蘇埃通道海底隧道結(jié)構(gòu)高耐久性能混凝土試驗(yàn)研究

劉慶方 范國剛 況聯(lián)飛

(1.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300133;2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,徐州 221116)

0 引 言

隨著我國沿海城市發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大,城市交通通行壓力與日俱增,建設(shè)海底隧道成為沿海城市生態(tài)環(huán)境與城市景觀要求及降低惡劣極端天氣影響的優(yōu)選舉措之一[1]。由于靠近海邊,隧道結(jié)構(gòu)不同部位干濕循環(huán)嚴(yán)重,加之海水中氯鹽腐蝕,以及通車后汽車尾氣中CO2影響,混凝土碳化速度快。海洋大氣環(huán)境和水環(huán)境將引起海底隧道襯砌鋼筋混凝土一系列的耐久性問題[2]。

由于對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性重視不足,造成嚴(yán)重的后果在西方發(fā)達(dá)國家比比皆是,且由此產(chǎn)生的修補(bǔ)費(fèi)用甚至遠(yuǎn)高于其當(dāng)初的修建費(fèi)。如1991年美國僅修復(fù)壞損的橋梁就耗費(fèi)910億美元。英國每年用于修復(fù)英格蘭島的中環(huán)線快車道高架橋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的費(fèi)用高達(dá)200億英鎊。日本引以為豪的新干線則開通不到10年,混凝土也發(fā)現(xiàn)有大面積的開裂、剝落現(xiàn)象。同樣的問題在我國也沒能避免,特別是近些年來,我國基礎(chǔ)設(shè)施的大量興建,混凝土耐久性,尤其是在海底環(huán)境腐蝕劣化問題逐漸表現(xiàn)出來,甚至更為嚴(yán)重[3-6]。

海底隧道大跨偏壓襯砌屬大偏壓構(gòu)件,在已有初始裂紋并長期受圍壓作用和海水中氯離子持續(xù)浸泡滲透及碳化下將引起鋼筋銹蝕,是海工鋼筋混凝土構(gòu)件的主要破壞因素[7-9]。因此,進(jìn)行高性能海工混凝土材料的優(yōu)化配制試驗(yàn)研究,是當(dāng)前提高混凝土耐久性的熱點(diǎn)之一[10-13]。

為保證隧道結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)的百年使用壽命要求,需全面考慮各因素對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響,研究在惡劣海洋環(huán)境中如何提高海底隧道結(jié)構(gòu)的整體耐久性。通過配置高耐久性混凝土提高結(jié)構(gòu)的耐久性是最有效、最直接且最為經(jīng)濟(jì)的根本措施。筆者以汕頭市蘇埃通道海底隧道工程為研究背景,通過室內(nèi)優(yōu)化試驗(yàn)獲得了適用于該工況環(huán)境的高耐久性混凝土。

1 工程概況與結(jié)構(gòu)環(huán)境類別劃分

1.1 蘇埃灣過海通道

蘇埃通道是汕頭市規(guī)劃的四條跨海通道之一,位于已建的海灣大橋和礐石大橋之間,下穿蘇埃灣海域,線路全長6.68 km,海域長約3.55 km。為一級公路兼城市道路,雙管六車道,采用盾構(gòu)法+明挖法施工。海底段盾構(gòu)隧道內(nèi)徑13.3 m,外徑14.5 m,管片厚度為600 mm。

隧道結(jié)構(gòu)穿越的地層依次為淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混砂、中粗砂和花崗巖層,地下水類型主要為孔隙水及基巖裂隙水,其中孔隙水豐富,基巖裂隙水較為貧乏。場區(qū)百年一遇洪水水位高程3.85 m,隧道底最大埋深37.278 m,最低點(diǎn)水頭高度39.21 m,如圖1所示。

圖1 蘇埃通道隧道縱斷面

1.2 蘇埃隧道混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境類別劃分

依據(jù)相關(guān)國家規(guī)范[14]可將混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境作用類別劃分為一般環(huán)境(Ⅰ)、凍融環(huán)境(Ⅱ)、海洋氯化物環(huán)境(Ⅲ)、除冰鹽等其他氯化物環(huán)境(Ⅳ)和化學(xué)腐蝕環(huán)境(Ⅴ)等五大類,同時(shí)各類環(huán)境類別依據(jù)作用程度還可進(jìn)一步劃分為輕微(A)、輕度(B)、中度(C)、嚴(yán)重(D)、非常嚴(yán)重(E)和極端嚴(yán)重(F)等六級。

蘇埃隧道盾構(gòu)段混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別及作用等級劃分見表1。其中外側(cè)環(huán)境水中氯離子濃度已超5 000 mg/L,侵蝕作用可按Ⅲ-E級非常嚴(yán)重腐蝕考慮。內(nèi)側(cè)主要侵蝕來源于汽車廢氣,屬大氣污染環(huán)境類別,作用等級為Ⅴ-C級中度腐蝕。但考慮到盾構(gòu)結(jié)構(gòu)為一側(cè)干燥而另一側(cè)接觸海水的配筋混凝土構(gòu)件,其接觸海水一側(cè)應(yīng)按Ⅲ-E級非常嚴(yán)重腐蝕考慮。因此,蘇埃海底盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)均應(yīng)按Ⅲ-E級非常嚴(yán)重腐蝕考慮。

表1 蘇埃通道盾構(gòu)段隧道環(huán)境類別及作用等級

2 高耐久性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

由上述分析可知,蘇埃海底盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)將處于Ⅲ-E 級非常嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境中,為保證其100年設(shè)計(jì)使用目標(biāo)要求,須進(jìn)行有針對性的耐久性設(shè)計(jì)。基本出發(fā)點(diǎn)為在材料和工藝技術(shù)能夠保證的前提下,通過提高混凝土材料自身的耐久性措施來實(shí)現(xiàn),其中配置高耐久性混凝土是最有效、最直接且最經(jīng)濟(jì)的措施。

高耐久性混凝土的配制應(yīng)在優(yōu)選原材料的基礎(chǔ)上,通過合理搭配各種組分,最終形成密實(shí)、宏觀缺陷少、滲透性小和體積穩(wěn)定的混凝土材料[6]。按管片設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C60,水膠比控制在0.30～0.36,綜合傳統(tǒng)規(guī)范方法和以實(shí)測粗集料的松堆積密度為出發(fā)點(diǎn)的Mehta和Aitcin高耐久性混凝土設(shè)計(jì)方法進(jìn)行蘇埃通道盾構(gòu)管片混凝土配合比設(shè)計(jì)。選取水膠比和摻率兩個對混凝土耐久性影響比較重要的參數(shù),研究不同水膠比和摻率對混凝土強(qiáng)度、變形性能及耐久性的影響,試配混凝土配合比設(shè)計(jì)方案見表2。

表2 蘇埃通道盾構(gòu)管片混凝土配合比試配設(shè)計(jì)

3 高耐久性能混凝土試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)用材料特性

試驗(yàn)用水泥采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥,其28 d抗壓強(qiáng)度為57.8 MPa,抗折強(qiáng)度為9.6 MPa;粉煤灰采用Ⅰ級F類粉煤灰,礦渣采用S95級;粗骨料采用石灰石碎石子,通過10～20 mm 和5～10 mm 兩個單粒級按7∶3的比例摻配得到,以獲得較高的堆積密實(shí)度;細(xì)骨料采用現(xiàn)場提供的中砂砂樣;外加劑采用聚羧酸型高效減水劑,含固量20%,摻量為0.7%;試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自來水。

3.2 不同水膠比和礦物摻料混凝土力學(xué)性能

不同水膠比試配混凝土的抗壓、劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)比較如圖2所示。

圖2 不同水膠比混凝土強(qiáng)度指標(biāo)比較

對于抗壓強(qiáng)度,齡期7 d時(shí),單摻和雙摻配比混凝土強(qiáng)度均隨水膠比的增大而降低;齡期28 d和56 d時(shí),單摻混凝土強(qiáng)度隨水膠比增加先降低再增大,強(qiáng)度最高值對應(yīng)水膠比為0.28;齡期28 d和56 d時(shí),雙摻混凝土強(qiáng)度在水膠比為0.28和0.31時(shí)相差不大,而水膠比0.34 時(shí),混凝土強(qiáng)度急劇降低。對于劈裂抗拉強(qiáng)度,齡期28 d時(shí),單摻和雙摻配比混凝土強(qiáng)度均隨水膠比的增加而降低;齡期56 d時(shí),單摻混凝土強(qiáng)度隨水膠比增加先降低再增大,而雙摻混凝土強(qiáng)度隨水膠比增加先增大再降低。對于抗折強(qiáng)度,齡期28 d時(shí),單摻和雙摻配比混凝土強(qiáng)度均隨水膠比的增加而降低;齡期56 d時(shí),單摻混凝土強(qiáng)度隨水膠比先降低再增大,而雙摻混凝土強(qiáng)度對應(yīng)水膠比0.28時(shí)最大。除A2組抗壓和抗折強(qiáng)度外,從齡期看混凝土強(qiáng)度指標(biāo)基本隨齡期增長而逐漸增大,符合混凝土強(qiáng)度發(fā)展的一般規(guī)律。因此,根據(jù)抗壓強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系曲線可以得出:在20%粉煤灰加10%礦渣的摻量條件下,C60混凝土若要28 d達(dá)到66.6 MPa強(qiáng)度,則其水膠比應(yīng)控制在0.28或0.31;在20%粉煤灰的摻量條件下,C60 混凝土若要28 d達(dá)到66.6 MPa強(qiáng)度,則其水膠比應(yīng)為0.28。

在水膠比保持不變時(shí),不同礦物摻合料的摻入(粉煤灰單摻)對混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)的影響如圖3所示。

從圖3可以看出,試配混凝土的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加總體呈減小趨勢。粉煤灰與礦渣雙摻組(B2)的28 d抗壓強(qiáng)度最高,混凝土后期強(qiáng)度隨著齡期的增長出現(xiàn)較大增幅。雙摻組(B2)的試配混凝土強(qiáng)度在28 d 齡期達(dá)到了C60混凝土的強(qiáng)度要求,而其他摻率混凝土在56 d才達(dá)到。試配混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而降低,雙摻組(B2)的試配混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最高。試配混凝土抗折強(qiáng)度隨粉煤灰摻量變化的趨勢不明顯。

圖3 不同礦物摻合料混凝土強(qiáng)度指標(biāo)比較

3.3 混凝土耐久性能測試結(jié)果與分析

(1)抗氯離子擴(kuò)散性能

依據(jù)相關(guān)國家規(guī)范[14],采用快速氯離子遷移系數(shù)方法進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定,計(jì)算得出的氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 混凝土的抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)

測試結(jié)果表明,在水膠比固定為0.31時(shí),各不同配比試配混凝土的28 d抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)均滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[15]要求(即混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)小于4×10-12m2/s)。另外,試配混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與其28 d強(qiáng)度呈反相關(guān)關(guān)系,如水膠比為0.31的雙摻組(B2)28 d強(qiáng)度最高,但其擴(kuò)散系數(shù)最小。

(2)抗水滲透性能

混凝土自身的抗水滲透能力對其在整體性完好時(shí)的耐久性起決定性作用。依據(jù)相關(guān)國家規(guī)范[14],采用逐級加壓法測定試件的抗水滲透性能,同時(shí)為對比不同混凝土配合比的試件抗?jié)B性能差異,在逐級加壓結(jié)束后將試件劈開,采用滲水高度法測定其平均滲水高度,結(jié)果見表4。

表4 混凝土的抗水滲透測試結(jié)果

測試結(jié)果表明,本次試配的高性能混凝土自身抗?jié)B能力均較好,能夠滿足P12 的設(shè)計(jì)要求,且隨著試件強(qiáng)度的提高,滲水高度略有下降。

(3)抗碳化性能

依據(jù)相關(guān)國家規(guī)范[14],采用加速碳化標(biāo)準(zhǔn)方法對試配混凝土進(jìn)行了抗碳化性能測試,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同齡期試件抗碳化性能測試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明,混凝土碳化深度隨碳化時(shí)間的增長呈逐漸增大趨勢,28 d后的平均碳化深度小于1 cm,抗碳化性能達(dá)到了T-Ⅳ。因在試驗(yàn)濃度下(20±3)%碳化28 d大致相當(dāng)于自然環(huán)境中50年的碳化效果,因此,本次配置的混凝土抗碳化性能較好。

3.4 混凝土變形性能測試結(jié)果與分析

由于海底隧道服役環(huán)境惡劣,混凝土自身變形易產(chǎn)生開裂而加劇腐蝕[12],因此,筆者進(jìn)一步研究了混凝土自生收縮和干燥收縮變形性能,為其抗裂性能評價(jià)和配合比的優(yōu)選提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(1)自生收縮變形

參考相關(guān)國家規(guī)范[14],采用非接觸法測定試配混凝土7 d 內(nèi)的自生收縮變形,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同水膠比與礦物摻合料混凝土自收縮變形變化規(guī)律

由圖5可以看出,試配混凝土的早期自生收縮變形幾乎隨時(shí)間呈線性增長,發(fā)展速度較快。在7 d時(shí)收縮率接近10-3,其影響應(yīng)予以重視。另一方面,隨著礦物摻合料(粉煤灰)摻量的增加,混凝土的自生收縮隨之減小。因此,在滿足強(qiáng)度和耐久性指標(biāo)的基礎(chǔ)上,應(yīng)根據(jù)約束程度和結(jié)構(gòu)形式,選用自生收縮較小的混凝土,以避免過大的自生應(yīng)力造成材料內(nèi)部微裂紋的開展和貫通。

(2)干燥收縮變形

同樣,依據(jù)相關(guān)國家規(guī)范[14],采用接觸法測定試配混凝土在無約束和指定溫濕度條件下的干燥收縮變形性能,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同摻率混凝土的干縮變形規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)果表明,混凝土的干燥收縮率隨著齡期的增加而逐漸增大,且早期發(fā)展速率較快,14 d后增長速率變緩。相同齡期條件下,其干燥收縮率在混凝土中粉煤灰摻量為30%時(shí)最大,其次為粉煤灰摻量20%。在粉煤灰摻量為40%時(shí),混凝土長期干燥收縮率最小。

一般來說,高強(qiáng)混凝土的干燥收縮相比中低強(qiáng)度混凝土小,且該工程位于汕頭市,其年平均相對濕度較高,隧道大部分又埋置水中或土中,僅隧道內(nèi)側(cè)及水位變動區(qū)的隧道外側(cè)需考慮干燥收縮的影響。因此,高強(qiáng)混凝土現(xiàn)澆施工時(shí)應(yīng)注意隧道襯砌早齡期的保濕養(yǎng)護(hù),后期的干燥收縮影響相對較小。

4 結(jié) 論

(1)若按28 d強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收,則蘇埃隧道高耐久性混凝土水膠比宜控制在0.28～0.31,摻合料摻量宜控制在20%～30%。

(2)試驗(yàn)中混凝土材料自身耐久性均較好,能滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)要求指標(biāo)。28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于4×10-12m2/s,抗水滲透等級達(dá)到P12,抗碳化性能達(dá)到了T-Ⅳ。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明,在滿足強(qiáng)度和耐久性指標(biāo)的前提下,適當(dāng)增大礦物摻合料用量,減小膠凝材料用量,并做好早期養(yǎng)護(hù),對減小收縮、提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有利。