长大隧道高性能绿色新型混凝土配合比设计研究

李耐善

摘要：文章对高性能绿色新型混凝土配合比进行两阶段的优化设计研究，通过双掺粉煤灰和硅灰，提高其早期强度和耐久性，并通过石灰石微粉提高其粘结性能和降低回弹率，以达到绿色环保施工的目的。

关键词：高性能绿色新型混凝土;早期强度;粘结性能;回弹率

中图分类号：U416.02文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.015

文章编号：1673-4874（2021）01-0054-03

0引言

广西地处云贵高原东南边缘，山丘和盆地交错，地质条件复杂，穿越这一地带需要修建隧道。高地应力、大埋深、高外水压的地质条件对隧道初期支护的支护性能与效率要求高，使其能更早地发挥围岩的自稳能力。同时，出于提高结构物强度及环境保护的目的，对喷射混凝土的原材料及其性能的要求也越来越高。如降低喷射混凝土的回弹率，减少混凝土的浪费，降低施工中的粉尘浓度，提高喷射混凝土的早期及终凝强度，提高喷射混凝土的耐久性、密实性等。

本次研究涉及的路段有长隧道3座，特长隧道1座，地质较复杂，施工难度大、风险大。通过对高速公路长大隧道施工初期支护的喷射混凝土配合比设计及优化、施工技术优化，降低长大隧道施工风险，保障施工期间人员的生命安全和财产安全，提高材料利用率，绿色施工。同时也为隧道运营安全提供保障，以打造“绿色公路示范工程”和“品质示范工程”双示范高速公路为目标，并为类似情况的高速公路隧道施工积累宝贵的经验，推动我国隧道施工技术的进步。

1掺合料对高性能绿色混凝土性能影响研究

第一阶段研究在普通混凝土配合比基础上，以调整胶凝材料为主，使用双掺硅灰和粉煤灰代替水泥展开试验研究，由此进一步加强长大隧道中喷射混凝土的性能。

1.1原材料

水泥选择华润红水河牌P·O42.5;粉煤灰选择广西华天能环保科技开发有限公司II级灰;硅灰选择成都科良建材有限公司KL-SF93型，平均粒径为0.09μm，主要粒径分布在0.05～0.18μm之间。

粗细集料均来自鼓鸣洞渣加工，花岗岩属性，主要矿物成分为石英、钾长石、钠长石和云母。粗集料粒径为5～10mm，细集料粒径为0～5mm，其中细集料粉含量约为11%，细度模数为2.6。

外加剂采用南宁雨润高性能聚羧酸减水剂，固含量为12%，减水率为26%;速凝剂采用凯里市鼎坚DJ-3型液体速凝剂。

1.2混凝土配合比优化设计及力学性能测试

以鼓鸣隧道为例，根据此前设计，采用标准C25喷射混凝土配合比为基准配合比。

（1）通过调整水灰比和外加剂掺量来实现配合比初步优化的目的。基准配合比及初步优化配合比如表1所示。按照该配合比试拌了0.05m³混合料，发现混凝土拌和物工作性能得到改善，并对混凝土坍落度、凝结时间和抗压强度进行试验，结果均符合规范要求。

（2）在初步优化的基础上设计一组粉煤灰和硅灰双掺的高性能湿喷混凝土进行正交试验，充分考虑掺合料种类、掺量、胶凝材料总量（水胶比）、砂率四个因素对其工作性能和力学性能的影响，确定获得满足强度与工作性要求的最佳配合比，并分析其变化规律，见表2。配合比设计采用L₉（3⁴）正交试验表，配合比及力学性能分析如表3～5所示。

表4显示了C25高性能喷射混凝土的力学性能，表5通过极差分析混凝土强度影响因素。從分析结果来看，胶凝材料用量和粉煤灰掺量对C25混凝土1d强度的影响最明显，其次是硅灰掺量，但粉煤灰掺量对混凝土7d、28d强度影响最大，选定范围内的砂率对强度影响很小。综合来看，确定较优水平组合为：胶凝材料用量为440kg/m³，水胶比为0.40，硅灰掺量为7%，煤灰掺量为5%，砂率为52%。

1.3优化配合比的混凝土耐久性能

抗渗等级和电通量是混凝土抗渗性能的两个重要技术指标，本课题组用电通量来考察其耐久性能。选择有代表性的配合比做电通量试验，试验结果见表6。

从表6中可知，以上配合比电通量均满足设计<1000C的要求。电通量与水胶比有很大的相关性，一般来讲，水胶比小，电通量也低。从以上数据得知，粉煤灰使得混凝土更加密实，抑制了混凝土的氯离子扩散和迁移，电通量下降。在双掺硅灰和粉煤灰作用下，既提高了混凝土的早期强度，充分发挥了二者的叠加效应，极大地改善了混凝土的微观孔结构，使孔隙率进一步降低，又增强了混凝土致密性，提高其抗渗性能，有效地改善并提高混凝土的综合耐久性能。

2石灰石微粉末对高性能绿色混凝土性能影响研究

为提高材料利用率，需降低施工回弹率，这就要求喷射混凝土有足够的粘结性，在施工过程中快速地与围岩粘结。本次研究采用石灰石微粉末置换细集料的形式提高喷射混凝土的粘结性及密实性。

2.1原材料及试验方案

本次试验增加了石灰石微粉末，来自贺州市金科粉体厂，400目石灰石粉末，平均粒径为11.8μm，主要粒径分布在0.19～60μm之间，碳酸钙含量为99.3%，比表面积491.2m²/kg。

在上次优化配合的基础上，采用石灰石微粉末置换5%、10%、15%的细集料，并进行粘结性、强度、密实性、耐久性检测。

2.2试验结果及讨论

为考察石灰石微粉末对喷射混凝土粘结性和密实性的影响，采用不同掺量的石灰石微粉末制备4组试样，测试喷射混凝土的试块10cm下滑时间和电通量，结果见图1、图2。

由图1、图2可见，添加石灰石粉末后喷射混凝土抗渗等级均达到10P，当石灰石参量达到15%时电通量有所提升，表明掺适量的石灰石微粉末可显著改善喷射混凝土的抗渗性能及密实性;当石灰石粉末含量达到一定程度时，喷射混凝土的密实性有所下降。在减水剂的调节下，喷射混凝土坍落度可以保持稳定，而10cm下滑时间明显延长，可见石灰石微粉末可改善喷射混凝土的粘结性。同时，掺适量的石灰石粉末可有效地提高喷射混凝土的早期强度，但石灰石粉末含量过大会降低喷射混凝土的强度。

3结语

（1）第一阶段配合比设计中胶凝材料由单一的水泥转变为水泥与粉煤灰、硅灰等各种矿物掺合料，大大减少混凝土中的水泥用量，符合低碳环保要求。掺入粉煤灰减少水泥水化热，有利于抑制混凝土早期开裂。掺入硅灰可提高混凝土的抗压强度与粘结强度，减少回弹量。硅灰和粉煤灰的双掺对混凝土的强度和耐久性能均有较大程度提高。

（2）采用石灰石微粉末置换细集料，可以增加喷射混凝土的粘结性，降低喷射混凝土施工回弹量，达到节约资源绿色施工的要求。同时通过控制减水剂含量、保持喷射混凝土施工和易性，提高了早期强度、抗渗性能等级和密实度，可改善隧道支护功能。

（3）下步工作重点为，采用优化后的配合比进行现场喷射混凝土试验，测试回弹率，室内制样，现场取样进行SEM及孔结构分析。

参考文献

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