隧道溶腔填充泡沫混凝土的防水性能及細(xì)觀特征

易傳斌 侯勇 雷楊 杜鵬 張書豪 崔圣愛

1.四川川交路橋有限責(zé)任公司， 四川 廣漢 618300； 2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 成都 610031

隧道溶腔的填充大多采用砂和低強(qiáng)混凝土，但其自重大、防水性能差。因此，隧道拱頂溶腔填充材料既要滿足一定重量，也要具備一定的防水性能。憎水性泡沫混凝土是一種很好的選擇。與傳統(tǒng)混凝土填充材料相比，泡沫混凝土具有較好經(jīng)濟(jì)適用性，可有效減輕隧道拱頂承重，同時(shí)因其密度小，施工簡(jiǎn)便，還可節(jié)約人工和時(shí)間成本。

泡沫混凝土防水性能的研究主要集中在兩個(gè)方面：泡沫混凝土配合比優(yōu)化和通過憎水劑改善材料防水性能［1］。從基體結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，主要是調(diào)整配合比，從而改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和晶膠比［2］，提高材料的防水性能。從憎水劑的作用方式出發(fā)，主要分為表面涂覆和內(nèi)摻改性。國(guó)內(nèi)外通常選擇表面涂覆，通過外覆憎水劑，使混凝土表面形成一層防水薄膜。由于泡沫混凝土表面不平整，導(dǎo)致憎水劑難以涂抹均勻，最終引起防水薄膜老化［3］。內(nèi)摻改性是將憎水劑當(dāng)作外加劑與干料攪拌均勻，形成整體性憎水的泡沫混凝土［4］。該方法目前處于起步階段。與表面涂覆相比，內(nèi)摻改性可以有效提升泡沫混凝土防水性能，但目前大多數(shù)研究?jī)H局限于憎水劑對(duì)泡沫混凝土宏觀性能的影響，缺乏微觀和細(xì)觀層面上的研究。

本文針對(duì)隧道溶腔填充問題，模擬了施工現(xiàn)場(chǎng)泡沫混凝土的制備過程，選取甲基硅酸鈉、纖維素、硬脂酸鈣、硅氧烷和滲透結(jié)晶型活性硅五種憎水劑，分析不同憎水劑與泡沫的兼容性以及憎水劑對(duì)泡沫混凝土物理力學(xué)性能的影響，并通過CT 測(cè)試技術(shù)從細(xì)觀層面分析泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征。本研究旨在為隧道溶腔填充用泡沫混凝土的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，粉煤灰等級(jí)為Ⅱ級(jí)，水泥與粉煤灰的物理性能指標(biāo)分別見表1、表2；發(fā)泡劑為蛋白發(fā)泡劑，稀釋比例為1∶40；減水劑為減水率30%的聚羧酸減水劑；憎水劑為甲基硅酸鈉、纖維素、硬脂酸鈣、硅氧烷和滲透結(jié)晶型活性硅。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

表2 粉煤灰物理性能指標(biāo) %

1.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所制備的泡沫混凝土水膠比均為0.3，干密度均為500 kg/m3，礦物摻和料均為膠凝材料用量的25%。各類外加劑摻量均按膠凝材料用量的質(zhì)量比計(jì)算，其中纖維素、硬脂酸鈣、硅氧烷摻量均為0.5%，甲基硅酸鈉摻量為6%，滲透結(jié)晶型活性硅摻量為2%。泡沫混凝土配合比見表3。經(jīng)試拌確定減水劑摻量為0.1% ～ 0.2%。

表3 泡沫混凝土配合比 kg·m-3

1.3 試樣制備

試樣制備步驟：①先將甲基硅酸鈉制備成濃度8%的水溶液；纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣和滲透結(jié)晶型活性硅均為粉末。②將水泥、粉煤灰和憎水劑粉末（溶液）投入容積約20 L 的容器中，通過手持式電鉆攪拌至均勻。③將水緩慢加入油漆桶內(nèi)，繼續(xù)攪拌1.5 ～2.0 min，直至攪拌均勻。④通過發(fā)泡機(jī)制備1 kg的泡沫，并將泡沫與水泥凈漿攪拌2 ～ 3 min，直至料漿表面無白色斑跡浮現(xiàn)，測(cè)定泡沫混凝土的流動(dòng)度。⑤將泡沫料漿澆筑到邊長(zhǎng)100 mm 的立方體試模中，覆膜預(yù)養(yǎng)護(hù)48 h后拆模，轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)覆膜養(yǎng)護(hù)至28 d，即可開始試驗(yàn)。

1.4 物理力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)JG/ T 266—2011《泡沫混凝土》檢測(cè)泡沫混凝土的流動(dòng)度、干密度、抗壓強(qiáng)度和吸水率。吸水率包括質(zhì)量吸水率（Wm）和體積吸水率（Wv）。計(jì)算公式分別為

式中：Ms為泡沫混凝土吸水飽和后的質(zhì)量，g；M0為泡沫混凝土烘干后的質(zhì)量，g；V0為泡沫混凝土自然狀態(tài)下的體積，cm3；ρw為水的密度，g/cm3。

1.5 孔結(jié)構(gòu)測(cè)試方法

孔結(jié)構(gòu)測(cè)試采用三英精密儀器公司生產(chǎn)的nanoVoxel-1000 桌面型CT 掃描儀。通過該系統(tǒng)得到不同憎水劑摻量泡沫混凝土的二維圖像。泡沫混凝土可以看成由孔隙和泡沫料漿組成的二元多孔介質(zhì)材料［5］。本文基于CT 測(cè)試結(jié)果，將所得的斷面圖以二維灰度圖的形式展現(xiàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 憎水劑對(duì)新拌漿體流動(dòng)度和干密度的影響

不同工況泡沫混凝土的流動(dòng)度和干密度對(duì)比見表4。

表4 不同工況泡沫混凝土的流動(dòng)度和干密度對(duì)比

根據(jù)T/CECS 590—2019《巖溶空洞泡沫混凝土充填技術(shù)規(guī)程》，泡沫混凝土流動(dòng)度在150 ～ 200 mm 才能保證施工性能良好。由表4 可知：①單摻不同憎水劑時(shí)泡沫混凝土流動(dòng)性有所差異。單摻甲基硅酸鈉對(duì)流動(dòng)度提升效果最明顯，與不摻時(shí)相比提升了55%，超出了泡沫混凝土正常工作范圍，說明甲基硅酸鈉與泡沫的兼容性較差。單摻其他憎水劑對(duì)于流動(dòng)度影響不大，且流動(dòng)度均在泡沫混凝土正常工作范圍內(nèi)，因此以下僅對(duì)單摻甲基硅酸鈉以外的四種工況進(jìn)行分析。②單摻纖維素、硅氧烷、硬質(zhì)酸鈣、滲透結(jié)晶型活性硅時(shí)泡沫混凝土干密度均增大，與不摻時(shí)相比，泡沫混凝土干密度依次增大12.9%、11.9%、17.8%、12.7%。這是由于泡沫混凝土干密度與內(nèi)部孔隙的尺寸和數(shù)量密切相關(guān)［6］。

2.2 憎水劑對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

不同工況泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比見表5。可知，與不摻時(shí)相比，單摻不同憎水劑時(shí)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度均增大。單摻滲透結(jié)晶型活性硅時(shí)泡沫混凝土7 d抗壓強(qiáng)度最高，與不摻時(shí)相比提高了1.12倍；單摻纖維素時(shí)泡沫混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度最高，與不摻時(shí)相比提高了27.3%。這是由于滲透結(jié)晶型活性硅與泡沫料漿接觸后，能快速滲入基體孔隙，并在其內(nèi)部結(jié)晶，使得基體早期更密實(shí)；纖維素作為一種保水增稠材料，能使料漿中水分難以散失，保證了水泥后期充分水化，進(jìn)一步使基體內(nèi)連通孔數(shù)量減少［7］。

表5 不同工況泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比

2.3 憎水劑對(duì)泡沫混凝土吸水率的影響

采用質(zhì)量吸水率和體積吸水率表征防水效果。二者越低，防水效果越好。單摻不同憎水劑時(shí)泡沫混凝土吸水率對(duì)比見表6?？芍号c不摻時(shí)相比，單摻不同憎水劑時(shí)泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率和體積吸水率均減小，且質(zhì)量吸水率和體積吸水率均隨養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)而降低。若以28 d 的體積吸水率來衡量防水效果，四種憎水劑的防水效果由好到差依次為硅氧烷 ＞ 硬脂酸鈣 ＞ 纖維素 ＞ 滲透結(jié)晶型活性硅。硅氧烷的防水效果最好，與不摻時(shí)相比體積吸水率降低74.1%。

表6 不同工況泡沫混凝土吸水率對(duì)比

3 泡沫混凝土細(xì)觀分析

3.1 試樣斷面細(xì)觀分析

通過CT 測(cè)試獲得不同工況泡沫混凝土斷面圖，見圖1。單摻每種憎水劑得到400張斷面圖，為了更加直觀地觀察孔隙的表象，每種工況選取了3 張具有代表性的斷面圖，從左到右依次為第100、200、300 張斷面圖?？芍?，不摻憎水劑時(shí)每個(gè)斷面中孔隙數(shù)量較多、分布雜亂，且存在較多大孔隙。分別單摻纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣改性后，泡沫混凝土斷面平均孔徑明顯減小，大孔數(shù)量明顯變少，這說明單摻纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣均可改善泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)。摻入滲透結(jié)晶型活性硅對(duì)泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)影響較小。

圖1 不同工況泡沫混凝土斷面

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析

孔隙網(wǎng)絡(luò)模型可用來近似模擬真實(shí)孔隙空間，并在細(xì)觀尺度上定量描述孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)?；趩螕讲煌魉畡┡菽炷恋腃T 三維圖像，結(jié)合分水嶺算法與圖像分析軟件Avizo，構(gòu)建不同工況孔隙網(wǎng)絡(luò)模型（圖2），對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行量化分析。圖2中不同顏色代表不同體積的孔隙及連接孔隙的通道（即喉道）。

圖2 不同工況孔隙網(wǎng)絡(luò)模型

由圖2 可知：①不摻憎水劑時(shí)泡沫混凝土孔隙分布散亂，小孔居多，整體連通性較好，而分別單摻纖維素、硅氧烷、硬質(zhì)酸鈣后泡沫混凝土連通孔和小孔數(shù)量大幅減小，孔隙間連通性變差；②與不摻時(shí)相比，單摻滲透結(jié)晶型活性硅后泡沫混凝土連通孔的分布及數(shù)量無明顯變化，小孔占主導(dǎo)且分布散亂。這說明除滲透結(jié)晶型活性硅外，其他三種憎水劑均能改善泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，無論是孔隙數(shù)量還是孔徑均能得到一定程度優(yōu)化。

不同工況孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)見表7?？芍瑩饺朐魉畡?duì)泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)有一定程度的影響。摻入不同憎水劑后，泡沫混凝土的孔隙率、孔隙數(shù)、孔隙平均體積、喉道數(shù)均減小。其中單摻硅氧烷對(duì)于泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響最明顯，與不摻時(shí)相比，孔隙率、孔隙數(shù)、孔隙平均體積和喉道數(shù)分別降低46.0%、44.3%、48.7%、94.2%。

表7 不同工況孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

綜合試樣的斷面圖和孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析結(jié)果可知，不同憎水劑對(duì)泡沫混凝土防水性能的改善效果由好到差排序?yàn)楣柩跬?＞ 硬脂酸鈣 ＞ 纖維素 ＞ 滲透結(jié)晶型活性硅。

3.3 孔隙連通性分析

按照連通性，將連通孔分為4 個(gè)等級(jí)：0 級(jí)連通孔指封閉且不與混凝土表面接觸的孔隙；1 級(jí)連通孔指與一個(gè)混凝土表面相連的孔隙；2 級(jí)連通孔指連通混凝土兩個(gè)相鄰表面的孔隙；3 級(jí)連通孔指連通混凝土兩個(gè)不相鄰表面的孔隙。

采用圖像分析軟件Avizo，對(duì)通過CT 測(cè)試獲得的斷面中的連通孔和孤立孔進(jìn)行了識(shí)別。由于該軟件定義的連通孔類型只能為3 級(jí)連通孔，因此下文對(duì)連通孔的分析僅考慮3級(jí)。不同工況泡沫混凝土連通孔（左圖）和孤立孔（右圖）模型見圖3。其中：不同顏色代表不同孔徑的孔隙。

圖3 不同工況泡沫混凝土連通孔與孤立孔模型

由圖3 可知：①不摻憎水劑時(shí)泡沫混凝土孔隙分布規(guī)律不明顯，整體孔隙結(jié)構(gòu)比較凌亂，但是分別單摻纖維素、硬脂酸鈣、硅氧烷后泡沫混凝土連通孔分布較均勻，整體孔隙結(jié)構(gòu)比較有序，其中單摻硅氧烷泡沫混凝土孤立孔占比比單摻纖維素、硬脂酸鈣時(shí)多。②與不摻時(shí)相比，單摻滲透結(jié)晶型活性硅后泡沫混凝土連通孔變化較小，孤立孔稍增多，說明單摻滲透結(jié)晶型活性硅對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)影響較小。

連通孔孔隙率為連通孔的體積與泡沫混凝土總孔隙體積之比，孤立孔孔隙率為孤立孔的體積與泡沫混凝土總孔隙體積之比。不同工況泡沫混凝土連通孔孔隙率與孤立孔孔隙率對(duì)比見表8?？芍煌r泡沫混凝土中連通孔的孔隙率遠(yuǎn)大于孤立孔。單摻不同憎水劑后，泡沫混凝土連通孔孔隙率均比不摻時(shí)低。單摻硅氧烷時(shí)連通孔孔隙率降幅最大，與不摻時(shí)相比降低46.3%。不同工況泡沫混凝土連通孔孔隙率由高到低排序?yàn)椴粨皆魉畡?＞ 單摻滲透結(jié)晶型活性硅 ＞ 單摻纖維素 ＞ 單摻硬脂酸鈣 ＞ 單摻硅氧烷。

表8 不同工況泡沫混凝土連通孔孔隙率和孤立孔孔隙率對(duì)比 %

4 結(jié)論

1）單摻甲基硅酸鈉對(duì)隧道溶腔填充用泡沫混凝土流動(dòng)度的影響最明顯，與不摻時(shí)相比增大了55%，遠(yuǎn)超出泡沫混凝土正常工作范圍，而單摻其他四種憎水劑對(duì)流動(dòng)度的影響不大。這說明只有甲基硅酸鈉與泡沫不兼容。

2）單摻纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣、滲透結(jié)晶型活性硅均能提高泡沫混凝土的干密度與抗壓強(qiáng)度。其中，單摻硬脂酸鈣時(shí)泡沫混凝土干密度增幅最大，與不摻時(shí)相比增大了17.8%。單摻滲透結(jié)晶型活性硅時(shí)泡沫混凝土7 d 抗壓強(qiáng)度最高，單摻纖維素時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度最高，與不摻時(shí)相比，兩者分別增大了1.12倍和27.3%。

3）單摻纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣、滲透結(jié)晶型活性硅均能有效改善泡沫混凝土的防水性能。其中，單摻硅氧烷時(shí)防水效果最明顯，與不摻時(shí)相比體積吸水率降低74.1%。若以28 d 的體積吸水率來衡量防水效果，不同憎水劑防水效果由好到差排序?yàn)楣柩跬?＞硬脂酸鈣 ＞ 纖維素 ＞ 滲透結(jié)晶型活性硅。

4）單摻纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣、滲透結(jié)晶型活性硅均可有效改善泡沫混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙率均不同程度降低。單摻硅氧烷時(shí)泡沫混凝土防水效果最優(yōu)，與不摻時(shí)相比，孔隙率、孔隙數(shù)、喉道數(shù)與孔隙平均體積均變小，孔隙率降低46.0%，連通孔孔隙率降低46.3%。