隧道衬砌高性能混凝土性能试验研究

李 鹏

（中铁十八局集团建筑安装工程有限公司 天津 300308）

隧道衬砌高性能混凝土性能试验研究

李 鹏

（中铁十八局集团建筑安装工程有限公司 天津 300308）

混凝土作为最大宗的建筑材料，已不能单纯从力学性能指标来对其进行评价。本文主要以矿渣粉、粉煤灰、石膏及纤维素为外掺料，在使用聚羧酸高效减水剂的情况下，除纤维素直接外掺外，其他掺合料等量取代相应比例的水泥，研究单掺和复掺矿物掺合料对混凝土的力学和耐久性等各方面的性能。试验结果表明矿渣粉、粉煤灰的掺入可以满足胶凝材料及混凝土的基本物理力学性能，并改善了耐久性，其抗冻性较差，寒区隧道中慎用。

隧道 衬砌 高性能 混凝土 胶凝材

1 引言

目前，我国山岭隧道二次衬砌结构混凝土胶凝材以普通硅酸盐水泥为主，部分采用单掺粉煤灰，而采用双掺或多掺矿物掺合料的胶凝材很少，由于胶凝材成分单一、级配差，加之品质不高，密实性差，导致混凝土抗碳化、溶蚀能力差，耐久性不足。

采用“多掺”混凝土可以较好的解决隧道结构耐久性问题。所谓“多掺”混凝土就是掺入矿物掺合料和高效减水剂以及纤维等混凝土。其中，矿物掺合料包含矿渣、粉煤灰等。混凝土中的胶凝材可以采用单掺、双掺或多掺矿物掺合料的方式，采用这种方式可以降低混凝土凝结硬化时的水化热，减少混凝土的初裂，提高混凝土的密实度和耐久性。

基于以上思路，通过配制大量不同比例矿物掺合料的混凝土，然后通过混凝土力学和耐久性能试验，找到适合不同隧道环境的混凝土配方，为隧道结构体系耐久性设计提供依据。

2 原材料选择

（1）水泥：辽宁大连小野田水泥厂生产的PO42.4普通硅酸盐水泥，3d抗压强度33.6MPa，28d抗压强度56.4MPa，初凝160min，终凝210min。

（2）粉煤灰：采用辽宁本溪电厂Ⅱ级粉煤灰，比表面积500m2/kg，需水量比0.96，烧失量2.4%，SO3含量0.54%。

（3）矿粉：采用辽宁本溪钢铁厂S95矿粉，比表面积450m2/kg，7d活性指数79%、28d活性指数111%，需水量比0.98、烧失量0.57%、SO3含量2.69%。

（4）细骨料：选用Ⅱ区中粗砂，细度模数2.6，含泥量1.80%，表观密度2630kg/m3，堆积密度1281kg/m3，空隙率40%。

（5）粗骨料：采用连续级河卵石作为粗骨料，含泥量0.50%，压碎指标4.70%，针、片状颗粒含量6.10%，表观密度2616kg/m3，堆积密度1560kg/m3，空隙率41%，吸水率1.3%。

（6）拌合水和减水剂：拌合水为洁净自来水；本试验分别选用北方牌洪盟高性能聚羧酸减水剂，减水率为30%。

3 配合比设计

混凝土配合比设计采用重量法，将拌制好的混凝土采用塌落度仪进行塌落度测试，塌落度满足设定的混凝土坍落度范围（20±2cm），根据塌落度值调整胶凝材用量和砂率使混凝土达到适宜的工作性能，最终确定基准配合比为：胶凝材料380kg、水胶比0.40、砂率42%、减水剂1.2%、容重取为2400 kg/m3，每立方混凝土胶凝材用量及和易性如表1所示。

表1 每立方混凝土胶凝材用量及和易性

由表1中各配方混凝土和易性测试结果可知，单掺矿粉混凝土坍落度较基准混凝土小，而单掺粉煤灰的混凝土、复掺矿物掺合料的混凝土坍落度均较基准混凝土大。这是因为从粉体颗粒形貌而言，水泥、矿粉多为不规则且表面粗糙的颗粒，粉煤灰为表面光滑的球状玻璃体颗粒，微米级脱硫石膏颗粒形态近似于球状玻璃微珠。因此，矿粉掺入混凝土中可能会降低新拌混凝土的流动性，脱硫石膏超细颗粒和粉煤灰细颗粒填充在水泥颗粒之间起到一定的润滑作用，故矿粉、粉煤灰和脱硫石膏的复合可以取长补短，增强混凝土的流动性。

4 力学性能试验

混凝土力学性能是表征混凝土承载能力的大小，是混凝土性能重要指标之一。混凝土力学性能试验有：抗压强度、劈裂抗拉和抗折强度试验等，本论文对各配比混凝土试件分别进行了3d、7d、28d的抗压强度试验，试验结果如表2所示。

表2 衬砌混凝土抗压强度试验结果

由表2可得如下结论：

（1）在相同的掺和比例下，单掺粉煤灰混凝土的早期强度低于单掺矿粉的，但其后期强度高于单掺矿粉混凝土。单掺粉煤灰30%和单掺矿粉30%混凝土除3d强度略低意外，后期强度均表现良好，但随着掺量增大各龄期的强度均会降低。

（2）随着掺入矿物掺合料比例不同，强度略有波动，但变化不大，S40F10配方混凝土各龄期强度均有较大优势。

（3）同配比情况下，掺加纤维素后，各龄期的抗压强度均有提高，而掺入石膏后，各龄期的抗压强度略有下降。

图1 各种配方混凝土电通量变化

5 耐久性能试验

隧道衬砌结构混凝土的耐久性是混凝土在环境作用下，抵抗地下水侵蚀及化学腐蚀、碳化或冻融它破坏过程的能力，耐久性好的混凝土在设计寿命期限内能保持自身的形态质量和使用功能。解决混凝土的耐久性归根结底就是要提高混凝土的密实度。

5.1 电通量试验

评价混凝土密实度的主要指标是抗渗透性和电通量，电通量的大小直接表征混凝土CL–渗透能力，模筑混凝土电通量测试结果如图1所示。

由图1可知，除基准混凝土CL–渗透能力低以外，其余配比混凝土的CL–渗透能力均很低，S40F10G5配比混凝土电通量最低仅为462库仑。说明纯水泥混凝土由于水化热较高，混凝土内部气孔较多，密实度较差，掺入矿物掺合料后混凝土密实性得到提高，特别是复掺矿粉、粉煤灰和石膏混凝土密实度最高。

5.2 快速冻融试验

混凝土的抗冻性是表示其抵抗冻融循环作用的能力，是评价寒区隧道混凝土结构耐久性的重要指标之一。由于动弹模量是非破损测试方法，能敏感的反映混凝土内部结构的损伤。所以在混凝土试件经过若干次的冻融循环后，测定其动弹模量变化，根据相对动弹模值来评价混凝土抗冻性，以抗冻性指数F表示。本文采用超声波纵波速度来计算出混凝土结构的相对动弹性模量，当相对动弹性模量值低于60%时，冻融试验结束，此时的冻融循环次数就是抗冻性指数。混凝土冻融试验测试结果如表3所示。

表3 衬砌混凝土抗冻试验结果

从表3试验结果可以看出，基准混凝土抗冻性最好，掺入矿物掺合料后混凝土的抗冻性会降低，且随着掺入种类和量的增多混凝土抗冻性呈下降趋势。造成复合胶凝混凝土抗冻性下降的原因有：其一由于胶凝材各组分材料胀缩系数不同所致；其二掺入矿物掺合料后混凝土内部孔隙减少，水泥石微观结构得到改善，渗透系数降低，在冻融条件下混凝土内部水分迁移困难，水泥石承受冻胀压力增大，加剧了混凝土的破坏。

随着矿物掺合料的增多混凝土的抗冻性下降，因此在寒区隧道二衬混凝土应慎用复掺矿物掺合料，若需使用建议在混凝土中掺入适量的引气剂。

6 结论

通过隧道衬砌混凝土力学和耐久性能试验，可以得出以下主要结论：

（1）单掺、双掺或复掺矿物掺合料混凝土早期强度均比基准混凝土要低，但28d以后抗压强度和密实度较基准混凝土要高，这是因为矿物掺合料的活性效应在水化的后期才逐渐发挥出来，减少了水泥石中Ca（OH）2的含量，生成了大量的C-S-H，同时矿物掺合料填充水泥石中的孔隙，提高了混凝土的密实度，降低了孔隙率，使混凝土获得较高的强度。

（2）单掺、双掺或复掺矿物掺合料混凝土电通量均比基准混凝土要低，S40F10G5配比混凝土电通量最低仅为462库仑。说明掺入矿物掺合料后混凝土密实性得到提高，特别是复掺矿粉、粉煤灰和石膏混凝土密实度最高。

（3）基准混凝土抗冻性最好，掺入矿物掺合料后混凝土的抗冻性会降低，且随着掺入种类和量的增多混凝土抗冻性呈下降趋势。

（4）掺加UF500纤维素可以有效提高混凝土的力学性能，加入石膏可以显著降低混凝土的电通量，提高混凝土密实性，但早期强度偏低。

（5）合理的养生方式对改善混凝土性能非常有利，施工现场根据隧道内的温湿度，合理确定养生方式和时间。

通过以上大量不同混凝土配合比试验，我们可以看到，采用单掺或双掺矿物掺合料，能够达到预期目的，提高混凝土的性能，降低了经济性，说明“鸡尾酒”疗法是切实可行的。但是，上述混凝土的性能试验数据的还是有一定得离散性，要最终确定出符合耐久性和经济性的最佳配合比，还需要进一步的研究。

[1]李澄.大掺量粉煤灰混凝土材料及发展[J],青海大学学报(自然科学版),2001,19(5):29-31.

[2]刘娟红,宋少明.绿色高性能混凝土技术与工程应用[M],北京:中国电力出版社,2010.

[3]崔艳玲,宋福申,薛飞,等.C50高性能混凝土配合比设计[J],商品混凝土,2009(10):53-55.

[4]李清富,薛延信,张海洋.不同掺合料对高性能混凝土工作性能影响的试验研究[J],混凝土,2012,267(1).

[5]于本田,王起才,周立霞等.矿物掺合料与水胶比对混凝土耐久性的影响研究[J],硅酸盐通报,2012,31(2):391-395.

[6]周美茹,李彦昌.矿渣粉对混凝土耐久性的影响[J],混凝土,2007,209(3):58-62.

Experimental Research of High Performance Concrete Properties in Tunnel Lining

LI Peng

(Construction and Installation Engineering Co., Ltd of China Railway 18th Bureau Group Tianjin 300308 China)

As the most widely used building materials, concrete shouldn’t be evaluated just from its mechanical properties. The experiment used granulated blast furnace slag (GGBFS), fly ash (FA), gypsum and cellulose as mineral admixtures, and with the condition of using polycarboxylate superplasticizer, all the admixtures except cellulose were used to replace cements in the same rate. The mechanical and durability performance of concretes when only mixed with one kind of admixture or mixed with several kinds of admixtures was studied. The results of the experiment show that the use of fly ash (FA) and granulated blast furnace slag (GGBFS) can meet the basic physical and mechanical properties of the cementing materials and the concrete and improve their durability. But it is risky to use this kind of concrete in tunnels of the cold region as it has poor frost resistance.

tunnel lining high performance concrete cementing material

A

1673-1816(2017)03-0001-05

2016-06-18

李鹏（1983-），河北邯郸人，学士，工程师，研究方向工程技术工程管理。