隧道襯砌混凝土抗滲抗凍性能研究進展

劉飛

摘 要：隨著國家經濟的高速發展，我國對交通基礎設施的建設日趨擴大，隧道工程的數量也愈來愈多。由于我國隧道所處環境復雜惡劣，特別是在寒冷地區，隧道的滲漏水、凍融破壞問題越來越突出，從而危及隧道工程質量和行車安全。本文綜述了現階段國內外關于隧道襯砌混凝土抗滲性、抗凍性的研究進展和方式，并提出了當前研究存在的問題和有待進一步努力的方向。

關鍵詞：隧道襯砌混凝土;抗滲抗凍性;配合比設計;外加劑;混雜纖維

目前，我國已運營的隧道存在各種各樣的病害，隧道常見的病害類型有：襯砌開裂和滲漏水、襯砌腐蝕、隧道震害、隧道內有毒氣體以及隧道火災等。[1]其中襯砌滲漏水病害對隧道工程的安全危害最大，不僅會在寒冷地區造成反復的凍融循環破壞，影響著隧道結構的使用壽命，而且還會造成行車路面積水濕滑，威脅著行車安全，增加隧道洞內的濕度，進一步加劇了隧道襯砌的腐蝕。

1 國內外研究現狀

從國內外研究成果來看，對隧道襯砌混凝土抗滲抗凍性能的改善主要來自以下三個方面：（1）優化配合比，（2）加入外加劑，（3）摻入纖維等。混凝土配合比是影響其性能的關鍵因素，包括水灰比、砂率、骨料級配等影響因素。水灰比過大，混凝土毛細管空隙率增大會加劇混凝土的內在缺陷，水灰比過小，混凝土拌合物流動性過小，不能保證混凝土的密實性，二者均會影響混凝土的耐久性能;砂率不宜過大或過小，最終都會導致拌合物和易性變差而降低混凝土的耐久性能，施工時應盡量選用合理砂率范圍內的較小砂率，以節約水泥;德國最先提出通過集料的連續級配來提高混凝土的抗滲性能，骨料級配的好壞直接影響到混凝土的和易性、密實性，好的級配可以減少混凝土的內部缺陷，降低空隙率，提高混凝土的耐久性能。[2]

防水劑、膨脹劑、礦物摻合料等外加劑摻入混凝土中，對隧道襯砌混凝土抗滲抗凍等耐久性能的研究應用也在不斷發展。50年中期，美國混凝土協會舉行研討會議，為了滿足建筑工程的需要，提高混凝土的抗滲性和耐久性，增設了專門的防水混凝土學會。70年代初，美國、英國等開始研究在混凝土中摻入引氣劑，通過混凝土中密閉、微小的空氣泡來阻斷毛細孔道，以達到改善混凝土耐久性能的目的。80年代，膨脹水泥、膨脹劑在混凝土領域開始得到應用研究，將其摻入到混凝土中，由于水化反應生產的大量鈣礬石體積較大，可填充混凝土中的孔隙，增加結構的密實性，改善混凝土內部缺陷，從而提高混凝土的抗滲抗凍性能。張俊儒[3]通過礦物摻合料和高效減水劑等量置換部分水泥，一方面減少水泥用量，降低水化熱，可減少收縮裂縫的數量;另一方面，礦物摻合料的微集料效應可降低混凝土中的空隙率，提高結構的密實度，改善結構的抗滲抗凍性能，達到“一舉多得”的效果。

此外，混雜纖維混凝土有效地發揮纖維各自的性能，使纖維混凝土的增強增韌效果優于單一纖維，即所謂的1+1>2效應。繼1982年Kobayashi等[4]首次提出“Hybrid”一次后，當時由于受到經濟水平、生產工藝等多方面的限制，我國于本世紀初才開始對混雜纖維混凝土開展理論與應用研究。近年來，隨著混雜纖維混凝土科研成果的日益豐富，其已被廣泛地應用在大型隧道、大跨度橋梁、機場跑道、港口碼頭等現代重大工程中。孫偉等[5]選用不同種類的聚丙烯纖維、維綸纖維和鋼纖維，在纖維總體積相同時，按照二元或三元混雜摻入水泥基復合材料中，系統研究了水泥基復合材料的抗滲性能。結果表明，混雜纖維尺寸層次越多，對孔結構改善越好，混凝土的抗滲性越好。何曉達[6]將鋼纖維與聚丙烯纖維混雜摻入高性能混凝土中，通過一系列正交試驗分析，結果表明，混雜纖維混凝土中，單一纖維性能得到了優勢疊加互補，產生了復合疊加增強效應，從不同階段、不同層次增強了混凝土的抗滲、抗凍性能。

2 襯砌混凝土抗滲性和抗凍性檢測方法

提高襯砌混凝土抗滲抗凍性能，對于隧道結構在嚴酷的自然環境下的安全、耐久性能有著極為重要的現實意義。而科學的測試方法（見下表）是試驗結果準確的保障，同時也能有效指導襯砌混凝土抗滲抗凍性能的研究。

3 結論

綜上所述，在提高隧道襯砌混凝土的抗滲、抗凍性能領域，以上大三影響因素的最優組合形式以及最佳摻量范圍，目前還沒有一個統一的定論。在綜合考慮隧道工程造價，并滿足襯砌混凝土的強度、抗滲抗凍等耐久性能方面，今后有待進一步的系統研究，為其在隧道工程中的應用和推廣提供理論依據和數據參考。

參考文獻：

[1]張鵬.隧道二次襯砌混凝土的抗滲性及干縮性能研究[D].哈爾濱工業大學，2015.

[2]劉旭全.客運專線大斷面黃土隧道高性能混凝土施工技術研究[J].鐵道標準設計，2008（11）：87-91.

[3]張俊儒.噴射混凝土單層襯砌抗滲機理及防水技術研究設想[J].技術與材料，2013（9）：305-311.

[4]Kobayasho K，CHO R.Flexural Characteristics of Steel Fibre and Polyethylene Fibre Hybrid-reinforced Concrete[J].Composites，1982，13（2）：164-168.

[5]孫偉，錢紅萍，陳惠蘇.纖維混雜及其與膨脹劑復合對水泥基材料的物理性能的影響[J].硅酸鹽學報，2000，28（9）：95-99.

[6]何曉達.低摻量混雜纖維/聚丙烯纖維高性能混凝土試驗研究[D].大連理工大學，2002.