隧道襯砌混凝土養護工藝研究

郝迎軍

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018）

1 引言

目前，鐵路隧道襯砌混凝土存在混凝土開裂、強度離散性過大等現象，質量問題比較突出。這一現狀的出現，跟目前混凝土養護工藝的不成熟、對養護工作的重視程度不足有著密切聯系。混凝土養護不夠及時、養護不到位等因素不僅嚴重影響了水泥顆粒的水化進度，也影響了礦物摻合料火山灰效應的發揮，造成了混凝土單位體積膠凝材料用量雖然很高，但其強度和耐久性能卻并不理想。因此通過研究隧道襯砌混凝土養護的工藝原理，分析養護效果的影響因素，找到最佳的養護工藝方法等這一系列工作迫在眉睫。

2 工藝現狀

隧道襯砌混凝土的分類，養護從工藝上可分為三類，分別是灑水養護、噴霧養護和養護劑養護。灑水養護是指采用水管或噴頭將養護水直接噴灑到混凝土表面進行養護，可由人工或噴灑臺車進行作業。噴霧養護是指利用霧化設備，將養護水進行霧化，再對混凝土進行養護的方式。

程磊[1]依托在建鐵路隧道工程，利用室內實驗結果，結合高巖溫隧道襯砌養護特點，對現場的混凝土施工進行了指導。李享濤等[2]針對新建京張鐵路長城車站的特點，提出了新型養護措施，即采用自粘式保濕養護膜與充氣式氣模相結合的方式。楊劍等[3]通過智能控制技術，分析了混凝土的水化熱等參數，并對環境的溫度和濕度進行監測，自動控制養護過程的用水量和噴淋頻率，實現了養護施工的智能化目的。劉榮進等[4]在對養護發展現狀研究的基礎上，分析了內養護的機理，并對常見的內養護材料進行了分類，總結了目前存在的問題，最后展望了未來的發展方向。王慶石等[5]基于對不同環境溫度進行養護的含氣混凝土，研究了混凝土主要性能參數，如抗壓強度等與孔結構之間的關系。丁鐘等[6]介紹了一種新養護技術，比傳統的包覆灑水、養護劑養護等方法，在提高混凝土外觀質量和表面密實度、增強混凝土抗壓強度、降低表面透水率和孔隙率等方面的優點。同時，還有一些關于養護工藝和裝備等方面的研究[7-11]，以及養護對早期開裂可能造成的影響[12]。

國內部分客專對隧道襯砌混凝土采用的霧炮養護屬于噴霧養護，它通過霧炮車噴射水霧對混凝土進行養護。霧炮車主要由車載裝置和噴霧系統構成，它靈活機動，水霧射程遠，能多角度、全方位的噴霧作業。養護劑養護是指通過將養護材料噴灑在混凝土的表面，養護材料接觸空氣一段時間后，形成一層隔離薄膜，使混凝土表面與空氣隔絕，減少水分從混凝土內部通過表面遷移到空氣中，從而利用混凝土中的拌和水完成水泥顆粒的水化過程，達到養護目的的一種方式。幾種養護方式見圖1。

人工灑水養護對設備要求低，但灑水頻率和灑水量、持續時間存在主觀性。噴霧臺車由于是在隧道內的非封閉空間進行，大量的養護水噴出時滯留、損失在了空氣中。雖然養護劑能在混凝土的表面形成一層較完整的具有隔離作用的薄膜，但是在噴涂效果上難以做到均勻的理想狀態；同時，隨著有機物的不斷揮發，由于不可避免的不均勻噴涂，就會在噴涂較薄的區域形成薄弱區域，這些薄弱區域的混凝土會發生內外部水分遷移和蒸發損失。

圖1 養護方式

3 工藝原理

3.1 混凝土養護

水泥混凝土是指將水、骨料和水泥拌和后，經過水化反應后而硬化形成的人造石。水泥是一種水硬性膠結材料，在水的參與下生成新的膠凝化合物，然后慢慢硬化成水泥石，這一過程稱為水化作用。但是，混凝土澆筑完成后，由于混凝土與空氣存在的濕度差，混凝土內部的水分要通過表面，向外界環境蒸發遷移，從而影響混凝土自身水化所需要的水分。為了混凝土水化反應得以正常進行，混凝土澆筑完畢以后，需要在一個相當長的時間內，維持一個有利于水泥水化反應的溫濕度環境。混凝土的養護就是為創造一個有利于水泥水化反應的而采取的養護措施。此外，較高質量的混凝土還要求在硬化初期就有良好的養護條件。

3.2 養護效果的影響因素

3.2.1 養護溫度

養護溫度是影響混凝土性能最重要的因素之一。由于高溫可以加速水泥的水化反應劇烈程度，因此養護溫度越高，混凝土的強度增長越快。已有研究表明，存在某一溫度臨界值，當溫度低于該值時，水泥的水化反應基本停止，因此當環境溫度低于該值時，混凝土的強度就不再增加。當溫度低于0℃時，混凝土會因內部的水分結冰而發生冰凍損傷。另外，也并不是養護溫度越高，越對混凝土的強度增長有益，這是因為早期過高的環境溫度會造成后期混凝土強度增長緩慢，甚至不增長。

3.2.2 養護濕度

水泥的水化程度對混凝土一系列力學性能和耐久性能有重要影響。毛細管中自由水的存在是水泥水化的重要前提條件。隨著水泥水化反應的不斷進行，水化產物逐漸填充毛細空隙，在這一過程中，毛細空隙中的水壓力不斷增大，不斷增加的水壓力推動水分遷移到混凝土表面，當環境十分干燥時，出現了早期的水分大量蒸發。水分的快速蒸發會使毛細空隙內反應物的溶解度降低到飽和水平以下，從而使水泥的正常水化反應受到阻礙。當混凝土表面水分的蒸發速率大于通過毛細孔水分遷移的速率時，混凝土就會出現塑性收縮和開裂，造成一系列混凝土質量問題。

3.2.3 養護時間

水泥熟料由不同的礦物成分組成，不同的礦物成分的水化速率存在顯著差異。針對普通硅酸鹽水泥，按照水化速率的快慢，具有如下規律:

鋁酸三鈣＞鐵鋁酸四鈣＞硅酸三鈣＞硅酸二鈣若按照水化產物的強度比較，則具有以下規律:硅酸二鈣＞硅酸三鈣＞鐵鋁酸四鈣＞鋁酸三鈣由上可知，水泥的不同礦物成分及其所占比例對水泥的凝結時間、早期強度以及后期強度均有重要影響。由于水泥的水化反應會持續相當長一段時間，在水泥的硬化整個過程中，前期和后期的養護都非常重要、缺一不可。

此外，養護時間是影響混凝土性能的另一重要因素。混凝土強度的增加是在溫度不斷變化的養護環境中實現的。一般條件下，混凝土的強度總體上隨著養護齡期的增加而增長。但在不同階段，增長速度有所不同，早期強度隨齡期增長較快。混凝土3 d強度可以達到28 d強度的50%左右，7 d強度可以達到28 d強度的67%左右，28 d之后的強度增長逐漸緩慢。

4 工藝試驗

4.1 不同養護工藝下的室內試驗

(1）原材料及配合比(見表1）

①水泥:采用北京某公司P.O42.5水泥。

②粉煤灰:采用某電廠的Ⅱ級粉煤灰，F類。

③細骨料:采用靈壽浩越中砂。

④粗骨料:采用某碎石場生產的三級配碎石(5～10 mm和10～20 mm，16～31.5 mm）。

⑤減水劑:采用山西某混凝土外加劑公司生產的聚羧酸高性能減水劑。

⑥水:采用榆社縣白北村地下水。

表1 C40二襯混凝土配合比 kg/m3

(2）試件的成型與養護

制作試件尺寸為15 cm×15 cm×15 cm，按照上述配合比配置混凝土。試件在混凝土振實臺上振動后抹平，放置在拌和間，通過空調將拌和間的溫度控制在(20±5）℃的范圍內，放置24 h后拆模、編號。制作的配合比試件數量與養護方式如下:

①制作標準養護試件15組，用于測試3 d強度、7 d強度和28 d強度，各類強度均為5組。混凝土試件在標準養護間進行養護，溫度(20±2）℃，濕度≥95%。

②制作灑水養護試件15組，用于測試3 d強度、7 d強度和28 d強度，各類強度均為5組。混凝土試件放置在溫度為(20±2）℃的房間內，灑水養護。

③噴霧養護試件15組，用于測試3 d強度、7 d強度和28 d強度，各類強度均為5組。混凝土試件在水泥養護箱內進行養護，溫度(20±2）℃，濕度≥90%。

④養護劑養護試件5組，試件標號為YHJ-1、YHJ-2、YHJ-3、YHJ-4、YHJ-5。 養護劑采用北京某公司生產的HY-10型混凝土養護劑。混凝土試件放置在空房間，空調控制溫度(20±2）℃。濕度為樣品間自然濕度。

⑤半自然養護時間15組，用于測試3 d強度、7 d強度和28 d強度，各類強度均為5組。混凝土試件放置在空房間，空調控制溫度(20±2）℃。濕度為樣品間自然濕度。

為了盡量降低環境溫度不同而引起的對混凝土養護效果的影響，試件所處的環境溫度均設置為(20±2）℃。

(3）各種養護工藝下混凝土強度統計與比較(見表2～表4）

表2 不同養護工藝下混凝土3d強度

表3 不同養護工藝下混凝土7d強度

綜合3、7、28 d 的強度結果看，標養、灑水、噴霧養護的強度接近，灑水和噴霧養護試件強度略低于標養試件強度，但沒有明顯的強度損失，說明灑水、噴霧養護也可以作為有效的養護手段。但養護劑養護試件相較標養試件強度會有損失，28 d損失達到5.6%。在相同的溫度條件下，試件如果沒有進行養護，強度相較標養試件會有較大損失，28 d損失達到13.6%。

從上述分析我們基本可以總結出:灑水與噴霧兩種養護方式對于混凝土屬于比較有效的養護方式，養護劑養護對混凝土強度會有一定的損失，混凝土拆模后如果不進行養護對其強度發展十分不利。

4.2 噴淋與噴霧養護比較研究

為驗證噴淋養護對混凝土強度的影響，對C35的二襯混凝土試件(室內配合比，機制砂）進行了兩項試驗，第一項試驗是采用噴霧養護(養護溫度為(20±2）℃，相對濕度為95%以上），第二項試驗是采用噴淋養護(環境溫度控制在(20±2）℃），然后測試3、7、10、14、28 d 等不同齡期混凝土的回彈強度與抗壓強度，測試結果見表5、表6。

表5 回彈強度對比

表6 抗壓強度對比

試驗結果表明:

(1）噴霧養護混凝土試件各齡期的回彈強度均明顯高于噴淋養護試件強度。

(2）噴淋養護和噴霧養護混凝土試件的3、7、10、14、28 d的回彈強度均明顯低于其抗壓強度。

(3）從28 d2回彈強度來看，在長時間的潮濕環境下，混凝土表層會吸水軟化，降低了表層硬度，但干燥后表層硬度又會回升。

(4）將 3 d、7 d、10 d、14 d、28 d1 回彈強度與28 d2回彈強度比較會發現，導致強度降低的主要因素是由噴淋養護引起的表層混凝土軟化，其次是鈣離子的流失。但軟化造成的表層強度降低是可以逆轉的，鈣離子流失造成的表層強度降低不可逆轉。

4.3 養護應用實例

(1）隧道拱頂布管自動噴淋養護工藝，是在隧道襯砌臺車已成型襯砌端(后端）一定范圍內的拱頂正中吊掛噴淋養護管，如圖2所示。噴淋養護管跟隨臺車移動工作，通過自動控制系統(由配電系統、雙延時時間繼電器、液位計、補水電磁閥、液壓泵站及油缸換向電磁閥等組成）控制水泵向噴淋養護管內供水。利用隧道內高壓供水來提供水源，可根據隧道內溫度和濕度等信息自動感應識別環境，伴隨環境適宜性適時預警預報，可實現隧道襯砌混凝土全天候環境下全自動適時噴淋養護。

圖2 隧道自動噴淋養護布置

(2）隧道拱頂布管雙流體養護工藝，是為了提高養護空氣中濕度，充分利用霧化氣、水混合作用，達到養護效果。系統采用自動和手動控制兩種轉換模式，自動控制可實現頻率型間斷控制，手動模式下可實現分段分區獨立控制，如圖3所示。

圖3 隧道雙流體養護布置

(3）噴霧養護系統工藝，如圖4所示。該系統采用氣、水霧化混合原理，利用壓縮空氣把養護水打散，變成約5～10 μm的水霧顆粒，水霧顆粒小自身重量輕，易于大量聚集并漂浮在空氣中，形成白色霧形效果，并隨氣流彌散到隧道內各個區域，該噴霧系統不會造成積水現象。由于其顆粒極小，能夠使隧道內空氣環境的濕度在短時間內快速增長。可定制自動控制，無需人值守。

圖4 噴霧養護臺車示意

5 結論

(1）針對襯砌混凝土，由于拆模前被臺車封閉支撐，無法進行有效養護，因此在拆模后應立即進行養護。

(2）以強度作為養護效果的評價標準，從養護效果的優劣上講，標準養護條件下的強度最高，半自然養護條件下最低。噴霧養護、噴淋養護和養護劑養護居中，并依次降低。

(3）因標準養護在隧道內無法達到穩定的理想條件，灑水養護因存在人工異等主觀不確定性，因此推薦噴霧養護(非霧炮車）和噴淋養護作為隧道襯砌養護的主要手段。

(4）噴淋養護會造成混凝土表面強度降低，因此，建議采用回彈法作為檢測混凝土強度的主要手段時應引起格外注意。

(5）隧道拱頂布管自動噴淋養護、隧道拱頂布管雙流體養護、噴霧養護系統等幾種新型養護工藝有其科學合理性，值得推廣應用。