高海拔高速公路隧道混凝土抗冻耐久性能试验研究

李大清

摘要 高海拔地区高速公路隧道用混凝土对抗冻性能、耐久性能等要求较高，文章为研究适应高海拔高速公路隧道的高性能混凝土，做了混凝土配合比优化与抗冻耐久性能试验研究。试验结果表明：（1）玄武岩纤维（BF）0.15%掺量内能够降低混凝土受冻后质量损失率、提高动弹性模量；掺量0.15%时混凝土抗硫酸盐等级为KS90；试验确定BF最佳体积掺量为0.15%。（2）适量硅灰掺加能够提高隧道混凝土抗硫酸盐侵蚀性能与抗渗性能，试验确定硅灰最佳掺量为40 kg·m?3。（3）优化配合比的混凝土应用于高海拔高速公路隧道浇筑中，混凝土和易性更佳，凝结硬化表面相对平整，无混凝土脱落，28 d抗压强度54.72 MPa，抗硫酸盐等级KS90。

关键词 高海拔高速公路；隧道；混凝土；抗冻性能；耐久性能

中图分类号 U455.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0101-03

0 引言

随着国家出台提高公共设施建设能力的系列政策，国内在高速公路、高速铁路建设等方面建设规模日益扩大。近年来，高速公路、铁路逐渐向西部地区延伸的同时，给工程施工带来很大难度。一方面自然工况恶劣，施工难度大；另一方面施工所需材料性能要求高，普通材料无法满足工程应用要求。该试验研究结合目前施工难度较大的高海拔地区高速公路隧道混凝土做相关研究。

针对高速公路隧道混凝土，国内许多专家学者也有相关研究。王杰之[1]等人做了高速公路隧道用洞渣混凝土耐久性研究与应用，何柳[2]研究了机制砂成分对隧道混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响。刘飞[3]系统梳理了隧道衬砌混凝土抗渗抗冻性能研究进展。

虽然针对隧道混凝土研究很多，但针对高海拔高速公路的研究鲜有报道。该文试验研究高海拔高速公路隧道混凝土的抗冻性能及耐久性能，得到抗冻性能、耐久性能最佳的混凝土。试验研究为高海拔地区隧道用高性能混凝土提供了理论与数据参考。

1 试验原材料

胶凝材料：水泥，P·O42.5R，早强普通硅酸盐水泥。硅灰，活性二氧化硅（SiO2），SiO2含量≥92%。粉煤灰，Ι级粉煤灰。

外加剂：减水剂，聚羧酸减水剂，液体，TPEG合成。速凝剂，Ⅱ型无碱速凝剂，液体，硫铝酸盐合成。

骨料：人工砂，破碎花岗岩，符合Ⅱ区中型砂；碎石子，5～10mm连续粒级碎石。

纤维：玄武岩纤维，简称BF。

水：實验室自来水。

2 结果与讨论

2.1 混凝土基础配合比试验

该文试验研究混凝土抗压强度设计等级C45，经计算得到C45喷射混凝土基础配合比，混凝土为细石混凝土。考虑混凝土应用于实际工程高海拔地区高速公路隧道中，隧道内自然状况相对较差，不确定环境因素较多，对混凝土浇筑后影响较大，混凝土存在侵氯离子蚀、动水渗透、冻融影响等缺陷。考虑在基础配合比基础上，做试验配合比优化以提高混凝土抗冻性能、耐久性能。

2.2 BF对高海拔高速公路隧道混凝土抗冻耐久性能影响

大量研究表明，大多数合成纤维（钢纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维等）掺加到隧道用混凝土中会提高混凝土致密性与整体性，由于细度大、比表面积大，其与浆体及骨料会形成致密网状结构。因此该部分试验考虑通过掺加BF，研究对混凝土抗冻耐久性能的影响，以期提高隧道混凝土抗冻性能、耐久性能。BF掺量（体积掺量）分别为0%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%，如图1所示，为抗冻性能试验结果。如图2所示，为耐久性能试验结果。

图1试验结果得出：经过50次冻融循环，随着BF掺量增加，质量损失率先减小后增大，相对动弹性模量先增大后减小。经过200次冻融循环，随着BF掺量增加，质量损失率先减小后增大，相对动弹性模量先增大后减小。试验分析表明，BF有助于提高隧道混凝土抗冻性，原因是混凝土中掺加BF促使水泥浆体与骨料颗粒之间的接触更大，增强了水泥水化产物附着于粗细骨料表面的能力，混凝土的整体密实度大幅度提高，抗冻性能也随之提高[4-5]。

图2试验结果得出：BF掺量0%，混凝土干湿交替90次时抗压强度耐腐蚀系数、质量损失率分别为73.5%、4.6%，抗压强度耐腐蚀系数低于75%，混凝土抗硫酸盐等级为KS60。BF掺量0.05%，混凝土抗硫酸盐等级同为KS60。BF掺量0.1%，混凝土抗硫酸盐等级同为KS60。BF掺量0.15%，混凝土干湿交替90次时抗压强度耐腐蚀系数、质量损失率分别为75.6%、4%，混凝土抗硫酸盐等级为KS90。BF掺量0.2%，混凝土抗硫酸盐等级同为KS60。试验表明，BF会提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。原因是BF会使混凝土各组分之间的整体连接的整体性更强，结构更加致密，微观孔隙同时大幅减少[6]。该部分试验得出结论：BF最佳体积掺量为0.15%。

2.3 硅灰对高海拔高速公路隧道混凝土耐久性能影响试验研究

上述试验研究得出，BF对高海拔高速公路隧道混凝土抗冻耐久性能的影响，得到BF最佳掺量。研究表明，在氯盐侵蚀环境较为严重的水工隧洞工程中复掺一定比例的矿物掺合料，如硅灰、矿粉等，会提高混凝土耐久性能。因此，该文考虑掺加适量硅灰，研究对隧道混凝土耐久性能的影响，耐久性能以混凝土抗硫酸盐侵蚀试验指标表征。硅灰掺量分别为0 kg·m?3、20 kg·m?3、40 kg·m?3、

60 kg·m?3、80 kg·m?3，如图3所示为抗硫酸盐侵蚀试验结果。

图3试验结果得出：硅灰掺加对隧道混凝土抗侵蚀性能有一定影响。掺加硅灰所有配合比，混凝土干湿交替90次时抗压强度耐腐蚀系数均大于75%，抗硫酸盐等级均为KS90。随着硅灰掺量增加，干湿交替30次的混凝土质量损失率先增大后减小再增大，干湿交替60次的混凝土质量损失率先减小后增大，干湿交替90次的混凝土质量损失率先减小后增大。分析硅灰对隧道混凝土抗侵蚀性能影响，硅灰中主要成分为高火山灰活性SiO2，在偏碱性水泥浆体内能够与其中的Ca（OH）2发生反应，生成结构致密凝胶体，凝胶体附着于骨料表面，增加黏结力与致密性[7-8]。通过该部分试验得出结论：硅灰最佳掺量为40 kg·m?3。

2.4 高海拔高速公路隧道混凝土最佳配合比

上述研究做了玄武岩纤维、硅灰对高海拔高速公路隧道混凝土抗冻及耐久性能试验研究，得到两种材料的最佳掺量比例，即BF最佳体积掺量0.15%、硅灰最佳掺量40 kg·m?3。对比基础隧道细石混凝土，试验结果见表1。

对比表明：相比基础混凝土，优化配合比的混凝土应用于高海拔高速公路隧道浇筑中，混凝土和易性更佳，凝结硬化表面相对平整，无混凝土脱落。同时测试混凝土28 d留模抗压强度分别为51.41 MPa、54.72 MPa；混凝土抗硫酸盐等级分别为KS60、KS90。

3 结论

该文做了高海拔高速公路隧道混凝土抗冻耐久性能试验研究，通过综合试验研究得出以下结论：

（1）BF促使水泥浆体与骨料颗粒之间的接触更大，增强水泥水化产物附着于粗细骨料表面的能力，混凝土的整体密实度大幅提高，进而提高了隧道混凝土抗冻性能、耐久性能。

（2）硅灰中的活性SiO2，在偏碱性水泥浆体内能够与Ca（OH）2发生反应，生成结构致密的凝胶体，增加混凝土的黏结力与致密性，进而提高隧道混凝土耐久性能。

（3）与基础混凝土相比，优化配合比的混凝土应用于高海拔高速公路隧道浇筑中，混凝土和易性更佳，凝结硬化表面相对平整，无混凝土脱落，抗压强度更高，抗硫酸盐等级更高。

参考文献

[1]王杰之， 温树磊， 魏文安， 等. 高速公路隧道用洞渣混凝土耐久性研究与应用[J]. 建筑技术， 2023（19）： 2355-2358.

[2]何柳. 机制砂成分对隧道混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响[J]. 混凝土与水泥制品， 2022（5）： 21-25.

[3]刘飞. 隧道衬砌混凝土抗渗抗冻性能研究进展[J]. 科技风， 2019（9）： 113.

[4]杨永丰. 纤维混凝土抗裂性能分析及在隧道工程中的应用[J]. 四川水泥， 2021（2）： 38-39.

[5]梁世俊. 纖维喷射混凝土在隧道施工中的应用研究[J]. 山西交通科技， 2022（3）： 86-89.

[6]肖艳斌. 高原高寒地区隧道混凝土温控防裂研究[J]. 交通世界， 2023（21）： 139-142.

[7]林振涛. 硅灰掺量对喷射混凝土性能的影响试验研究[J]. 黑龙江水利科技， 2019（3）： 1-3+8.

[8]宁逢伟， 蔡跃波， 白银， 等. 膨胀剂和硅灰改善C50喷射混凝土抗渗性能的研究[J]. 硅酸盐通报， 2019（10）： 3253-3259.