预防隧道排水系统结晶病害的喷射混凝土配合比优化试验研究

叶飞，王坚，田崇明，何彪，赵猛，王庆龙，韩鑫

(1.长安大学公路学院，陕西西安，710064；2.云南腊满高速公路有限公司，云南西双版纳，666300)

随着隧道修建规模和复杂性不断增加，隧道施工中遇到的问题也越来越严峻，复杂地质环境和地下水渗漏所带来的隧道危重病害和结构安全问题已日趋严重[1]。据统计，我国有近1/3的铁路、公路以及地铁隧道存在渗漏水病害[2]，其中70%的隧道渗漏水是由排水管堵塞所引起。排水管一旦堵塞失效，容易导致衬砌背后水压增大，支护结构劣化损裂、失稳甚至剥落，严重影响隧道寿命和运营安全[3]。

隧道排水系统结晶堵塞过程复杂。针对结晶体来源问题，WU 等[4]提出隧道内白色结晶体主要来自围岩中的细粒级碳酸钙；RINDER 等[5-7]发现隧道排水管中的钙来源于混凝土；郭小雄[8]利用扫描电镜(SEM)等方法对隧道管道中的结晶体进行了成分检定，其结果也表明结晶体中的钙来源于隧道喷射混凝土。通常喷射混凝土总孔隙率的典型值在15%～20%之间[9]，地下水在喷射混凝土中渗流易使其孔隙通道扩张并延展，导致混凝土中的钙进一步流失。因此，进行喷射混凝土配合比的优化设计，提高喷射混凝土的抗渗性，减少Ca(OH)2的溶出，能从根源上防治隧道结晶病害。速凝剂和减水剂直接影响喷射混凝土的孔隙结构和渗透性能。速凝剂具有提高喷射混凝土的强度和抗渗性、降低混凝土碱骨料反应风险等作用[10-12]。陈怀成等[13]研究了减水剂对水化硅酸钙的影响，结果表明减水剂能减小水化硅酸钙颗粒尺寸，增大其聚合度，同时加快水泥水化进程。可见，速凝剂和减水剂的掺入对解决喷射混凝土中钙流失结晶问题尤为重要。粉煤灰可有效填充混凝土内部空隙，提高混凝土的抗渗性。方坤河[14]对粉煤灰掺量为20%～30%的筑坝碾压混凝土的性能进行研究发现，高掺粉煤灰混凝土能满足水工大体积内部混凝土的抗渗要求；丁莎等[15]对粉煤灰混凝土的微观研究表明，随着粉煤灰掺量增大，混凝土内部结构变得致密，并得出粉煤灰的最佳掺量为20%；魏风艳等[16]研究了粉煤灰对碱-硅灰反应(ASR)的抑制作用，提出粉煤灰可以增强C-S-H凝胶的固碱能力；陈涛[17]提出粉煤灰掺量过高会影响喷射混凝土凝结时间；张露晨等[18]提出单掺粉煤灰会降低速凝剂对混凝土的促凝效果。若将大掺量粉煤灰应用于隧道喷射混凝土中，会带来混凝土早期强度低、强度增长缓慢等问题，一般通过混合掺入减水剂、降低水灰比等措施，缩短混凝土凝结时间，以减弱粉煤灰的缓凝影响[19]。硅灰具有与粉煤灰类似的混凝土改性效应。掺入硅灰能使混凝土具有抗冲磨、抗渗透等优异性能[20]。硅灰的“成核”作用可为水泥水化产物提供成核位点，加快水泥的早期水化[21]。李建权等[22]通过硅灰改性水泥试验开展了水泥浆体微观结构的研究，提出硅灰的掺入可以堵塞浆体的内部孔隙，降低孔隙率。针对硅灰和粉煤灰双掺混凝土的性能特点，丁鹏等[23]提出硅灰可以弥补粉煤灰对于喷射混凝土早期强度的损失，当二者按最优比混掺时，可以充分发挥各自优点，提升喷射混凝土的综合性能。

综上分析，隧道结晶病害与喷射混凝土的渗透性以及水泥水化进程关系密切，通过对喷射混凝土配合比的优化，增强其抗渗性能，进而可对隧道结晶病害起到防治作用。本文采用自制渗流结晶试验模型来模拟地下水在隧道喷射混凝土中的渗流结晶过程；通过渗流水中Ca2+浓度来评价渗流结晶程度；同时对影响混凝土渗透性和水泥水化进程的5 个主要因素(混凝土基本配合比、速凝剂、硅灰、粉煤灰和减水剂)开展试验研究。

1 隧道结晶情况现场调研

依托隧道工程地处云南原始森林区，隧道全长3 285.11 m，最大埋深288 m，有丰富的地下水补给和稳定的地下径流，隧道预测涌水量为95 m3/d，其喷射混凝土施工配合比，即水泥、砂、碎石和水的质量比为456:873:775:196。2018年8月，隧道排水管中出现结晶体淤积现象，多处排水管直接被结晶体堵塞，如图1所示。

图1 排水管结晶堵塞Fig.1 Scaling and clogging in drainpipe

课题组针对隧道围岩地质条件、渗漏水及结晶情况等方面进行了现场调研，并对隧道结晶段落进行了统计，按照结晶量将结晶情况分成3种类型，分别为大量结晶、较多结晶和少量结晶型；按照渗水量将渗水情况分成3种类型，分别为微量渗水、少量渗水和较大渗水型。表1所示为隧道进口结晶体段落调研统计情况。

表1 隧道进口结晶段落汇总Table 1 Statistics of tunnel entrance crystallization section 长度/m

在隧道单线总长度5 400 m范围内，结晶段落达940 m，占比17.4%，其中大量、较多结晶类型占总结晶段落的81%；微、少量渗水类型占总结晶段落的74%。隧道结晶情况以大量结晶和微少量渗水类型为主导，结晶量与渗水量之间存在一定的联系；结晶体生成具有段落性，不同段落的结晶量不同，这可能是受到混凝土施工配合比和施工情况的影响。

现场调研时，每隔50 m 对隧道排水管溶液进行取样检测，分析其酸度、离子成分及浓度，检测结果中并未出现异常；同时对隧道排水管中结晶体成分进行检定，发现结晶体95%以上的成分为CaCO3。在地下水水质检测结果中，钙离子质量浓度为21 mg/L，因此，可以排除CaCO3晶体中钙元素来源于地下渗流水中，进而推断结晶体中钙主要来源于混凝土中，这也与文献[5]中的结论相一致。

2 隧道混凝土渗流结晶正交试验

2.1 混凝土渗流结晶试验系统

2.1.1 试验模型设计

地下水在隧道中渗流路径一般为：围岩—隧道混凝土—排水盲管—排水边沟—洞外。试验模型主要模拟围岩裂隙水在隧道混凝土中的渗流结晶过程，对渗流路径进行了一定的简化，试验模型中渗流过程为：供水箱—试验混凝土—排水管—集水箱。模型主要由供水装置、混凝土渗流装置和排水装置3部分组成，如图2所示。其中供水装置包括水箱、增压水泵、流量调节阀门和连通管道。水箱底部设有4处上水口，上水口与管道连接，在各个管道上都连接独立的增压水泵，可实现上水压力调节，调控大、中、小三级水压上水模式。水泵出口连接流量调节阀门，通过控制阀门的开度微调上水流量。混凝土渗流装置包括渗流箱、活动法兰接盘和水压喷头，渗流箱是用钢板焊接成的开口箱体，箱体长×宽×高为60 cm×40 cm×40 cm，活动法兰接盘连接上水管和渗流箱室，松开法兰接盘时，可取下渗流箱进行混凝土浇筑，水流管道在渗流箱内部呈Z形布置，管道出水口接有水压喷头，可将水呈细股状喷射洒出以模拟隧道围压水在喷射混凝土中的渗流过程。排水装置包括排水管、伸缩支架和集水箱，排水管采用直径为110 mm的双壁波纹管，排水管支架由截面长×宽分别为70 mm×70 mm 和50 mm×50 mm的方管相套组成，通过方管上的螺栓可调节支架高度，进而调整排水管坡度。

图2 试验模型三维设计图Fig.2 Three-dimensional drawing of test model

试验通过流出水在管道中的流动来模拟隧道排水管中结晶沉积过程，最后渗流结晶物在集水箱中沉积下来，从而真实模拟隧道混凝土的渗流—排水—结晶过程。图3所示为实验室试验模型实物图。

图3 试验模型实物图Fig.3 Physical model of test

2.1.2 试验原材料

试验用水泥为陕西海螺牌P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，品质符合GB l75—99“硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥”标准，主要性能指标参数见表2。

表2 P.O 42.5级普通硅酸盐水泥物理性能和技术指标Table 2 Technical properties of P.O 42.5 ordinary portland cement

试验用砂采用汉中河沙，其主要性能指标参数见表3。

表3 建设用砂的化学成分Table 3 Composition of construction sand

试验用碎石采用渭南山石，其主要的性能指标参数见表4。

表4 建设用碎石的化学成分和物理性能Table 4 Composition and property of construction gravel

试验用硅灰采用西安重阳化工有限公司生产的超细硅灰，其主要的化学成分和物理指标见表5。

表5 硅灰的化学成分和物理指标Table 5 Chemical composition and physical index of silica fume

试验用粉煤灰采用西安重阳化工有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，其化学成分和物理性能见表6。

表6 粉煤灰的化学成分和物理性能Table 6 Chemical composition and physical index of fly ash

试验用速凝剂采用江苏超力建材科技有限公司生产的CNF-ZW 型粉状速凝剂，厂家推荐掺量为6%，施工时实际掺量为8%～12%，隧道局部渗水量大的区域甚至达到15%以上，其主要的技术指标见表7。

表7 速凝剂的物理性能Table 7 properties of accelerator

试验用高效减水剂采用西安重阳化工有限公司生产的聚羧酸系高性能减水剂(缓凝型)，减水率为27%，掺量为0.8%～2.0%；

试验用渗流用水为自来水，基本指标见表8。

表8 渗流水的化学成分和pHTable 8 Composition and pH of seepage water

2.2 正交试验方案

试验选取影响喷射混凝土渗透性和水泥水化进程的5个主要因素作为试验因素，分别为混凝土基本配合比(固定水泥用量为456 kg/m3，胶骨比为0.28，水胶比分别为0.38 和0.43、砂率分别为0.50和0.53，记为因素A)，粉煤灰掺量(记为因素B)，硅灰掺量(记为因素C)，速凝剂掺量(记为因素D)，减水剂掺量(记为因素E)。每个因素设置4 个试验水平，因素-水平表如表9所示。正交试验方案采用L16(45)正交试验表，其中粉煤灰、速凝剂掺加采用内掺法，硅灰掺加采用外掺法，正交试验表如表10所示。试验参照组采用隧道喷射混凝土的实际施工配合比，水泥、砂、碎石、水质量比为456:873:775:196(速凝剂掺量10%)，记作S-0组。

表9 因素-水平表Table 9 Factors and levels graph

表10 正交试验表Table 10 Orthogonal experiment table

2.3 试验过程

为排除试验过程中其他因素的影响，试验时控制室内温度为(20±5) ℃，渗水流量为7 cm³/s，排水管坡度为3%，试验前测定渗流用水中钙离子质量浓度为40 mg/L，具体试验过程如下：

1)试验前，按照试验设计调节好排水管的坡度，取下渗流箱并安设渗流管，4组渗流管水压喷头处的流量调节至相等；

2)进行试验编号，每次编排4组试验，按照试验配合比进行备料，依次加入碎石、砂、水泥、粉煤灰、硅灰，搅拌均匀后加入速凝剂、水和减水剂，充分拌匀后，将拌合物装填进准备好的渗流箱中，装填时确保混凝土均匀铺满箱体，装填高度在10 cm左右；

3)试验模型浇筑完成后，静置12 h 以确保混凝土块达到终凝时间，接通水泵，渗流模型开始工作，排水管中出水后，测定各组排水管道中的水流流速，同时调节水阀开度控制各组试验排水管中水流流速相同，水流稳定后复测各组试验排水管流速，计时并开始试验；

4)每隔3 h分别对各组排水管渗流水取样，测量其pH，同时利用化学EDTA 滴定法对所取试样进行Ca2+浓度滴定测试，得到渗流水中Ca2+浓度随时间的变化关系，每组试验测定时取3次样本的平均值以减小试验测量误差；结晶沉淀析出后，对排水管中的沉淀物质进行取样，利用XRD 方法测定不同试样中各物相(Si4+，Ca2+，Mg2+，Al3+，Na+，CO32－，SO42－，OH－)的衍射峰。

3 试验现象及沉淀物分析

3.1 试验现象

试验开始3 h后，各组模型试验的排水管道壁上开始出现沉淀，其沉淀生成的特征大致相同，白色片状颗粒漂浮于水流表面，先在弯角和下凹处聚集成团而后沉积形成沉淀，沉淀完全脱水后固结成块，具有一定强度，质软且易按压成白色微末。

试验开始30 h 后，渗流水的pH 和Ca2+浓度均趋于稳定，各组排水管中结晶沉淀量也均趋于稳定。图4～6所示分别为试验开始30 h后参照组S-0、试验组S-3 和S-10 的试验现象。可见：S-0 组混凝土表面析出白色结晶体，排水管中沉淀量明显；S-3组混凝土表面出现少量白色结晶体，排水管中无明显沉淀，是试验组中结晶沉淀量最少组别；S-10组混凝土表面出现大量白色结晶体，排水管中出现大量沉淀，是试验组中结晶沉淀量最多组别；试验组中，S-1 组、S-2 组、S-4 组、S-5 组、S-6组、S-7组、S-10组出现结晶沉淀量相较于基准参照组S-0组更为明显，而S-3组、S-13组、S-15组、S-16组排水管中无明显结晶沉淀现象。

图4 S-0组混凝土块和排水管中结晶现象Fig.4 Crystallization in concrete blocks and drainpipe in group S-0

图5 S-3组混凝土块和排水管中结晶现象Fig.5 Crystallization in concrete blocks and drainpipe in group S-3

图6 S-10组混凝土块和排水管中结晶现象Fig.6 Crystallization in concrete blocks and drainpipe in group S-10

3.2 沉淀物分析

对排水管中的白色结晶体进行XRD 分析，测定的XRD 图谱如图7所示。可见，参照组和试验组所产生的白色结晶体中99%以上都是CaCO3，相较于隧道现场采集的结晶体XRD检测结果(其结晶体95%以上为CaCO3型晶体)，进一步验证了隧道排水管中的结晶沉淀物主要是CaCO3。隧道中结晶体成分还可能存在极少量MgCO3和CaSO4等结晶沉淀物，隧道排水管结晶堵塞主要受到隧道混凝土的渗流结晶影响，其碳酸钙的生成主要涉及如下化学反应：

图7 结晶体XRD图谱Fig.7 XRD pattern of crystal

其中，CO2主要来源于外界环境中CO2，Ca(OH)2主要来源于水泥中铝酸三钙和硅酸钙的早期水化。

4 混凝土配合比优化试验结果与分析

4.1 渗流水中钙离子质量浓度随时间的变化规律

图8所示为各试验组不同因素水平组合下渗流水中钙离子质量浓度随时间的变化曲线。

图8 渗流水中钙离子质量浓度随时间的变化曲线Fig.8 Variation curves of calcium ion mass concentration in seepage water with time

从图8可知：随着渗流时间的增加，混凝土渗流水中的钙离子质量浓度基本都呈现出先增大、后降低并逐步趋向于稳定的趋势，最终稳定时钙离子质量浓度接近试验用水中钙离子质量浓度为40 mg/L；在试验渗流6 h后，钙离子质量浓度达到峰值。其原因为：喷射混凝土在经过12 h 的凝结硬化后，渗流水在其混凝土内部的孔隙通道的渗流中会将水泥水化产物Ca(OH)2带入排水管道中；随着渗流过程的持续进行，混凝土内部的过水通道增多，表现为渗流水中钙离子质量浓度逐渐增加；当水泥水化产物溶解量逐渐减少并伴随水泥水化速率的减慢，曲线出现下降并趋于平缓。试验混凝土在硬结12 h，通水渗流30 h后，排水管中钙离子流出量与试验用水中钙含量渐趋于一致，表明混凝土渗流结晶逐渐趋于停止。

4.2 钙离子渗流累积量计算与极差分析

对每组试验水平下的渗流水钙离子质量浓度-时间曲线求积分，得到整个试验过程中混凝土的钙离子渗流累积量，计算结果如表11所示，其中参照组S-0 采用实际施工配合比，并未掺加粉煤灰、硅灰和减水剂，其渗流累积量计算结果为130.78 g。

表11 钙离子渗流累积量计算结果Table 11 Calculated results of calcium ion infiltration

从表11可以看出：S-10 组钙离子渗流累积量最大，在渗流30 h 内达到223.25 g，与参照组相比，增加了92.47 g；S-3组的钙离子渗流累积量最小，仅为41.88 g，与参照组相比，减少了88.9 g，排水管中结晶沉淀量的降低率约为67%。计算结果与各组试验排水管中结晶现象基本相符，说明混凝土基本配合比和粉煤灰、硅灰、速凝剂、高效减水剂掺量对结晶沉淀的生成量有显著影响。

为了进一步得到隧道渗流结晶的主要影响因素，并对混凝土配合比进行优化设计，采用极差法对试验组中钙离子渗流累积量进行分析计算，分析结果如表12所示。采用平均钙离子渗流累积量来反映同一因素不同水平对试验结果的影响程度，由此得到该因素的最佳试验水平。极差越大，对应因素的水平变化对试验结果的影响就越大，反之就越小。

表12 钙离子渗流累积量极差分析Table 12 Analysis table of extreme range of accumulated amount of calcium ion permeation g

由表12可以看出：钙离子渗流累积量影响因素的主次顺序为混凝土配合比、粉煤灰掺量、硅灰掺量、减水剂掺量和速凝剂掺量。对排水管结晶堵塞来说，钙离子渗流累积量越小越好，因此每个因素中使钙离子渗流累积量的平均值最小的水平即为试验最优水平，由此得到混凝土的优化设计配合比：混凝土基本配合比中水泥的质量浓度为456 kg/m3，水胶比为0.43，胶骨比为0.28，砂率为0.53；粉煤灰掺量为20%，硅灰掺量为15%，速凝剂掺量为10%，高效减水剂掺量为1.6%。

4.3 试验单因素结晶效应分析

均值-效应图可以直观地表示试验单因素对钙离子渗流结晶量的效应特征，其中效应是指因素不同水平之间的因变量均值差异。各因素均值-效应图如图9所示。

图9 各因素均值-效应图Fig.9 Mean-effect graph of factions

从混凝土基本配合比的效应可以看出：随着因素水平的增加，钙离子渗流累积量均值呈明显下降趋势；当砂率由0.50 增至0.53 时，钙离子渗流累积量均值的下降幅度约为12%；当水胶比由0.38增加至0.43时，钙离子渗流累积量均值的下降幅度约为29%；但当砂率由0.50增至0.53、水胶比由0.38 增至0.43 时，钙离子渗流累积量均值的下降更为明显，幅度达61%。这表明水胶比和砂率的改变对混凝土渗流结晶量影响显著。

从粉煤灰掺量的效应变化可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，钙离子渗流累积量逐渐降低，这是因为粉煤灰的掺入可以填充混凝土内部空隙，分散水泥颗粒，使水泥水化更为充分，提高混凝土的密实度，减少钙离子的渗流通道。

从硅灰掺量的效应变化可以看出：随着硅灰掺量的增加，钙离子渗流累积量均值逐渐降低，但当硅灰掺量超过15%时，钙离子渗流累积量均值又有所增加。这是因为掺加硅灰可以填充水泥颗粒间的孔隙使其更密实，提高黏聚力和抗冲蚀性能，从而有助于混凝土抗渗流结晶。但当硅灰掺量较大时，混凝土中水泥的水化程度就会受到影响，在渗流水的作用下，水泥水化产物Ca(OH)2容易被直接溶蚀带出。

从速凝剂掺量的效应变化可以看出：随着速凝剂掺量增加，钙离子渗流累积量逐渐降低；当速凝剂掺量超过10%时，钙离子渗流累积量又有所增加。这是因为速凝剂可以加速水泥的凝结硬化，提高混凝土的早期强度，但大掺量的速凝剂会造成混凝土内部的裂隙发育，同时带来碱集料反应等危害。

从减水剂掺量的效应变化可以看出：随着减水剂掺量的增加，钙离子渗流累积量逐渐降低；当减水剂掺量超过1.6%时，钙离子渗流累积量又有所增加，可见减水剂对抑制混凝土析钙结晶的作用并非越多越好。

5 结论

1)造成隧道排水管堵塞的结晶体成分主要是CaCO3，其主要来源是隧道喷射混凝土中的水化产物。渗流结晶可分为2个阶段性过程：第1阶段表现为钙离子流出量逐渐增加；第2阶段由于水化产物的逐渐溶出和水化进程的减缓，主要表现为钙离子流出量逐渐下降并趋向于稳定。

2)适量的粉煤灰、硅灰、速凝剂和减水剂可以明显减少混凝土渗流结晶；但过大掺量的速凝剂和减水剂反而会加剧混凝土的渗流结晶。

3)根据正交试验和极差分析结果，试验各因素对混凝土渗流结晶量的影响程度从大到小依次是混凝土基本配合比、粉煤灰掺量、硅灰掺量、减水剂掺量、速凝剂掺量。试验最优混凝土配合比设计如下：混凝土基本配合比中水泥质量浓度为456 kg/m3，水胶比为0.43，胶骨比为0.28，砂率为0.53；粉煤灰掺量为20%；硅灰掺量为15%；速凝剂掺量为10%；减水剂掺量为1.6%。其中，试验最优混凝土配合比对钙离子流失量的降低率约为67%。