長大隧道高性能綠色新型混凝土配合比設計研究

李耐善

摘要：文章對高性能綠色新型混凝土配合比進行兩階段的優化設計研究，通過雙摻粉煤灰和硅灰，提高其早期強度和耐久性，并通過石灰石微粉提高其粘結性能和降低回彈率，以達到綠色環保施工的目的。

關鍵詞：高性能綠色新型混凝土;早期強度;粘結性能;回彈率

中圖分類號：U416.02文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.015

文章編號：1673-4874（2021）01-0054-03

0引言

廣西地處云貴高原東南邊緣，山丘和盆地交錯，地質條件復雜，穿越這一地帶需要修建隧道。高地應力、大埋深、高外水壓的地質條件對隧道初期支護的支護性能與效率要求高，使其能更早地發揮圍巖的自穩能力。同時，出于提高結構物強度及環境保護的目的，對噴射混凝土的原材料及其性能的要求也越來越高。如降低噴射混凝土的回彈率，減少混凝土的浪費，降低施工中的粉塵濃度，提高噴射混凝土的早期及終凝強度，提高噴射混凝土的耐久性、密實性等。

本次研究涉及的路段有長隧道3座，特長隧道1座，地質較復雜，施工難度大、風險大。通過對高速公路長大隧道施工初期支護的噴射混凝土配合比設計及優化、施工技術優化，降低長大隧道施工風險，保障施工期間人員的生命安全和財產安全，提高材料利用率，綠色施工。同時也為隧道運營安全提供保障，以打造“綠色公路示范工程”和“品質示范工程”雙示范高速公路為目標，并為類似情況的高速公路隧道施工積累寶貴的經驗，推動我國隧道施工技術的進步。

1摻合料對高性能綠色混凝土性能影響研究

第一階段研究在普通混凝土配合比基礎上，以調整膠凝材料為主，使用雙摻硅灰和粉煤灰代替水泥展開試驗研究，由此進一步加強長大隧道中噴射混凝土的性能。

1.1原材料

水泥選擇華潤紅水河牌P·O42.5;粉煤灰選擇廣西華天能環?？萍奸_發有限公司II級灰;硅灰選擇成都科良建材有限公司KL-SF93型，平均粒徑為0.09μm，主要粒徑分布在0.05～0.18μm之間。

粗細集料均來自鼓鳴洞渣加工，花崗巖屬性，主要礦物成分為石英、鉀長石、鈉長石和云母。粗集料粒徑為5～10mm，細集料粒徑為0～5mm，其中細集料粉含量約為11%，細度模數為2.6。

外加劑采用南寧雨潤高性能聚羧酸減水劑，固含量為12%，減水率為26%;速凝劑采用凱里市鼎堅DJ-3型液體速凝劑。

1.2混凝土配合比優化設計及力學性能測試

以鼓鳴隧道為例，根據此前設計，采用標準C25噴射混凝土配合比為基準配合比。

（1）通過調整水灰比和外加劑摻量來實現配合比初步優化的目的?；鶞逝浜媳燃俺醪絻灮浜媳热绫?所示。按照該配合比試拌了0.05m³混合料，發現混凝土拌和物工作性能得到改善，并對混凝土坍落度、凝結時間和抗壓強度進行試驗，結果均符合規范要求。

（2）在初步優化的基礎上設計一組粉煤灰和硅灰雙摻的高性能濕噴混凝土進行正交試驗，充分考慮摻合料種類、摻量、膠凝材料總量（水膠比）、砂率四個因素對其工作性能和力學性能的影響，確定獲得滿足強度與工作性要求的最佳配合比，并分析其變化規律，見表2。配合比設計采用L₉（3⁴）正交試驗表，配合比及力學性能分析如表3～5所示。

表4顯示了C25高性能噴射混凝土的力學性能，表5通過極差分析混凝土強度影響因素。從分析結果來看，膠凝材料用量和粉煤灰摻量對C25混凝土1d強度的影響最明顯，其次是硅灰摻量，但粉煤灰摻量對混凝土7d、28d強度影響最大，選定范圍內的砂率對強度影響很小。綜合來看，確定較優水平組合為：膠凝材料用量為440kg/m³，水膠比為0.40，硅灰摻量為7%，煤灰摻量為5%，砂率為52%。

1.3優化配合比的混凝土耐久性能

抗滲等級和電通量是混凝土抗滲性能的兩個重要技術指標，本課題組用電通量來考察其耐久性能。選擇有代表性的配合比做電通量試驗，試驗結果見表6。

從表6中可知，以上配合比電通量均滿足設計<1000C的要求。電通量與水膠比有很大的相關性，一般來講，水膠比小，電通量也低。從以上數據得知，粉煤灰使得混凝土更加密實，抑制了混凝土的氯離子擴散和遷移，電通量下降。在雙摻硅灰和粉煤灰作用下，既提高了混凝土的早期強度，充分發揮了二者的疊加效應，極大地改善了混凝土的微觀孔結構，使孔隙率進一步降低，又增強了混凝土致密性，提高其抗滲性能，有效地改善并提高混凝土的綜合耐久性能。

2石灰石微粉末對高性能綠色混凝土性能影響研究

為提高材料利用率，需降低施工回彈率，這就要求噴射混凝土有足夠的粘結性，在施工過程中快速地與圍巖粘結。本次研究采用石灰石微粉末置換細集料的形式提高噴射混凝土的粘結性及密實性。

2.1原材料及試驗方案

本次試驗增加了石灰石微粉末，來自賀州市金科粉體廠，400目石灰石粉末，平均粒徑為11.8μm，主要粒徑分布在0.19～60μm之間，碳酸鈣含量為99.3%，比表面積491.2m²/kg。

在上次優化配合的基礎上，采用石灰石微粉末置換5%、10%、15%的細集料，并進行粘結性、強度、密實性、耐久性檢測。

2.2試驗結果及討論

為考察石灰石微粉末對噴射混凝土粘結性和密實性的影響，采用不同摻量的石灰石微粉末制備4組試樣，測試噴射混凝土的試塊10cm下滑時間和電通量，結果見圖1、圖2。

由圖1、圖2可見，添加石灰石粉末后噴射混凝土抗滲等級均達到10P，當石灰石參量達到15%時電通量有所提升，表明摻適量的石灰石微粉末可顯著改善噴射混凝土的抗滲性能及密實性;當石灰石粉末含量達到一定程度時，噴射混凝土的密實性有所下降。在減水劑的調節下，噴射混凝土坍落度可以保持穩定，而10cm下滑時間明顯延長，可見石灰石微粉末可改善噴射混凝土的粘結性。同時，摻適量的石灰石粉末可有效地提高噴射混凝土的早期強度，但石灰石粉末含量過大會降低噴射混凝土的強度。

3結語

（1）第一階段配合比設計中膠凝材料由單一的水泥轉變為水泥與粉煤灰、硅灰等各種礦物摻合料，大大減少混凝土中的水泥用量，符合低碳環保要求。摻入粉煤灰減少水泥水化熱，有利于抑制混凝土早期開裂。摻入硅灰可提高混凝土的抗壓強度與粘結強度，減少回彈量。硅灰和粉煤灰的雙摻對混凝土的強度和耐久性能均有較大程度提高。

（2）采用石灰石微粉末置換細集料，可以增加噴射混凝土的粘結性，降低噴射混凝土施工回彈量，達到節約資源綠色施工的要求。同時通過控制減水劑含量、保持噴射混凝土施工和易性，提高了早期強度、抗滲性能等級和密實度，可改善隧道支護功能。

（3）下步工作重點為，采用優化后的配合比進行現場噴射混凝土試驗，測試回彈率，室內制樣，現場取樣進行SEM及孔結構分析。

參考文獻

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