高溫變溫養(yǎng)護(hù)條件下隧道噴射混凝土抗碳化性能試驗(yàn)

魏豪杰 童建軍 朱龍 楊迪 葉雷 黃越 蔡延山

【摘 要】?隨著交通工程的快速發(fā)展，西藏、云南、新疆、四川等高地?zé)岣邿崴貐^(qū)出現(xiàn)了越來越多的高地溫隧道。高地溫環(huán)境下噴射混凝土存在“先天性”劣化，其耐久性能不容忽視。本文通過實(shí)驗(yàn)探究了噴射混凝土在不同養(yǎng)護(hù)溫度和不同碳化齡期下的抗碳化性能，并給出了高溫變溫養(yǎng)護(hù)條件下隧道噴射混凝土碳化深度的預(yù)測公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高溫養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土碳化深度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土更深，且碳化速率隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增大，因而其抗碳化性能明顯降低。碳化反應(yīng)生成碳酸鈣使噴射混凝土密實(shí)度增加，其力學(xué)性能隨碳化齡期逐漸增強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】噴射混凝土; 碳化; 耐久性; 力學(xué)性能

1 噴射混凝土的碳化耐久性

噴射混凝土作為隧道工程施工中重要的一類混凝土，主要有支撐、填充和保護(hù)作用[1]。在混凝土施工中，混凝土自身耐久性高低將直接影響到工程整體建設(shè)質(zhì)量，而噴射混凝土所處工程環(huán)境多數(shù)較為惡劣，服役期間將不可避免的遭受各種環(huán)境因素的長期作用，其耐久性問題也非常突出。目前，越來越多高地溫隧道的出現(xiàn)，使得人們越發(fā)重視高溫變溫環(huán)境下對噴射混凝土的耐久性的影響。

在隧道開挖過程中，由于隧道內(nèi)環(huán)境較為封閉，其熱能無法迅速逸出，通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明，圍巖溫度會(huì)在5～7天內(nèi)急劇降低，在隨后的時(shí)間內(nèi)緩慢降低[2]。而在高溫變溫的養(yǎng)護(hù)環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土的力學(xué)性能下降以及使混凝土水化反應(yīng)過早結(jié)束，微觀結(jié)構(gòu)孔隙和微裂縫多，形成連通的通道，而導(dǎo)致碳化深度大，碳化速率快[3-4]。碳化會(huì)降低混凝土堿度，破壞混凝土鈍化膜，引起鋼筋銹蝕，導(dǎo)致混凝土?xí)_裂、剝落，嚴(yán)重影響耐久性[5]。同時(shí)碳化還會(huì)增加混凝土的密實(shí)性[6]。

目前國內(nèi)外專家學(xué)者針對噴射混凝土碳化耐久性問題開展了多方面研究。張曉麗通過對混凝土碳化的深入研究，探究出混凝土碳化的影響因素和控制措施[7]。馬宏望、俞燕飛、梁超鋒等對比分析了現(xiàn)有荷載和加速碳化耦合的試驗(yàn)裝置和方法，綜述了在不同狀態(tài)應(yīng)力作用下，混凝土內(nèi)部因素以及外部環(huán)境因素對混凝土碳化性能的影響[8]。李健通過養(yǎng)護(hù)28d和84d不同礦渣摻量粉煤灰基地聚物混凝土的快速碳化試驗(yàn)，探究出混凝土碳化耐久性與養(yǎng)護(hù)齡期和礦渣摻量的關(guān)系[9]。

以上文獻(xiàn)針對混凝土碳化做了部分研究，但卻鮮有針對高地溫隧道噴射混凝土碳化耐久性能的研究，因此，為了能給高地溫環(huán)境下的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提供依據(jù)，有必要對高地溫環(huán)境下噴射混凝土碳化耐久性能進(jìn)行更加深入的研究。本文采用快速碳化法[10]，以碳化深度，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度作為指標(biāo)，探究不同初始養(yǎng)護(hù)溫度下噴射混凝土的耐久性及力學(xué)性能的變化規(guī)律。

2 材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

普通硅酸鹽水泥（P.O42.5，密度3.15 g/cm3），二級粉煤灰，砂粒直徑在0.35～0.25 mm之間，細(xì)度模數(shù)為2.1，礫石直徑為2～10 mm之間。低堿液體速凝劑的初始凝固時(shí)間為2 min 30 s，最終凝固時(shí)間為8 min 10 s。噴射混凝土配合比見表1。

2.2 試件制作

本試驗(yàn)噴射混凝土均來自成都地鐵十七號線二期土建8工區(qū)高洪村站施工現(xiàn)場，采用大板法噴射形成，大板規(guī)格為450 mm×350 mm×120 mm，首先將脫模劑均勻涂抹在大板模具中，開始在施工現(xiàn)場噴射混凝土（圖1），隨后將試塊運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高溫變溫養(yǎng)護(hù)工作。

待28天的高溫變溫養(yǎng)護(hù)完成后，將大板進(jìn)行拆模，對每組大板試塊做好標(biāo)記后進(jìn)行混凝土切割工作。本實(shí)驗(yàn)需采用300 mm×100 mm×100 mm的棱柱體試件和100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，一組包括3個(gè)樣品，其中棱柱體試件測試碳化深度，立方體試件測試力學(xué)性能。

2.3 試件養(yǎng)護(hù)

高溫變溫養(yǎng)護(hù)采用HX/HS-010L恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱（圖2），將試件置入恒溫恒濕試驗(yàn)箱，開展高溫變溫養(yǎng)護(hù)。設(shè)置初始養(yǎng)護(hù)溫度T0（40 ℃、60 ℃），養(yǎng)護(hù)濕度保持在55 %。在養(yǎng)護(hù)的0～5天內(nèi)，從初始養(yǎng)護(hù)溫度T0開始，每4 h等幅降溫，調(diào)幅為（T0-28）/（6×5） ℃。5天后溫度降至28 ℃，隨后保持28 ℃養(yǎng)護(hù)至28天。同時(shí)作為對照，一組試件在標(biāo)準(zhǔn)狀況下恒溫養(yǎng)護(hù)28天，溫度為20 ℃，濕度保持在95 %。

2.4 試驗(yàn)方法

高溫變溫養(yǎng)護(hù)條件下隧道噴射混凝土抗碳化耐久性能試驗(yàn)包括快速碳化試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.4.1 快速碳化試驗(yàn)

為保證實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可實(shí)用性，采用加速碳化的試驗(yàn)方法[11]。本試驗(yàn)使用TH-80型碳化試驗(yàn)箱，箱內(nèi)的二氧化碳濃度保持在（20±3） %，相對濕度控制在（70±5） %，溫度應(yīng)控制在（20±2） ℃的范圍內(nèi)，并設(shè)置了三組碳化齡期分別為7天、14天、28天。

棱柱體試件除了300 mm×100 mm的一個(gè)面外，其他各面都用加熱的石蠟密封。立方體試件除了一個(gè)表面外其他各面也用同樣的方式密封。碳化時(shí)間到了7天、14天和28天時(shí)，分別取出試件，破型測定碳化深度。將棱柱體試件放置在壓力試驗(yàn)機(jī)上采取劈裂法進(jìn)行破型。隨后將切除所得的試件部分刷去斷面上殘存的粉末，噴上濃度為1 %的酚酞酒精溶液。約經(jīng)30 s后，開始測量碳化深度，如圖3所示。按原先標(biāo)劃的每10 mm一個(gè)測量點(diǎn)用鋼板尺測出各點(diǎn)碳化深度，并求平均值。

2.4.2 力學(xué)試驗(yàn)

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，取出經(jīng)過加速碳化試驗(yàn)的立方體試件，利用CSS-WAW600DL電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不同碳化齡期的劈裂抗拉和抗壓試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳化深度分析

相同配合比的噴射混凝土隨著初始養(yǎng)護(hù)溫度的不同和碳化時(shí)間的不同，其碳化深度也呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，混凝土碳化深度的變化規(guī)律曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出，同碳化齡期，噴射混凝土的碳化深度隨初始養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增加;同初始養(yǎng)護(hù)溫度，噴射混凝土的碳化深度隨著碳化齡期的延長而增加;噴射混凝土在碳化試驗(yàn)的0～7天和14～28天的碳化深度增長速率較快，在7～14天內(nèi)的增長速率較慢。碳化深度和養(yǎng)護(hù)條件存在必然的內(nèi)在關(guān)系。高溫養(yǎng)護(hù)使噴射混凝土水化反應(yīng)過早結(jié)束，微孔隙和微裂縫較多，形成連通的通道，CO2可以迅速滲入噴射混凝土內(nèi)部與堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，所以碳化深度大，碳化速率快。由于碳化會(huì)導(dǎo)致埋入混凝土的鋼筋表面的鈍化膜消失，引起鋼筋銹蝕，導(dǎo)致混凝土剝落，從而噴射混凝土的耐久性能降低。所以養(yǎng)護(hù)溫度越高的噴射混凝土耐久性能越差。

根據(jù)菲克第一定律，噴射混凝土的抗碳化性能由碳化系數(shù)K來表征，其計(jì)算公式如下：

3.2 力學(xué)強(qiáng)度分析

噴射混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度隨初始養(yǎng)護(hù)溫度和碳化時(shí)間的規(guī)律變化如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6中可以看出，噴射混凝土的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度都隨著碳化時(shí)間的延長而增強(qiáng);且噴射混凝土的抗拉、劈裂抗壓強(qiáng)度都隨著初始養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低;噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度在碳化14～28天時(shí)增長幅度有所增加;噴射混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度在碳化14～28天時(shí)的增長幅度有所減弱。但是高溫養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土強(qiáng)度都低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土。其原因是碳化時(shí)間越長，碳化反應(yīng)生成的CaCO3等碳化產(chǎn)物越多，碳酸鈣會(huì)填充噴射混凝土的孔隙，使其結(jié)構(gòu)更加致密，導(dǎo)致混凝土的硬度增加，從而使混凝土的力學(xué)性能有所增強(qiáng)。但碳化后期可能會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫，而劈裂抗拉強(qiáng)度對此更加敏感，所以在14～28天出現(xiàn)了劈裂抗拉強(qiáng)度增長緩慢的現(xiàn)象。盡管碳化使得噴射混凝土的力學(xué)性能有所增強(qiáng)，但會(huì)對其耐久性能產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)論

（1）噴射混凝土的碳化深度與養(yǎng)護(hù)溫度有關(guān)，噴射混凝土的碳化深度隨初始養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增加，其抗碳化性能隨之降低。

（2）碳化后由于新生成的碳化產(chǎn)物填充微裂縫和孔隙，噴射混凝土的力學(xué)性能隨碳化深度的增加而增強(qiáng)。

（3）高溫養(yǎng)護(hù)會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土力學(xué)性能劣化，雖然在碳化過程中力學(xué)強(qiáng)度會(huì)提高，但始終低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土。

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