種因素（見表1），所用施工標(biāo)段為高樓山隧道試驗(yàn)二標(biāo)段（武都縣方向），隧道口養(yǎng)護(hù)環(huán)境平均相對濕度37%，平均溫度4℃，最低溫度－5℃，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境相對濕度大于95%，溫度（20±1）℃，試驗(yàn)編號分別記為C0、S0及S1。

表1 高樓山隧道C25噴射混凝土配合比及成型、養(yǎng)護(hù)方式

1.3 試驗(yàn)方法

室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件采用模筑成型，取工程拌合站拌和好的混凝土物料置于立方體模具中，并進(jìn)行充分振搗；噴射混凝土試件采用噴射大板法濕法噴射成型，噴射時(shí)將試模立于墻角并與地面形成65°～70°夾角，考慮噴射沖擊及回彈損失，噴射距離控制在（1.5±0.2）m，噴射風(fēng)壓控制在（0.8±0.2）MPa。試件經(jīng)表面抹平處理后按表1養(yǎng)護(hù)方式養(yǎng)護(hù)24 h后，切割出相應(yīng)尺寸規(guī)格的混凝土試件進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，強(qiáng)度試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體試件，混凝土試件的強(qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 50081—2019《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

混凝土試件的耐久性試驗(yàn)按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，其中凍融試驗(yàn)采用快凍法并記錄試件的動彈性模量變化情況，對比隧道口低溫干燥養(yǎng)護(hù)條件，同時(shí)進(jìn)行噴射混凝土實(shí)體襯砌結(jié)構(gòu)碳化深度測試，具體做法為：在隧道側(cè)墻部位對成型24 h后的混凝土表面打磨拋光處理后進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，達(dá)到測試齡期時(shí)對處理表面進(jìn)行鉆孔（見圖1），然后噴涂1%質(zhì)量濃度的酚酞酒精溶液，采用海創(chuàng)HC－TH01型數(shù)顯碳化深度測量儀記錄鉆孔處的碳化深度，測試結(jié)果取15～20個(gè)鉆孔點(diǎn)的碳化深度算術(shù)平均值。為減少混凝土早期硬化強(qiáng)度偏低對干燥收縮初始長度值的影響，混凝土干燥收縮試驗(yàn)在養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行。

圖1 高樓山特長隧道的噴射混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)碳化深度測試

微觀測試樣品：取碳化試驗(yàn)28 d后混凝土試件的表層5 mm以下小塊樣品，將處理后的試件表面進(jìn)行打磨并在（45±1）℃真空干燥箱中干燥7 d，置于掃描電子顯微鏡下觀察分析，以評價(jià)隧道特殊低溫干燥環(huán)境下噴射混凝土的碳化劣化行為。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土力學(xué)性能

與傳統(tǒng)干法相比，濕法噴射混凝土在控制混凝土水灰比及保障噴射質(zhì)量上優(yōu)勢明顯，近年來在重大地下工程及高速鐵路工程得到廣泛推廣。在核心促凝材料選擇上，綠色無堿型液體速凝劑也成為濕法噴射混凝土首選，旨在降低有堿速凝組分帶來的堿骨料反應(yīng)及后期強(qiáng)度損失[7]。對比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，探究了濕法噴射成型方式及隧道口低溫干燥環(huán)境對噴射混凝土力學(xué)強(qiáng)度（1、7、14、28、90 d）的影響規(guī)律，結(jié)果見圖2。

圖2 冬季低溫干燥養(yǎng)護(hù)條件下噴射混凝土的力學(xué)強(qiáng)度

由圖2可見，在相同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，采用濕法噴射工藝時(shí)噴射混凝土的后期力學(xué)強(qiáng)度有所下降，這與早期速凝結(jié)構(gòu)及噴射工藝降低了混凝土后期結(jié)構(gòu)致密性有關(guān)[4]，同配比模筑混凝土28 d抗壓強(qiáng)度高于40.0 MPa，而濕法噴射混凝土僅高于35.0 MPa。對比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，在隧道低溫干燥養(yǎng)護(hù)方式對噴射混凝土的早、后期力學(xué)強(qiáng)度影響較為明顯，1 d抗壓強(qiáng)度同比下降約4.0 MPa，說明低溫環(huán)境削弱了噴射混凝土早期水化作用；且當(dāng)噴射混凝土長期處于低溫環(huán)境時(shí)，28 d齡期后強(qiáng)度不再增長，即隧道低溫干燥養(yǎng)護(hù)會造成混凝土后期強(qiáng)度受低溫?fù)p傷作用而下降[8]。

2.2 混凝土耐久性能

混凝土力學(xué)強(qiáng)度測試結(jié)果表明，噴射混凝土后期服役性能受冬季低溫環(huán)境明顯影響，而高樓山隧道地處西北甘肅地區(qū)，氣候干燥且冬季低溫可達(dá)到0℃以下，存在凍融破壞、抗碳化侵蝕的耐久性能隱患，其次，低溫條件下混凝土的溫降收縮及干燥收縮更易受到影響。對比室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，探究了冬季低溫干燥環(huán)境對噴射混凝土抗凍性能、干燥收縮性能及碳化行為的影響。

2.2.1 抗凍融破壞性能（見圖3）

圖3 冬季低溫干燥養(yǎng)護(hù)環(huán)境下噴射混凝土相對動彈模量隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律

由圖3可知，養(yǎng)護(hù)環(huán)境方式對噴射混凝土抗凍性能影響較為明顯。在相同室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式下，噴射混凝土的抗凍性能要略低于同配比模筑混凝土，這可能與噴射混凝土致密性下降有關(guān)[9]。當(dāng)噴射混凝土在隧道低溫干燥養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至凍融試驗(yàn)測試齡期時(shí)，由于混凝土自身已受到一定的凍害作用，造成噴射混凝土的抗凍性能進(jìn)一步下降，凍融極限次數(shù)低于200次，且相對動彈模量更小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式下的噴射混凝土體系，表明噴射混凝土在冬季施工時(shí)仍需要做一定的保溫措施，以降低環(huán)境凍害影響。

2.2.2 干燥收縮性能

噴射混凝土作為與隧道巖層直接接觸的第一層結(jié)構(gòu)材料，當(dāng)材料自身收縮變形較大時(shí)會造成結(jié)構(gòu)整體變形而發(fā)生開裂，進(jìn)一步促進(jìn)巖層中侵蝕性介質(zhì)如水、硫酸鹽及碳酸鹽進(jìn)入噴射混凝土層及二襯模筑混凝土層，加劇隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)耐久性侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。干燥收縮性能作為混凝土長期收縮性能的重要評價(jià)方式，故本節(jié)探究了不同養(yǎng)護(hù)方式，尤其是低溫干燥環(huán)境條件下噴射混凝土的干燥收縮性能，結(jié)果見圖4。

圖4 冬季低溫干燥養(yǎng)護(hù)環(huán)境下噴射混凝土的干燥收縮性能

與普通C30混凝土相比，C25噴射混凝土基于滿足噴射工作性及泵送性的考慮，在配合比設(shè)計(jì)上往往采用較高的水灰比及大砂率（≥50%），因此，同配合比下的模筑混凝土C0體系表現(xiàn)出較強(qiáng)的干燥收縮傾向（如圖4所示）。受噴射工藝影響，噴射混凝土的后期干燥收縮要高于同配比下的模筑混凝土，28 d干縮微應(yīng)變接近500 με，這可能與噴射成型下的硬化孔結(jié)構(gòu)特性有關(guān)[4]。對比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，采用低溫干燥的隧道同環(huán)境養(yǎng)護(hù)造成的噴射混凝土整體干燥收縮微應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期發(fā)展迅速，測試齡期7 d后即達(dá)到400 με以上，這可能與干燥環(huán)境下混凝土受內(nèi)外水分梯度影響有關(guān)，造成混凝土逐步向外界環(huán)境失水導(dǎo)致自身干燥收縮傾向變大。

2.2.3 碳化損傷作用

碳化作用是指混凝土中的堿性水化產(chǎn)物，如氫氧化鈣或鈣礬石等在受到外界侵蝕酸性介質(zhì)二氧化碳的作用下，發(fā)生體積膨脹性的化學(xué)反應(yīng)，造成水化產(chǎn)物轉(zhuǎn)變或破壞的同時(shí)降低混凝土中堿含量，導(dǎo)致鋼筋保護(hù)層能力下降而鋼筋發(fā)生脫鈍等危害。本節(jié)對比同隧道環(huán)境下的實(shí)體噴射混凝土，探究了養(yǎng)護(hù)方式對噴射混凝土碳化損傷的規(guī)律，同時(shí)設(shè)置了同配比的模筑混凝土作為空白對比，結(jié)果見圖5。

圖5 對比實(shí)體噴射混凝土碳化深度隨碳化齡期的變化規(guī)律

由圖5可見，對于噴射混凝土S0體系，較高的膠凝材料用量為硬化混凝土結(jié)構(gòu)中提供更多的氫氧化鈣反應(yīng)物，但噴射工藝及速凝硬化過程造成了噴射混凝土內(nèi)部存在較多孔隙[4]，綜合影響下整體碳化深度較同配比模筑混凝土C0體系有所提高，噴射混凝土體系噴射后實(shí)體結(jié)構(gòu)的碳化深度隨齡期的變化規(guī)律表明，受干燥環(huán)境及隧道內(nèi)二氧化碳濃度影響，實(shí)體噴層結(jié)構(gòu)的碳化作用在28 d強(qiáng)度形成過程中已逐漸發(fā)生，形成一定的碳化深度基礎(chǔ)，進(jìn)而造成同隧道養(yǎng)護(hù)條件下的S1體系碳化深度更高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的S0體系。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[10]對混凝土碳化模型的歸納總結(jié)，對噴射混凝土試件及實(shí)體噴層結(jié)構(gòu)的碳化規(guī)律進(jìn)行分析擬合，結(jié)果見表2。

表2 噴射混凝土及實(shí)體噴層結(jié)構(gòu)的碳化深度Xc與碳化齡期t的擬合曲線

碳化速率系數(shù)在一定條件可反映混凝土構(gòu)件在外界二氧化碳侵蝕介質(zhì)作用下的抗碳化性能。表2表明，在低溫干燥養(yǎng)護(hù)條件下，噴射混凝土的抗碳化性能進(jìn)一步降低，明顯低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的S0體系。擬合相關(guān)系數(shù)均接近1，表明噴射混凝土的碳化深度發(fā)展規(guī)律同樣遵循拋物線擬合方程。但對于實(shí)體噴層結(jié)構(gòu)，其碳化深度與強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)齡期成正比關(guān)系，側(cè)面說明了混凝土在形成28 d強(qiáng)度過程中，噴射混凝土硬化早期容易受到服役環(huán)境、埋深及施工環(huán)境中的二氧化碳或碳酸鹽介質(zhì)侵蝕，形成一定的早期碳化深度。

為進(jìn)一步揭示不同養(yǎng)護(hù)方式下的噴射混凝土碳化損傷作用，采用SEM分析了快速碳化試驗(yàn)28 d后噴射混凝土在碳化損傷作用下的微觀結(jié)構(gòu)形貌以及內(nèi)部的碳化作用產(chǎn)物，結(jié)果見圖6及圖7。

圖6 快速碳化28 d作用下噴射混凝土的微觀結(jié)構(gòu)形貌

圖7 噴射混凝土內(nèi)部碳化產(chǎn)物碳酸鈣的生長形貌

圖6表明，在碳化作用下混凝土的微觀損傷情況受養(yǎng)護(hù)環(huán)境及成型工藝影響較為明顯，對比模筑體系，噴射混凝土在噴射成型后試件內(nèi)部存在較多孔隙結(jié)構(gòu)，為二氧化碳侵蝕提供了較多的侵蝕通道，造成碳化侵蝕加劇。對比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，低溫干燥環(huán)境下的噴射混凝土內(nèi)部在碳化侵蝕下形成了較大的裂縫，并在裂縫處附近產(chǎn)生了較多的碳化反應(yīng)物質(zhì)（見圖7）。

結(jié)合能譜中鈣與碳元素的質(zhì)量比情況，對圖6局部標(biāo)注點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步放大，觀察噴射混凝土內(nèi)部碳化產(chǎn)物碳酸鈣的形成形貌（見圖7）。對于模筑C0體系，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表面形成了一層較為致密的碳酸鈣產(chǎn)物，呈現(xiàn)細(xì)針狀，而對于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的噴射混凝土S0體系，針柱狀的碳酸鈣產(chǎn)物沿著內(nèi)部孔隙通道進(jìn)行生長，數(shù)量明顯多于模筑體系。而采用低溫干燥養(yǎng)護(hù)28 d后的噴射混凝土，進(jìn)一步碳化作用后碳酸鈣產(chǎn)物尺寸更大，多在8～10 μm，且呈現(xiàn)片狀堆積現(xiàn)象。結(jié)合S1體系噴射混凝土的力學(xué)強(qiáng)度及抗凍性下降等宏觀性能結(jié)果，說明噴射混凝土在低溫干燥養(yǎng)護(hù)后耐久承載力有所下降，形成了一定的結(jié)構(gòu)缺陷，而在進(jìn)一步碳化作用后碳化產(chǎn)物碳酸鈣容易富集生長在結(jié)構(gòu)缺陷或裂縫處，促使碳化損傷加劇。

3 結(jié)論

（1）與模筑混凝土相比，噴射混凝土的力學(xué)強(qiáng)度易受噴射工藝及養(yǎng)護(hù)條件影響。相比較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的噴射混凝土，西北地區(qū)隧道噴射混凝土受冬季低溫干燥養(yǎng)護(hù)環(huán)境影響，早期抗壓強(qiáng)度明顯下降，1 d強(qiáng)度下降約4.0 MPa且后期強(qiáng)度增長緩慢。

（2）低溫干燥養(yǎng)護(hù)環(huán)境會造成噴射混凝土的早期干燥收縮傾向增大，體系7 d干燥收縮微應(yīng)變大于400 με，同時(shí)造成噴射混凝土長期抗凍性明顯下降，快凍法循環(huán)次數(shù)小于200次。

（3）西北地區(qū)噴射混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)受服役環(huán)境、埋深及施工環(huán)境影響碳化作用開始較早，強(qiáng)度齡期達(dá)28 d時(shí)噴層結(jié)構(gòu)的碳化深度在4.0 mm左右，低溫干燥養(yǎng)護(hù)條件加劇了噴射混凝土的碳化損傷程度，碳化產(chǎn)物碳酸鈣易富集在結(jié)構(gòu)缺陷處，以片狀堆積形式生長。