苏埃通道海底隧道结构高耐久性能混凝土试验研究

刘庆方 范国刚 况联飞

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司,天津 300133;2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,徐州 221116)

0 引 言

随着我国沿海城市发展规模的不断扩大,城市交通通行压力与日俱增,建设海底隧道成为沿海城市生态环境与城市景观要求及降低恶劣极端天气影响的优选举措之一[1]。由于靠近海边,隧道结构不同部位干湿循环严重,加之海水中氯盐腐蚀,以及通车后汽车尾气中CO2影响,混凝土碳化速度快。海洋大气环境和水环境将引起海底隧道衬砌钢筋混凝土一系列的耐久性问题[2]。

由于对钢筋混凝土结构耐久性重视不足,造成严重的后果在西方发达国家比比皆是,且由此产生的修补费用甚至远高于其当初的修建费。如1991年美国仅修复坏损的桥梁就耗费910亿美元。英国每年用于修复英格兰岛的中环线快车道高架桥钢筋混凝土结构的费用高达200亿英镑。日本引以为豪的新干线则开通不到10年,混凝土也发现有大面积的开裂、剥落现象。同样的问题在我国也没能避免,特别是近些年来,我国基础设施的大量兴建,混凝土耐久性,尤其是在海底环境腐蚀劣化问题逐渐表现出来,甚至更为严重[3-6]。

海底隧道大跨偏压衬砌属大偏压构件,在已有初始裂纹并长期受围压作用和海水中氯离子持续浸泡渗透及碳化下将引起钢筋锈蚀,是海工钢筋混凝土构件的主要破坏因素[7-9]。因此,进行高性能海工混凝土材料的优化配制试验研究,是当前提高混凝土耐久性的热点之一[10-13]。

为保证隧道结构满足设计的百年使用寿命要求,需全面考虑各因素对混凝土结构耐久性的影响,研究在恶劣海洋环境中如何提高海底隧道结构的整体耐久性。通过配置高耐久性混凝土提高结构的耐久性是最有效、最直接且最为经济的根本措施。笔者以汕头市苏埃通道海底隧道工程为研究背景,通过室内优化试验获得了适用于该工况环境的高耐久性混凝土。

1 工程概况与结构环境类别划分

1.1 苏埃湾过海通道

苏埃通道是汕头市规划的四条跨海通道之一,位于已建的海湾大桥和礐石大桥之间,下穿苏埃湾海域,线路全长6.68 km,海域长约3.55 km。为一级公路兼城市道路,双管六车道,采用盾构法+明挖法施工。海底段盾构隧道内径13.3 m,外径14.5 m,管片厚度为600 mm。

隧道结构穿越的地层依次为淤泥、淤泥质土、淤泥混砂、中粗砂和花岗岩层,地下水类型主要为孔隙水及基岩裂隙水,其中孔隙水丰富,基岩裂隙水较为贫乏。场区百年一遇洪水水位高程3.85 m,隧道底最大埋深37.278 m,最低点水头高度39.21 m,如图1所示。

图1 苏埃通道隧道纵断面

1.2 苏埃隧道混凝土结构环境类别划分

依据相关国家规范[14]可将混凝土结构环境作用类别划分为一般环境(Ⅰ)、冻融环境(Ⅱ)、海洋氯化物环境(Ⅲ)、除冰盐等其他氯化物环境(Ⅳ)和化学腐蚀环境(Ⅴ)等五大类,同时各类环境类别依据作用程度还可进一步划分为轻微(A)、轻度(B)、中度(C)、严重(D)、非常严重(E)和极端严重(F)等六级。

苏埃隧道盾构段混凝土结构的环境类别及作用等级划分见表1。其中外侧环境水中氯离子浓度已超5 000 mg/L,侵蚀作用可按Ⅲ-E级非常严重腐蚀考虑。内侧主要侵蚀来源于汽车废气,属大气污染环境类别,作用等级为Ⅴ-C级中度腐蚀。但考虑到盾构结构为一侧干燥而另一侧接触海水的配筋混凝土构件,其接触海水一侧应按Ⅲ-E级非常严重腐蚀考虑。因此,苏埃海底盾构隧道结构内外侧均应按Ⅲ-E级非常严重腐蚀考虑。

表1 苏埃通道盾构段隧道环境类别及作用等级

2 高耐久性能混凝土配合比设计

由上述分析可知,苏埃海底盾构隧道结构将处于Ⅲ-E 级非常严重的腐蚀环境中,为保证其100年设计使用目标要求,须进行有针对性的耐久性设计。基本出发点为在材料和工艺技术能够保证的前提下,通过提高混凝土材料自身的耐久性措施来实现,其中配置高耐久性混凝土是最有效、最直接且最经济的措施。

高耐久性混凝土的配制应在优选原材料的基础上,通过合理搭配各种组分,最终形成密实、宏观缺陷少、渗透性小和体积稳定的混凝土材料[6]。按管片设计强度等级C60,水胶比控制在0.30～0.36,综合传统规范方法和以实测粗集料的松堆积密度为出发点的Mehta和Aitcin高耐久性混凝土设计方法进行苏埃通道盾构管片混凝土配合比设计。选取水胶比和掺率两个对混凝土耐久性影响比较重要的参数,研究不同水胶比和掺率对混凝土强度、变形性能及耐久性的影响,试配混凝土配合比设计方案见表2。

表2 苏埃通道盾构管片混凝土配合比试配设计

3 高耐久性能混凝土试验研究

3.1 试验用材料特性

试验用水泥采用当地生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥,其28 d抗压强度为57.8 MPa,抗折强度为9.6 MPa;粉煤灰采用Ⅰ级F类粉煤灰,矿渣采用S95级;粗骨料采用石灰石碎石子,通过10～20 mm 和5～10 mm 两个单粒级按7∶3的比例掺配得到,以获得较高的堆积密实度;细骨料采用现场提供的中砂砂样;外加剂采用聚羧酸型高效减水剂,含固量20%,掺量为0.7%;试验用水为实验室自来水。

3.2 不同水胶比和矿物掺料混凝土力学性能

不同水胶比试配混凝土的抗压、劈裂抗拉及抗折强度力学指标比较如图2所示。

图2 不同水胶比混凝土强度指标比较

对于抗压强度,龄期7 d时,单掺和双掺配比混凝土强度均随水胶比的增大而降低;龄期28 d和56 d时,单掺混凝土强度随水胶比增加先降低再增大,强度最高值对应水胶比为0.28;龄期28 d和56 d时,双掺混凝土强度在水胶比为0.28和0.31时相差不大,而水胶比0.34 时,混凝土强度急剧降低。对于劈裂抗拉强度,龄期28 d时,单掺和双掺配比混凝土强度均随水胶比的增加而降低;龄期56 d时,单掺混凝土强度随水胶比增加先降低再增大,而双掺混凝土强度随水胶比增加先增大再降低。对于抗折强度,龄期28 d时,单掺和双掺配比混凝土强度均随水胶比的增加而降低;龄期56 d时,单掺混凝土强度随水胶比先降低再增大,而双掺混凝土强度对应水胶比0.28时最大。除A2组抗压和抗折强度外,从龄期看混凝土强度指标基本随龄期增长而逐渐增大,符合混凝土强度发展的一般规律。因此,根据抗压强度与水胶比的关系曲线可以得出:在20%粉煤灰加10%矿渣的掺量条件下,C60混凝土若要28 d达到66.6 MPa强度,则其水胶比应控制在0.28或0.31;在20%粉煤灰的掺量条件下,C60 混凝土若要28 d达到66.6 MPa强度,则其水胶比应为0.28。

在水胶比保持不变时,不同矿物掺合料的掺入(粉煤灰单掺)对混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度力学指标的影响如图3所示。

从图3可以看出,试配混凝土的抗压强度随粉煤灰掺量的增加总体呈减小趋势。粉煤灰与矿渣双掺组(B2)的28 d抗压强度最高,混凝土后期强度随着龄期的增长出现较大增幅。双掺组(B2)的试配混凝土强度在28 d 龄期达到了C60混凝土的强度要求,而其他掺率混凝土在56 d才达到。试配混凝土劈裂抗拉强度随粉煤灰掺量的增加而降低,双掺组(B2)的试配混凝土劈裂抗拉强度最高。试配混凝土抗折强度随粉煤灰掺量变化的趋势不明显。

图3 不同矿物掺合料混凝土强度指标比较

3.3 混凝土耐久性能测试结果与分析

(1)抗氯离子扩散性能

依据相关国家规范[14],采用快速氯离子迁移系数方法进行氯离子扩散系数测定,计算得出的氯离子扩散系数试验结果见表3。

表3 混凝土的抗氯离子扩散系数

测试结果表明,在水胶比固定为0.31时,各不同配比试配混凝土的28 d抗氯离子扩散系数均满足相关国家标准[15]要求(即混凝土28 d氯离子扩散系数应小于4×10-12m2/s)。另外,试配混凝土的氯离子扩散系数与其28 d强度呈反相关关系,如水胶比为0.31的双掺组(B2)28 d强度最高,但其扩散系数最小。

(2)抗水渗透性能

混凝土自身的抗水渗透能力对其在整体性完好时的耐久性起决定性作用。依据相关国家规范[14],采用逐级加压法测定试件的抗水渗透性能,同时为对比不同混凝土配合比的试件抗渗性能差异,在逐级加压结束后将试件劈开,采用渗水高度法测定其平均渗水高度,结果见表4。

表4 混凝土的抗水渗透测试结果

测试结果表明,本次试配的高性能混凝土自身抗渗能力均较好,能够满足P12 的设计要求,且随着试件强度的提高,渗水高度略有下降。

(3)抗碳化性能

依据相关国家规范[14],采用加速碳化标准方法对试配混凝土进行了抗碳化性能测试,结果如图4所示。

图4 不同龄期试件抗碳化性能测试结果

试验结果表明,混凝土碳化深度随碳化时间的增长呈逐渐增大趋势,28 d后的平均碳化深度小于1 cm,抗碳化性能达到了T-Ⅳ。因在试验浓度下(20±3)%碳化28 d大致相当于自然环境中50年的碳化效果,因此,本次配置的混凝土抗碳化性能较好。

3.4 混凝土变形性能测试结果与分析

由于海底隧道服役环境恶劣,混凝土自身变形易产生开裂而加剧腐蚀[12],因此,笔者进一步研究了混凝土自生收缩和干燥收缩变形性能,为其抗裂性能评价和配合比的优选提供基础数据。

(1)自生收缩变形

参考相关国家规范[14],采用非接触法测定试配混凝土7 d 内的自生收缩变形,结果如图5所示。

图5 不同水胶比与矿物掺合料混凝土自收缩变形变化规律

由图5可以看出,试配混凝土的早期自生收缩变形几乎随时间呈线性增长,发展速度较快。在7 d时收缩率接近10-3,其影响应予以重视。另一方面,随着矿物掺合料(粉煤灰)掺量的增加,混凝土的自生收缩随之减小。因此,在满足强度和耐久性指标的基础上,应根据约束程度和结构形式,选用自生收缩较小的混凝土,以避免过大的自生应力造成材料内部微裂纹的开展和贯通。

(2)干燥收缩变形

同样,依据相关国家规范[14],采用接触法测定试配混凝土在无约束和指定温湿度条件下的干燥收缩变形性能,试验结果如图6所示。

图6 不同掺率混凝土的干缩变形规律

试验结果表明,混凝土的干燥收缩率随着龄期的增加而逐渐增大,且早期发展速率较快,14 d后增长速率变缓。相同龄期条件下,其干燥收缩率在混凝土中粉煤灰掺量为30%时最大,其次为粉煤灰掺量20%。在粉煤灰掺量为40%时,混凝土长期干燥收缩率最小。

一般来说,高强混凝土的干燥收缩相比中低强度混凝土小,且该工程位于汕头市,其年平均相对湿度较高,隧道大部分又埋置水中或土中,仅隧道内侧及水位变动区的隧道外侧需考虑干燥收缩的影响。因此,高强混凝土现浇施工时应注意隧道衬砌早龄期的保湿养护,后期的干燥收缩影响相对较小。

4 结 论

(1)若按28 d强度标准进行验收,则苏埃隧道高耐久性混凝土水胶比宜控制在0.28～0.31,掺合料掺量宜控制在20%～30%。

(2)试验中混凝土材料自身耐久性均较好,能满足相应设计要求指标。28 d氯离子扩散系数小于4×10-12m2/s,抗水渗透等级达到P12,抗碳化性能达到了T-Ⅳ。

(3)试验结果表明,在满足强度和耐久性指标的前提下,适当增大矿物掺合料用量,减小胶凝材料用量,并做好早期养护,对减小收缩、提高混凝土结构耐久性有利。