高海拔高速公路隧道混凝土抗凍耐久性能試驗(yàn)研究

李大清

摘要 高海拔地區(qū)高速公路隧道用混凝土對(duì)抗凍性能、耐久性能等要求較高，文章為研究適應(yīng)高海拔高速公路隧道的高性能混凝土，做了混凝土配合比優(yōu)化與抗凍耐久性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）玄武巖纖維（BF）0.15%摻量?jī)?nèi)能夠降低混凝土受凍后質(zhì)量損失率、提高動(dòng)彈性模量；摻量0.15%時(shí)混凝土抗硫酸鹽等級(jí)為KS90；試驗(yàn)確定BF最佳體積摻量為0.15%。（2）適量硅灰摻加能夠提高隧道混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能與抗?jié)B性能，試驗(yàn)確定硅灰最佳摻量為40 kg·m?3。（3）優(yōu)化配合比的混凝土應(yīng)用于高海拔高速公路隧道澆筑中，混凝土和易性更佳，凝結(jié)硬化表面相對(duì)平整，無(wú)混凝土脫落，28 d抗壓強(qiáng)度54.72 MPa，抗硫酸鹽等級(jí)KS90。

關(guān)鍵詞 高海拔高速公路；隧道；混凝土；抗凍性能；耐久性能

中圖分類(lèi)號(hào) U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0101-03

0 引言

隨著國(guó)家出臺(tái)提高公共設(shè)施建設(shè)能力的系列政策，國(guó)內(nèi)在高速公路、高速鐵路建設(shè)等方面建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大。近年來(lái)，高速公路、鐵路逐漸向西部地區(qū)延伸的同時(shí)，給工程施工帶來(lái)很大難度。一方面自然工況惡劣，施工難度大；另一方面施工所需材料性能要求高，普通材料無(wú)法滿足工程應(yīng)用要求。該試驗(yàn)研究結(jié)合目前施工難度較大的高海拔地區(qū)高速公路隧道混凝土做相關(guān)研究。

針對(duì)高速公路隧道混凝土，國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家學(xué)者也有相關(guān)研究。王杰之[1]等人做了高速公路隧道用洞渣混凝土耐久性研究與應(yīng)用，何柳[2]研究了機(jī)制砂成分對(duì)隧道混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。劉飛[3]系統(tǒng)梳理了隧道襯砌混凝土抗?jié)B抗凍性能研究進(jìn)展。

雖然針對(duì)隧道混凝土研究很多，但針對(duì)高海拔高速公路的研究鮮有報(bào)道。該文試驗(yàn)研究高海拔高速公路隧道混凝土的抗凍性能及耐久性能，得到抗凍性能、耐久性能最佳的混凝土。試驗(yàn)研究為高海拔地區(qū)隧道用高性能混凝土提供了理論與數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)原材料

膠凝材料：水泥，P·O42.5R，早強(qiáng)普通硅酸鹽水泥。硅灰，活性二氧化硅（SiO2），SiO2含量≥92%。粉煤灰，Ι級(jí)粉煤灰。

外加劑：減水劑，聚羧酸減水劑，液體，TPEG合成。速凝劑，Ⅱ型無(wú)堿速凝劑，液體，硫鋁酸鹽合成。

骨料：人工砂，破碎花崗巖，符合Ⅱ區(qū)中型砂；碎石子，5～10mm連續(xù)粒級(jí)碎石。

纖維：玄武巖纖維，簡(jiǎn)稱BF。

水：實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土基礎(chǔ)配合比試驗(yàn)

該文試驗(yàn)研究混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)C45，經(jīng)計(jì)算得到C45噴射混凝土基礎(chǔ)配合比，混凝土為細(xì)石混凝土。考慮混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程高海拔地區(qū)高速公路隧道中，隧道內(nèi)自然狀況相對(duì)較差，不確定環(huán)境因素較多，對(duì)混凝土澆筑后影響較大，混凝土存在侵氯離子蝕、動(dòng)水滲透、凍融影響等缺陷。考慮在基礎(chǔ)配合比基礎(chǔ)上，做試驗(yàn)配合比優(yōu)化以提高混凝土抗凍性能、耐久性能。

2.2 BF對(duì)高海拔高速公路隧道混凝土抗凍耐久性能影響

大量研究表明，大多數(shù)合成纖維（鋼纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維等）摻加到隧道用混凝土中會(huì)提高混凝土致密性與整體性，由于細(xì)度大、比表面積大，其與漿體及骨料會(huì)形成致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此該部分試驗(yàn)考慮通過(guò)摻加BF，研究對(duì)混凝土抗凍耐久性能的影響，以期提高隧道混凝土抗凍性能、耐久性能。BF摻量（體積摻量）分別為0%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%，如圖1所示，為抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果。如圖2所示，為耐久性能試驗(yàn)結(jié)果。

圖1試驗(yàn)結(jié)果得出：經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)，隨著B(niǎo)F摻量增加，質(zhì)量損失率先減小后增大，相對(duì)動(dòng)彈性模量先增大后減小。經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)，隨著B(niǎo)F摻量增加，質(zhì)量損失率先減小后增大，相對(duì)動(dòng)彈性模量先增大后減小。試驗(yàn)分析表明，BF有助于提高隧道混凝土抗凍性，原因是混凝土中摻加BF促使水泥漿體與骨料顆粒之間的接觸更大，增強(qiáng)了水泥水化產(chǎn)物附著于粗細(xì)骨料表面的能力，混凝土的整體密實(shí)度大幅度提高，抗凍性能也隨之提高[4-5]。

圖2試驗(yàn)結(jié)果得出：BF摻量0%，混凝土干濕交替90次時(shí)抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)、質(zhì)量損失率分別為73.5%、4.6%，抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)低于75%，混凝土抗硫酸鹽等級(jí)為KS60。BF摻量0.05%，混凝土抗硫酸鹽等級(jí)同為KS60。BF摻量0.1%，混凝土抗硫酸鹽等級(jí)同為KS60。BF摻量0.15%，混凝土干濕交替90次時(shí)抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)、質(zhì)量損失率分別為75.6%、4%，混凝土抗硫酸鹽等級(jí)為KS90。BF摻量0.2%，混凝土抗硫酸鹽等級(jí)同為KS60。試驗(yàn)表明，BF會(huì)提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。原因是BF會(huì)使混凝土各組分之間的整體連接的整體性更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更加致密，微觀孔隙同時(shí)大幅減少[6]。該部分試驗(yàn)得出結(jié)論：BF最佳體積摻量為0.15%。

2.3 硅灰對(duì)高海拔高速公路隧道混凝土耐久性能影響試驗(yàn)研究

上述試驗(yàn)研究得出，BF對(duì)高海拔高速公路隧道混凝土抗凍耐久性能的影響，得到BF最佳摻量。研究表明，在氯鹽侵蝕環(huán)境較為嚴(yán)重的水工隧洞工程中復(fù)摻一定比例的礦物摻合料，如硅灰、礦粉等，會(huì)提高混凝土耐久性能。因此，該文考慮摻加適量硅灰，研究對(duì)隧道混凝土耐久性能的影響，耐久性能以混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)指標(biāo)表征。硅灰摻量分別為0 kg·m?3、20 kg·m?3、40 kg·m?3、

60 kg·m?3、80 kg·m?3，如圖3所示為抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果。

圖3試驗(yàn)結(jié)果得出：硅灰摻加對(duì)隧道混凝土抗侵蝕性能有一定影響。摻加硅灰所有配合比，混凝土干濕交替90次時(shí)抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)均大于75%，抗硫酸鹽等級(jí)均為KS90。隨著硅灰摻量增加，干濕交替30次的混凝土質(zhì)量損失率先增大后減小再增大，干濕交替60次的混凝土質(zhì)量損失率先減小后增大，干濕交替90次的混凝土質(zhì)量損失率先減小后增大。分析硅灰對(duì)隧道混凝土抗侵蝕性能影響，硅灰中主要成分為高火山灰活性SiO2，在偏堿性水泥漿體內(nèi)能夠與其中的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成結(jié)構(gòu)致密凝膠體，凝膠體附著于骨料表面，增加黏結(jié)力與致密性[7-8]。通過(guò)該部分試驗(yàn)得出結(jié)論：硅灰最佳摻量為40 kg·m?3。

2.4 高海拔高速公路隧道混凝土最佳配合比

上述研究做了玄武巖纖維、硅灰對(duì)高海拔高速公路隧道混凝土抗凍及耐久性能試驗(yàn)研究，得到兩種材料的最佳摻量比例，即BF最佳體積摻量0.15%、硅灰最佳摻量40 kg·m?3。對(duì)比基礎(chǔ)隧道細(xì)石混凝土，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

對(duì)比表明：相比基礎(chǔ)混凝土，優(yōu)化配合比的混凝土應(yīng)用于高海拔高速公路隧道澆筑中，混凝土和易性更佳，凝結(jié)硬化表面相對(duì)平整，無(wú)混凝土脫落。同時(shí)測(cè)試混凝土28 d留?？箟簭?qiáng)度分別為51.41 MPa、54.72 MPa；混凝土抗硫酸鹽等級(jí)分別為KS60、KS90。

3 結(jié)論

該文做了高海拔高速公路隧道混凝土抗凍耐久性能試驗(yàn)研究，通過(guò)綜合試驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

（1）BF促使水泥漿體與骨料顆粒之間的接觸更大，增強(qiáng)水泥水化產(chǎn)物附著于粗細(xì)骨料表面的能力，混凝土的整體密實(shí)度大幅提高，進(jìn)而提高了隧道混凝土抗凍性能、耐久性能。

（2）硅灰中的活性SiO2，在偏堿性水泥漿體內(nèi)能夠與Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成結(jié)構(gòu)致密的凝膠體，增加混凝土的黏結(jié)力與致密性，進(jìn)而提高隧道混凝土耐久性能。

（3）與基礎(chǔ)混凝土相比，優(yōu)化配合比的混凝土應(yīng)用于高海拔高速公路隧道澆筑中，混凝土和易性更佳，凝結(jié)硬化表面相對(duì)平整，無(wú)混凝土脫落，抗壓強(qiáng)度更高，抗硫酸鹽等級(jí)更高。

參考文獻(xiàn)

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