高温变温养护条件下隧道喷射混凝土抗碳化性能试验

魏豪杰 童建军 朱龙 杨迪 叶雷 黄越 蔡延山

【摘 要】 随着交通工程的快速发展，西藏、云南、新疆、四川等高地热高热水地区出现了越来越多的高地温隧道。高地温环境下喷射混凝土存在“先天性”劣化，其耐久性能不容忽视。本文通过实验探究了喷射混凝土在不同养护温度和不同碳化龄期下的抗碳化性能，并给出了高温变温养护条件下隧道喷射混凝土碳化深度的预测公式。实验结果表明：高温养护的喷射混凝土碳化深度比标准养护的喷射混凝土更深，且碳化速率随养护温度的升高而增大，因而其抗碳化性能明显降低。碳化反应生成碳酸钙使喷射混凝土密实度增加，其力学性能随碳化龄期逐渐增强。

【关键词】喷射混凝土; 碳化; 耐久性; 力学性能

1 喷射混凝土的碳化耐久性

喷射混凝土作为隧道工程施工中重要的一类混凝土，主要有支撑、填充和保护作用[1]。在混凝土施工中，混凝土自身耐久性高低将直接影响到工程整体建设质量，而喷射混凝土所处工程环境多数较为恶劣，服役期间将不可避免的遭受各种环境因素的长期作用，其耐久性问题也非常突出。目前，越来越多高地温隧道的出现，使得人们越发重视高温变温环境下对喷射混凝土的耐久性的影响。

在隧道开挖过程中，由于隧道内环境较为封闭，其热能无法迅速逸出，通过数值模拟及现场实测数据表明，围岩温度会在5～7天内急剧降低，在随后的时间内缓慢降低[2]。而在高温变温的养护环境下会导致喷射混凝土的力学性能下降以及使混凝土水化反应过早结束，微观结构孔隙和微裂缝多，形成连通的通道，而导致碳化深度大，碳化速率快[3-4]。碳化会降低混凝土碱度，破坏混凝土钝化膜，引起钢筋锈蚀，导致混凝土会开裂、剥落，严重影响耐久性[5]。同时碳化还会增加混凝土的密实性[6]。

目前国内外专家学者针对喷射混凝土碳化耐久性问题开展了多方面研究。张晓丽通过对混凝土碳化的深入研究，探究出混凝土碳化的影响因素和控制措施[7]。马宏望、俞燕飞、梁超锋等对比分析了现有荷载和加速碳化耦合的试验装置和方法，综述了在不同状态应力作用下，混凝土内部因素以及外部环境因素对混凝土碳化性能的影响[8]。李健通过养护28d和84d不同矿渣掺量粉煤灰基地聚物混凝土的快速碳化试验，探究出混凝土碳化耐久性与养护龄期和矿渣掺量的关系[9]。

以上文献针对混凝土碳化做了部分研究，但却鲜有针对高地温隧道喷射混凝土碳化耐久性能的研究，因此，为了能给高地温环境下的支护结构安全设计提供依据，有必要对高地温环境下喷射混凝土碳化耐久性能进行更加深入的研究。本文采用快速碳化法[10]，以碳化深度，抗压强度和劈裂抗拉强度作为指标，探究不同初始养护温度下喷射混凝土的耐久性及力学性能的变化规律。

2 材料及试验方法

2.1 原材料

普通硅酸盐水泥（P.O42.5，密度3.15 g/cm3），二级粉煤灰，砂粒直径在0.35～0.25 mm之间，细度模数为2.1，砾石直径为2～10 mm之间。低碱液体速凝剂的初始凝固时间为2 min 30 s，最终凝固时间为8 min 10 s。喷射混凝土配合比见表1。

2.2 试件制作

本试验喷射混凝土均来自成都地铁十七号线二期土建8工区高洪村站施工现场，采用大板法喷射形成，大板规格为450 mm×350 mm×120 mm，首先将脱模剂均匀涂抹在大板模具中，开始在施工现场喷射混凝土（图1），随后将试块运回实验室进行高温变温养护工作。

待28天的高温变温养护完成后，将大板进行拆模，对每组大板试块做好标记后进行混凝土切割工作。本实验需采用300 mm×100 mm×100 mm的棱柱体试件和100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，一组包括3个样品，其中棱柱体试件测试碳化深度，立方体试件测试力学性能。

2.3 试件养护

高温变温养护采用HX/HS-010L恒温恒湿养护箱（图2），将试件置入恒温恒湿试验箱，开展高温变温养护。设置初始养护温度T0（40 ℃、60 ℃），养护湿度保持在55 %。在养护的0～5天内，从初始养护温度T0开始，每4 h等幅降温，调幅为（T0-28）/（6×5） ℃。5天后温度降至28 ℃，随后保持28 ℃养护至28天。同时作为对照，一组试件在标准状况下恒温养护28天，温度为20 ℃，湿度保持在95 %。

2.4 试验方法

高温变温养护条件下隧道喷射混凝土抗碳化耐久性能试验包括快速碳化试验、抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验。

2.4.1 快速碳化试验

为保证实验进度和实验结果的可实用性，采用加速碳化的试验方法[11]。本试验使用TH-80型碳化试验箱，箱内的二氧化碳浓度保持在（20±3） %，相对湿度控制在（70±5） %，温度应控制在（20±2） ℃的范围内，并设置了三组碳化龄期分别为7天、14天、28天。

棱柱体试件除了300 mm×100 mm的一个面外，其他各面都用加热的石蜡密封。立方体试件除了一个表面外其他各面也用同样的方式密封。碳化时间到了7天、14天和28天时，分别取出试件，破型测定碳化深度。将棱柱体试件放置在压力试验机上采取劈裂法进行破型。随后将切除所得的试件部分刷去断面上残存的粉末，喷上浓度为1 %的酚酞酒精溶液。约经30 s后，开始测量碳化深度，如图3所示。按原先标划的每10 mm一个测量点用钢板尺测出各点碳化深度，并求平均值。

2.4.2 力学试验

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能试验方法标准》，取出经过加速碳化试验的立方体试件，利用CSS-WAW600DL电液伺服万能试验机进行不同碳化龄期的劈裂抗拉和抗压试验。

3 结果与讨论

3.1 碳化深度分析

相同配合比的喷射混凝土随着初始养护温度的不同和碳化时间的不同，其碳化深度也呈现规律性的变化，混凝土碳化深度的变化规律曲线如图4所示。

从图4中可以看出，同碳化龄期，喷射混凝土的碳化深度随初始养护温度的升高而增加;同初始养护温度，喷射混凝土的碳化深度随着碳化龄期的延长而增加;喷射混凝土在碳化试验的0～7天和14～28天的碳化深度增长速率较快，在7～14天内的增长速率较慢。碳化深度和养护条件存在必然的内在关系。高温养护使喷射混凝土水化反应过早结束，微孔隙和微裂缝较多，形成连通的通道，CO2可以迅速渗入喷射混凝土内部与碱性物质发生中和反应，所以碳化深度大，碳化速率快。由于碳化会导致埋入混凝土的钢筋表面的钝化膜消失，引起钢筋锈蚀，导致混凝土剥落，从而喷射混凝土的耐久性能降低。所以养护温度越高的喷射混凝土耐久性能越差。

根据菲克第一定律，喷射混凝土的抗碳化性能由碳化系数K来表征，其计算公式如下：

3.2 力学强度分析

喷射混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度随初始养护温度和碳化时间的规律变化如图5、图6所示。

从图5、图6中可以看出，喷射混凝土的抗压、劈裂抗拉强度都随着碳化时间的延长而增强;且喷射混凝土的抗拉、劈裂抗压强度都随着初始养护温度的升高而降低;喷射混凝土的抗压强度在碳化14～28天时增长幅度有所增加;喷射混凝土的劈裂抗拉强度在碳化14～28天时的增长幅度有所减弱。但是高温养护的喷射混凝土强度都低于标准养护的喷射混凝土。其原因是碳化时间越长，碳化反应生成的CaCO3等碳化产物越多，碳酸钙会填充喷射混凝土的孔隙，使其结构更加致密，导致混凝土的硬度增加，从而使混凝土的力学性能有所增强。但碳化后期可能会产生收缩裂缝，而劈裂抗拉强度对此更加敏感，所以在14～28天出现了劈裂抗拉强度增长缓慢的现象。尽管碳化使得喷射混凝土的力学性能有所增强，但会对其耐久性能产生不利影响。

4 结论

（1）喷射混凝土的碳化深度与养护温度有关，喷射混凝土的碳化深度随初始养护温度的升高而增加，其抗碳化性能随之降低。

（2）碳化后由于新生成的碳化产物填充微裂缝和孔隙，喷射混凝土的力学性能随碳化深度的增加而增强。

（3）高温养护会导致喷射混凝土力学性能劣化，虽然在碳化过程中力学强度会提高，但始终低于标准养护的喷射混凝土。

参考文献

[1] THOMASA. Sprayed concrete lined tunnel[M]. New York： Taylor & Francis， 2012： 9.

[2] 王明年，唐興华，吴秋军，等.高岩温隧道围岩-支护结构温度场演化规律[J].铁道学报，2016，38（11）：126-131.

[3] 唐兴华，王明年，童建军，等.高岩温隧道初期支护应力场及安全性研究[J].西南交通大学学报，2019，54（1）：32-38.

[4] 曹明莉，丁言兵，郑进炫，等.混凝土碳化机理及预测模型研究进展[J].混凝土，2012（9）：35-38+46.

[5] 姜福香，赵铁军，苏卿，等.海底隧道衬砌混凝土耐久性研究[J].混凝土，2007（12）：19-22.

[6] 郑永来，郑洁琼，张梅.碳化程度对混凝土中氯离子扩散系数的影响[J].同济大学学报： 自然科学版，2010，38（3）：412-416.

[7] 张晓丽.混凝土碳化的影响因素及其控制措施[J].黑龙江交通科技，2020，43（10）：33+35.

[8] 马宏望，俞燕飞，梁超锋，等.不同应力状态下混凝土碳化性能研究进展[J].混凝土与水泥制品，2019（6）：20-24.

[9] 李健.粉煤灰基地聚物混凝土抗碳化耐久性能研究[J].四川建筑，2020，40（4）：306-309.

[10] 王家滨，牛荻涛，张永利.喷射混凝土力学性能、渗透性及耐久性试验研究[J].土木工程学报，2016，49（5）：96-109.

[11] 马蕊，牛荻涛，王家滨.喷射混凝土快速碳化试验研究[J].混凝土，2014（11）：31-33+37.

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