隧道二次襯砌大摻量粉煤灰混凝土抗?jié)B性研究*

賈 飛，李麗寧，杜 森，湯建華，趙 翔，杜 君

(1.中交路橋華北工程有限公司，北京 101100； 2.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著我國(guó)公路、鐵路、軌道交通的快速發(fā)展，修建隧道成為施工過(guò)程中克服特殊地形地貌形成的高程障礙和平面障礙優(yōu)先選擇。二次襯砌混凝土在內(nèi)層噴射混凝土和中間層防水膜施工完成后澆筑，作為隧道防水工程的最后一道防線，其對(duì)隧道外觀、安全起著決定性作用[1]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過(guò)一半的隧道存在襯砌混凝土滲漏水情況，特別是當(dāng)隧道處于高地下水位、腐蝕性水環(huán)境或其他復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，混凝土更易出現(xiàn)抗?jié)B性降低，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋銹蝕等耐久性問(wèn)題[2]。此外，附近隧道爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)能量也可能對(duì)新澆筑的二次襯砌混凝土造成不同程度的損傷，破壞混凝土密實(shí)程度，增大孔隙率，最終劣化混凝土抗?jié)B性[3]。更為嚴(yán)峻的是，二次襯砌混凝土在隧道建設(shè)中屬于大體積混凝土，在其自身收縮應(yīng)力和外部荷載徐變應(yīng)力的雙重作用下，易產(chǎn)生抗?jié)B性下降、開裂等不良現(xiàn)象[4-5]，給隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性及安全性帶來(lái)嚴(yán)重危害。

近年來(lái)，具有火山灰活性的粉煤灰材料被廣泛應(yīng)用于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土中，在降低生產(chǎn)能耗的同時(shí)，可改善混凝土密實(shí)性，進(jìn)而提高襯砌結(jié)構(gòu)抗?jié)B性[6]。華亮等[7]研究發(fā)現(xiàn)加入15%粉煤灰并未顯著降低混凝土抗壓強(qiáng)度，反而通過(guò)改善其孔結(jié)構(gòu)提高了混凝土抗?jié)B性。安楓壘[2]通過(guò)在二次襯砌混凝土中摻加30%的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)粉煤灰的微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)不僅提高了混凝土抗?jié)B性，還補(bǔ)償了混凝土部分收縮。吳定略等[1]在隧道二次襯砌自密實(shí)混凝土中摻入10%～35%的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)摻入粉煤灰提高了自密實(shí)混凝土流動(dòng)性、抗離析性和密實(shí)度，最終改善了隧道襯砌抗?jié)B性。由上述研究可知，在隧道工程實(shí)踐中，目前多數(shù)有關(guān)襯砌混凝土的研究將粉煤灰替代水泥的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)限定在30%以下[8]。而早在20世紀(jì)80年代，大摻量粉煤灰混凝土(粉煤灰摻量>50%甚至更高)已受到學(xué)者們的關(guān)注，并因其水化放熱低率先在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中得到了成功應(yīng)用[9]。已有研究表明[10]，大摻量粉煤灰混凝土中含有大量的工業(yè)副產(chǎn)品，不僅能大幅度減少生產(chǎn)成本，且可降低碳排放量，對(duì)環(huán)境更加友好。因此，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)大摻量粉煤灰混凝土力學(xué)性能、耐久性和水化進(jìn)程等方面給予了更多關(guān)注，揭示了其在實(shí)體工程中的應(yīng)用潛力[11-13]。

目前，將大摻量粉煤灰混凝土用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)中的研究較少見，基于隧道襯砌服役環(huán)境開展大摻量粉煤灰混凝土抗?jié)B性的研究更少。鑒于此，本文根據(jù)北京—秦皇島高速公路遵化—秦皇島B9標(biāo)段孤石峪隧道二次襯砌混凝土施工需求，采用普通硅酸鹽水泥和I級(jí)粉煤灰配制大摻量粉煤灰混凝土，通過(guò)與不摻粉煤灰的純水泥混凝土進(jìn)行對(duì)比，研究隧道二次襯砌大摻量粉煤灰混凝土力學(xué)性能、吸水性及氯離子滲透性，分析大摻量粉煤灰混凝土用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的可行性。

1 工程概況

北京—秦皇島高速公路遵化—秦皇島B9標(biāo)段孤石峪隧道位于河北省秦皇島市海港區(qū)石門寨鎮(zhèn)孤石裕村，隧道設(shè)計(jì)為上、下行分離的獨(dú)立雙洞形式，左洞起止樁號(hào)ZK139+478—ZK141+398，右洞起止樁號(hào)K139+483—K141+403，左右洞長(zhǎng)度均為1 920m。隧道左、右洞縱坡均為-2.5%單向坡，最大埋深125.1m。圍巖等級(jí)以Ⅳ，Ⅴ級(jí)為主，地層呈復(fù)雜多變、強(qiáng)度低、自承能力差、富水性強(qiáng)等軟弱與極軟弱圍巖特征。對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮隧道所處環(huán)境中的水分及其搬運(yùn)的氯化物等化學(xué)介質(zhì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的腐蝕作用。

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料

試驗(yàn)原材料均由孤石峪隧道施工現(xiàn)場(chǎng)提供，包括P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、I級(jí)粉煤灰、機(jī)制砂、5～31.5mm連續(xù)級(jí)配碎石、緩凝型減水劑等。水泥和粉煤灰化學(xué)組成如表1所示，二者燒失量分別為2.7%，1.5%，采用激光粒度儀對(duì)水泥和粉煤灰粒徑分布進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。機(jī)制砂屬Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 618kg/m3。減水劑減水率為24.5%。

表1 水泥和粉煤灰化學(xué)組成

2.2 配合比設(shè)計(jì)

為更符合隧道實(shí)際工程情況，參考孤石峪隧道二次襯砌混凝土配合比，以未摻加粉煤灰的水泥混凝土作為對(duì)照組，水膠比為0.45，試件編號(hào)為PC。為提高早期強(qiáng)度，將大摻量粉煤灰混凝土設(shè)置較低的水膠比，為0.35，粉煤灰摻量為60%，試件編號(hào)為FA。大摻量粉煤灰混凝土和水泥混凝土配合比如表2所示，2組混凝土中減水劑摻量均為0.1%。

表2 混凝土配合比 (kg·m-3)

2.3 試件制備

依據(jù)表2稱取各原材料，參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，首先將粉煤灰、水泥和粗細(xì)骨料混合干拌1min，然后加入溶有減水劑的拌合水?dāng)嚢?min，攪拌完成后，立即進(jìn)行坍落度測(cè)試，最后進(jìn)行振動(dòng)成模?？箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試件均為100mm×100mm×100mm立方體試件，吸水性和氯離子滲透性試驗(yàn)采用直徑101.6mm、高203.2mm的圓柱體試件，每組均為3個(gè)試件。所有試件表面均覆蓋1層塑料薄膜，置于室溫環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24h，拆模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期?？箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試齡期包括3，7，14，28d。吸水性和氯離子滲透性試驗(yàn)齡期為28d。

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1強(qiáng)度測(cè)試

依據(jù)GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試。

2.4.2吸水性測(cè)試

混凝土吸水性由混凝土吸水速率進(jìn)行確定，首先將圓柱體混凝土試件中間部分切出50mm厚圓片形試件，然后放入溫度為60℃、真空度為84.6kPa的烘箱中烘干24h，以去除試件中的水分。試件冷卻至室溫后，將其上表面和側(cè)表面密封，放置于水中的鐵制支座上，確保僅下表面可接觸到水。

2.4.3氯離子滲透性試驗(yàn)

混凝土氯離子滲透性試驗(yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快速氯離子遷移法進(jìn)行。首先在圓柱體試件中間部分切出50mm厚圓片形試件(每個(gè)圓柱可切出2個(gè)圓片形試件)，試驗(yàn)正式開始前將圓片形試件浸泡在飽和石灰水中進(jìn)行真空飽水。試驗(yàn)過(guò)程中將可輸出穩(wěn)定電壓的電源連接試驗(yàn)裝置中的陰極和陽(yáng)極，陰極電解液和陽(yáng)極電解液分別采用10%的氯化鈉溶液和0.3mol/L的氫氧化鈉溶液。為保持電解液濃度，每次測(cè)試結(jié)束后均需將電解液進(jìn)行更換。測(cè)試結(jié)束后，將混凝土試件劈開，在其斷裂表面上噴0.1mol/L硝酸銀溶液，硝酸銀與氯離子發(fā)生反應(yīng)形成白色沉淀，進(jìn)而可測(cè)量氯離子滲透深度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度

混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，養(yǎng)護(hù)至28d的FA組混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為42.5，3.4MPa，與PC組混凝土強(qiáng)度接近。

由圖2a可知，齡期為3d時(shí)，F(xiàn)A組混凝土抗壓強(qiáng)度高于PC組混凝土，這是因?yàn)榇罅糠勖夯业拇嬖趯?dǎo)致混凝土中有效水灰比較高，使FA組混凝土水泥水化程度較高[14]。FA組混凝土早期(3～14d)強(qiáng)度發(fā)展較慢，導(dǎo)致其14d抗壓強(qiáng)度低于PC組混凝土，這是因?yàn)榉勖夯业幕鹕交曳磻?yīng)在3～14d時(shí)較慢[15]，造成FA組混凝土中僅有較少的水化產(chǎn)物，進(jìn)而對(duì)抗壓強(qiáng)度造成影響。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，F(xiàn)A組混凝土后期(14～28d)強(qiáng)度增長(zhǎng)速度提高，28d抗壓強(qiáng)度已與PC組混凝土相近。文獻(xiàn)[16]中也發(fā)現(xiàn)了相似趨勢(shì)，由于粉煤灰發(fā)生了有效火山灰反應(yīng)，F(xiàn)A組混凝土與PC組混凝土抗壓強(qiáng)度之間的差距逐漸縮小。尤其是養(yǎng)護(hù)后期，粉煤灰火山灰反應(yīng)加快，有利于混凝土后期抗壓強(qiáng)度發(fā)展。

由圖2b可知，F(xiàn)A組混凝土早期(3～14d)劈裂抗拉強(qiáng)度較PC組混凝土高，而28d劈裂抗拉強(qiáng)度較PC組混凝土略低，這說(shuō)明摻入大摻量粉煤灰后，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展速度低于抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度，這是因?yàn)榇髶搅糠勖夯业膿饺胂魅趿嘶炷粱w與骨料之間的結(jié)合力。

3.2 吸水性

混凝土吸水性測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，2組混凝土單位面積吸水量在最初的6h內(nèi)均快速增長(zhǎng)，1d后吸水量開始平穩(wěn)增長(zhǎng)，且FA組混凝土吸水量低于PC組混凝土，這是因?yàn)榉勖夯翌w粒表面光滑，具有更強(qiáng)的滾珠效應(yīng)。結(jié)合粒徑分布曲線進(jìn)行分析，本試驗(yàn)I級(jí)粉煤灰粒徑在小粒徑范圍內(nèi)分布較集中，彌補(bǔ)了水泥在小粒徑范圍內(nèi)的缺失，并與水泥形成了較理想的連續(xù)級(jí)配，因此，粉煤灰的摻入相當(dāng)于優(yōu)化了混凝土孔結(jié)構(gòu)[17]。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，F(xiàn)A組混凝土吸水率為2.81%，而PC組混凝土吸水率為6.02%，這表明當(dāng)大摻量粉煤灰混凝土應(yīng)用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，其吸水性更小，因此抗?jié)B性更好。

將圖3數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，確定混凝土吸水性系數(shù)，如圖4所示，將最初6h內(nèi)線性擬合的斜率定義為初始階段吸水性系數(shù)，將2～8d線性擬合的斜率定義為第二階段吸水性系數(shù)。初始階段吸水性主要取決于混凝土孔結(jié)構(gòu)和干濕狀態(tài)，代表水填滿毛細(xì)孔的速率[18]。由圖4a可知，F(xiàn)A組混凝土初始階段吸水性系數(shù)為PC組混凝土的64%，明顯低于PC組混凝土，這是由于與PC組混凝土相比，F(xiàn)A組混凝土具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)和更優(yōu)異的孔結(jié)構(gòu)[19]，抗?jié)B性更強(qiáng)。

混凝土第二階段吸水性主要反映水分進(jìn)入混凝土大孔(尺寸大于毛細(xì)孔)中的速度和難易程度，在判斷混凝土是否達(dá)到臨界飽和狀態(tài)方面發(fā)揮了重要作用[18]。由圖4b可知，F(xiàn)A組混凝土第二階段吸水性系數(shù)較PC組混凝土高，說(shuō)明摻入粉煤灰會(huì)增加混凝土達(dá)到水飽和狀態(tài)需要的時(shí)間。PC組混凝土第二階段吸水性主要反映大孔逐漸充滿水的過(guò)程，而此階段FA組混凝土中同時(shí)存在毛細(xì)孔飽水和大孔充滿水的過(guò)程，導(dǎo)致其第二階段吸水性系數(shù)較PC組混凝土高。這表明大摻量粉煤灰混凝土用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，可降低混凝土結(jié)構(gòu)的水飽和度。

3.3 氯離子滲透性

快速氯離子遷移試驗(yàn)可在較短時(shí)間內(nèi)確定氯離子在混凝土中的滲透性[20]。經(jīng)硝酸銀處理后的混凝土氯離子沉淀如圖5所示，圖中箭頭指示了氯離子滲透位置。由于混凝土試件中存在骨料，導(dǎo)致氯離子滲透模式并不是呈直線平行遷移。

FA組混凝土在試驗(yàn)過(guò)程中施加的電壓為25V，氯離子滲透深度為6.40mm，PC組混凝土施加的電壓僅為10V，但氯離子滲透深度為13.89mm，可知FA組混凝土雖施加的電壓較高，但氯離子滲透深度較小。試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土試件施加的電壓對(duì)氯離子遷移系數(shù)有所影響[21]。試驗(yàn)開始時(shí)，對(duì)試件施加30V初始電壓，然后測(cè)量初始電流，以反映試件導(dǎo)電性能，并與混凝土滲透性建立聯(lián)系。若初始電流太高或太低，需對(duì)施加在試件上的電壓進(jìn)行調(diào)整，以獲得合理的電流和氯離子滲透深度。對(duì)于高滲透性混凝土來(lái)說(shuō)，需調(diào)低施加的電壓，以防氯離子穿透試件。相反，對(duì)于低滲透性混凝土來(lái)說(shuō)，需調(diào)高施加的電壓，以允許氯離子滲透足夠的深度，方便測(cè)量。本試驗(yàn)中FA組混凝土需施加的電壓更高，說(shuō)明其有更低的滲透性，也證明了將粉煤灰應(yīng)用于隧道二次襯砌時(shí)，對(duì)降低混凝土氯離子滲透性是有益的。

2組混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)如表3所示。由表3可知，F(xiàn)A組混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)較PC組混凝土降低了83%，這是因?yàn)榛炷林械姆勖夯視?huì)發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成硅酸鈣凝膠[22]，加上粉煤灰中的鋁相會(huì)與氯離子發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化合物，使混凝土對(duì)氯離子的結(jié)合能力更強(qiáng)[23]。因此，摻加粉煤灰可降低自由氯離子含量，進(jìn)而提高混凝土對(duì)氯離子滲透的抵抗能力。在隧道二次襯砌混凝土中，氯離子擴(kuò)散系數(shù)的降低可使鋼筋混凝土使用壽命大幅度延長(zhǎng)。

表3 混凝土快速氯離子遷移試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

1)粉煤灰摻量為60%的大摻量粉煤灰混凝土28d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為42.5，3.4MPa，與純水泥混凝土接近，滿足隧道二次襯砌混凝土強(qiáng)度要求，大摻量粉煤灰混凝土用于隧道二次襯砌是可行的。

2)與普通水泥混凝土相比，大摻量粉煤灰混凝土吸水率更低，初始階段吸水性系數(shù)更低，第二階段吸水性系數(shù)更高。當(dāng)大摻量粉煤灰混凝土用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，可提高混凝土抗?jié)B性，降低混凝土結(jié)構(gòu)水飽和度。

3)摻入粉煤灰可降低混凝土中自由氯離子含量，60%摻量的粉煤灰使混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)較水泥混凝土降低了83%，說(shuō)明大摻量粉煤灰可提高二次襯砌混凝土對(duì)氯離子滲透的抵抗能力。綜合考慮混凝土強(qiáng)度、吸水性和氯離子滲透性試驗(yàn)結(jié)果，將大摻量粉煤灰摻入混凝土用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)中是可行的。