高岩温低湿环境下铁路隧道混凝土耐久性研究

程 磊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

高岩温低湿环境下铁路隧道混凝土耐久性研究

程 磊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

依托在建铁路隧道工程，针对高岩温对隧道衬砌混凝土耐久性能的影响，通过试验室模拟现场高岩温、低湿度的施工环境，研究高岩温对纯水泥混凝土、单掺粉煤灰混凝土和双掺粉煤灰、矿粉混凝土耐久性能的影响规律，并从微观形貌方面分析高岩温对混凝土耐久性能的影响机理。结果表明：高温、低湿养护环境下，3种配合比的混凝土的耐久性能均随养护温度的升高而降低，抗氯离子渗透性能单掺粉煤灰混凝土最好，纯水泥混凝土最差；抗碳化性能基本相当；微观上分析单掺粉煤灰混凝土结构更密实、孔隙率更小。

铁路隧道；高岩温；低湿度；混凝土配合比；耐久性；氯离子渗透性

1 高岩温隧道概述

新建铁路拉萨至日喀则线，位于青藏高原西南部，地处北纬29°30′～29°45′，东经88°45′～91°15′。其中色麦至仁布段(约90 km)平行通过雅鲁藏布江峡谷区，大角度穿透全球著名的那曲—当雄—尼木—多庆错地热活动带，区内高地热异常强烈；河谷两岸山高坡陡，地势陡峻，地质复杂，线路主要以隧道形式通过该段落，高岩温地段主要涉及8座隧道，总长约47.59 km。经现场初步勘察，该段落最高岩温、水温达80 ℃，在高岩温的作用下，隧道衬砌混凝土能否满足耐久性要求是现场面临的一个急迫问题。

目前，高温对混凝土性能的影响大部分研究工作基于蒸养等高湿度条件下[1-5，7]，而隧道工程建设现场无法提供高湿度的养护条件，本文以隧道施工现场为依托，重点研究高岩温、低湿度的环境条件下，隧道衬砌混凝土(C30)的耐久性能的变化规律。

2 高岩温隧道衬砌混凝土耐久性试验

2.1 试验原材料的选择

为更好地模拟现场施工条件，并最终将试验结果用于指导现场进一步的施工过程，室内试验所用的原材料，如水泥、细骨料、粗骨料、外加剂等均由现场运回试验室。

2.2 试验过程2.2.1 试验配合比

为保证试验结果能更好地指导现场施工，本试验采用的配合比与现场施工一致，其中水泥和掺和料合计343 kg/m3；砂762 kg/m3；石1 142 kg/m3；水154 kg/m3；减水剂3.42 kg/m3。试验采用粉煤灰和矿渣粉两种掺和料，配合比A为纯水泥混凝土，即水泥用量为343 kg/m3；配合比B为单掺粉煤灰混凝土，即水泥用量为256 kg/m3，粉煤灰用量为87 kg/m3；配合比C为双掺粉煤灰、矿粉混凝土，即水泥用量为256 kg/m3，粉煤灰用量为35 kg/m3，矿粉用量为52 kg/m3。

2.2.2 试验养护制度

在高岩温隧道衬砌混凝土施工过程中，从立模、浇筑、振捣混凝土到拆模过程中无法进行洒水养护，经现场测定，拉日线高岩温隧道内的空气湿度在40%～60%范围内。

由此确定了高温混凝土养护制度：将混凝土养护过程先后分为2个阶段，即拆模前的高温养护阶段和拆模后的标准养护阶段。混凝土入模成型后，在(20±5) ℃的室内环境中静置初凝，然后连同试模一起放入恒温恒湿箱进行高温养护24 h，其中为了模拟高岩温隧道施工的环境，将恒温恒湿养护箱设定相对湿度为50%，依据现场可能出现的高岩温，养护温度设为50 ℃、60 ℃和80 ℃ 3种温度等级；从恒温恒湿养护箱内取出并拆模，然后转入温度为(20±2) ℃、相对湿度为95%以上的标准养护室养护至规定龄期。

2.3 试验内容

本次试验内容主要包括检测混凝土的氯离子渗透性，即电通量指标；混凝土抗碳化深度指标以及利用扫描电镜对试样的微观形貌特性进行分析、比较。

3 试验研究成果

3.1 高温养护对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

标准养护条件和在相对湿度为50%的不同高温养护条件下，不同高温养护温度对混凝土抗氯离子渗透性能[9](电通量)的影响结果，如图1所示。

由图1可以看出，各组混凝土28 d龄期6 h库仑电量值均随着早期高温养护温度的升高而增大。这说

图1 高温养护条件下混凝土碳化深度趋势

明高温养护使混凝土抗氯离子渗透性变差。

相对湿度为50%的不同高温养护条件下，高温养护温度的升高对纯水泥A试件抗氯离子渗透性能影响显著，养护温度为80 ℃较标养条件下增长了82%；对掺矿物掺合料的混凝土B和C试件影响较小，特别是对单掺粉煤灰的B试件影响最小，养护温度为80 ℃较标养条件下增长了8.5%，这说明单掺粉煤灰的混凝土在高温、低湿环境下较为稳定。

依据《混凝土耐久性检验评定标准》(JGJ/T 193—2009)3.0.2第2条的相关规定，详见表1。

由表1可知，本次试验结果除80 ℃养护条件下的纯水泥混凝土的等级为较差外，其余均为较好，说明高温养护虽然对含掺和料的混凝土抗氯离子性能有所劣化，但对混凝土耐久性的品质没有实质的影响，均能满足规范的要求。

表1 混凝土抗氯离子渗透性能的等级划分(电通量法)

3.2 高温养护对混凝土抗碳化性能的影响

相对湿度为50%的不同高温养护条件下，高温养护温度对各组混凝土抗碳化性能的影响，测定了混凝土的28 d和56 d龄期的碳化深度值。试验测定结果如表2所示。

表2 高温养护对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

由表2可以看出，随着养护温度的升高，混凝土在28 d和56 d碳化深度的变化规律一致，对于纯水泥混凝土，碳化深度影响较大，分别增长了约121%和63%；对于单掺粉煤灰和双掺粉煤灰、矿粉混凝土，碳化深度影响较小，特别是单掺粉煤灰混凝土，28 d龄期增长了约7%，56 d龄期减少了不足1%。这说明对于含掺和料的混凝土，在高温养护环境下，抗碳化的耐久性指标比较稳定。

在标养条件下，纯水泥混凝土的抗碳化性能明显优于含掺和料的混凝土，虽然由于养护温度劣化较快，但从试验结果来看，当养护温度超过60 ℃后，3种混凝土在28 d龄期和56d龄期的抗碳化深度基本相当。

依据《混凝土耐久性检验评定标准》(JGJ/T 193—2009)3.0.3第2条的相关规定“系统的试验研究表明，在快速碳化试验中，碳化深度小于20 mm的混凝土，其抗碳化性能较好，一般认为满足大气环境下50年的耐久性要求。在工程实际中，碳化的发展规律也基本与此相近。在其他腐蚀介质的共同侵蚀下，混凝土的碳化会发展得更快。一般公认的是，碳化深度小于10 mm的混凝土，其抗碳化性能良好”。由试验结果可以得出混凝土不论是否添加掺和料，在80 ℃以下的环境温度养护条件下，混凝土的抗碳化耐久性指标均满足规范要求。

3.3 高温养护对混凝土胶凝材料硬化浆体微观形貌的影响

相对湿度为50%的不同高温养护条件下，高温养护温度对各组混凝土胶凝材料硬化浆体微观形貌的影响，测定了单掺粉煤灰(A组)净浆和双掺粉煤灰、矿渣粉(B组)净浆在标准养护、50 ℃和80 ℃养护制度下28 d龄期微观形貌分析如图2所示。

由图2可以看出：在标准养护条件下，胶凝材料硬化浆体结构较致密，表面比较光滑，双掺粉煤灰、矿粉与单掺粉煤灰相比较，其结构显得更密实；在50 ℃和80 ℃的高温养护制度下，随着温度的升高浆体结构越来越疏松，水化产物整体分布越来越不均匀，特别是双掺粉煤灰、矿粉的C组试件，单掺粉煤灰的B组试件相对稳定。这就是单掺粉煤灰混凝土抗碳化性能和抗氯离子渗透性能均高于双掺粉煤灰、矿渣粉混凝土的主要原因。

4 高岩温隧道衬砌混凝土耐久性试验研究结论

(1)在养护湿度为50%的各级高温(50 ℃、60 ℃、80 ℃)养护制度下，抗氯离子渗透性能单掺粉煤灰混凝土最好，纯水泥混凝土最差，双掺粉煤灰、矿粉混凝土居中。建议施工现场岩温超过60 ℃时，采用单掺粉煤灰混凝土。

(2)通过SEM(扫描电镜)试验，在标养及50 ℃和80 ℃的高温和50%湿度的养护制度下，单掺粉煤灰混凝土较双掺粉煤灰、矿粉混凝土结构更密实，孔隙率更小，建议施工现场采用单掺粉煤灰混凝土。

(3)在标养条件下，纯水泥混凝土的抗碳化性能明显优于含掺和料的混凝土，但随养护温度的升高劣化较快，当养护温度超过60 ℃后，3种混凝土在抗碳化指标上基本相当。

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Research on the Durability of Concrete under High Rock Temperature and Low Humidity Environment

CHENG Lei

(China Railway first Surveying and Design Institute Group Ltd.， Xi’an 710043， China)

This thesis aims to study the influence of high rock temperature on the durability of tunnel lining concrete with reference to ongoing railway tunnel project and to investigate the rules governing the influence of high rock temperature on the durability of straight cement concrete， the concrete mixed singly with fly ash and the concrete mixed with both fly ash and slag powder by simulating the engineering environment with high rock temperature and low humidity in laboratory. And it also analyses the mechanism of the influence of high rock temperature on the durability of concrete from a microscopic point of view. The results indicate that the durability of all three concretes tends to decrease with the increase of maintaining temperature; the concrete mixed only with fly ash is the best to resist chloride ions penetration while straight cement concrete is the worst; the carbonation resistance is almost the same for all the three; the structure of concrete mixed only with fly ash is more compact and the probability of porosity is much smaller as shown by the micro analysis．

Railway tunnel; High rock temperature; Low humidity; The mixture ratio of concrete; Durability; Chlorine ion permeability

2014-11-12

铁道部科技研究开发计划项目(2011G027-B)

程 磊(1982—)男，工程师，2009年毕业于西安科技大学防

灾减灾及防护工程专业，工学硕士，E-mail：tyychenglei@163.com。

1004-2954(2015)08-0136-04

U454

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.029