高溫變溫養護條件下隧道噴射混凝土抗碳化性能試驗

魏豪杰 童建軍 朱龍 楊迪 葉雷 黃越 蔡延山

【摘 要】?隨著交通工程的快速發展，西藏、云南、新疆、四川等高地熱高熱水地區出現了越來越多的高地溫隧道。高地溫環境下噴射混凝土存在“先天性”劣化，其耐久性能不容忽視。本文通過實驗探究了噴射混凝土在不同養護溫度和不同碳化齡期下的抗碳化性能，并給出了高溫變溫養護條件下隧道噴射混凝土碳化深度的預測公式。實驗結果表明：高溫養護的噴射混凝土碳化深度比標準養護的噴射混凝土更深，且碳化速率隨養護溫度的升高而增大，因而其抗碳化性能明顯降低。碳化反應生成碳酸鈣使噴射混凝土密實度增加，其力學性能隨碳化齡期逐漸增強。

【關鍵詞】噴射混凝土; 碳化; 耐久性; 力學性能

1 噴射混凝土的碳化耐久性

噴射混凝土作為隧道工程施工中重要的一類混凝土，主要有支撐、填充和保護作用[1]。在混凝土施工中，混凝土自身耐久性高低將直接影響到工程整體建設質量，而噴射混凝土所處工程環境多數較為惡劣，服役期間將不可避免的遭受各種環境因素的長期作用，其耐久性問題也非常突出。目前，越來越多高地溫隧道的出現，使得人們越發重視高溫變溫環境下對噴射混凝土的耐久性的影響。

在隧道開挖過程中，由于隧道內環境較為封閉，其熱能無法迅速逸出，通過數值模擬及現場實測數據表明，圍巖溫度會在5～7天內急劇降低，在隨后的時間內緩慢降低[2]。而在高溫變溫的養護環境下會導致噴射混凝土的力學性能下降以及使混凝土水化反應過早結束，微觀結構孔隙和微裂縫多，形成連通的通道，而導致碳化深度大，碳化速率快[3-4]。碳化會降低混凝土堿度，破壞混凝土鈍化膜，引起鋼筋銹蝕，導致混凝土會開裂、剝落，嚴重影響耐久性[5]。同時碳化還會增加混凝土的密實性[6]。

目前國內外專家學者針對噴射混凝土碳化耐久性問題開展了多方面研究。張曉麗通過對混凝土碳化的深入研究，探究出混凝土碳化的影響因素和控制措施[7]。馬宏望、俞燕飛、梁超鋒等對比分析了現有荷載和加速碳化耦合的試驗裝置和方法，綜述了在不同狀態應力作用下，混凝土內部因素以及外部環境因素對混凝土碳化性能的影響[8]。李健通過養護28d和84d不同礦渣摻量粉煤灰基地聚物混凝土的快速碳化試驗，探究出混凝土碳化耐久性與養護齡期和礦渣摻量的關系[9]。

以上文獻針對混凝土碳化做了部分研究，但卻鮮有針對高地溫隧道噴射混凝土碳化耐久性能的研究，因此，為了能給高地溫環境下的支護結構安全設計提供依據，有必要對高地溫環境下噴射混凝土碳化耐久性能進行更加深入的研究。本文采用快速碳化法[10]，以碳化深度，抗壓強度和劈裂抗拉強度作為指標，探究不同初始養護溫度下噴射混凝土的耐久性及力學性能的變化規律。

2 材料及試驗方法

2.1 原材料

普通硅酸鹽水泥（P.O42.5，密度3.15 g/cm3），二級粉煤灰，砂粒直徑在0.35～0.25 mm之間，細度模數為2.1，礫石直徑為2～10 mm之間。低堿液體速凝劑的初始凝固時間為2 min 30 s，最終凝固時間為8 min 10 s。噴射混凝土配合比見表1。

2.2 試件制作

本試驗噴射混凝土均來自成都地鐵十七號線二期土建8工區高洪村站施工現場，采用大板法噴射形成，大板規格為450 mm×350 mm×120 mm，首先將脫模劑均勻涂抹在大板模具中，開始在施工現場噴射混凝土（圖1），隨后將試塊運回實驗室進行高溫變溫養護工作。

待28天的高溫變溫養護完成后，將大板進行拆模，對每組大板試塊做好標記后進行混凝土切割工作。本實驗需采用300 mm×100 mm×100 mm的棱柱體試件和100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，一組包括3個樣品，其中棱柱體試件測試碳化深度，立方體試件測試力學性能。

2.3 試件養護

高溫變溫養護采用HX/HS-010L恒溫恒濕養護箱（圖2），將試件置入恒溫恒濕試驗箱，開展高溫變溫養護。設置初始養護溫度T0（40 ℃、60 ℃），養護濕度保持在55 %。在養護的0～5天內，從初始養護溫度T0開始，每4 h等幅降溫，調幅為（T0-28）/（6×5） ℃。5天后溫度降至28 ℃，隨后保持28 ℃養護至28天。同時作為對照，一組試件在標準狀況下恒溫養護28天，溫度為20 ℃，濕度保持在95 %。

2.4 試驗方法

高溫變溫養護條件下隧道噴射混凝土抗碳化耐久性能試驗包括快速碳化試驗、抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗。

2.4.1 快速碳化試驗

為保證實驗進度和實驗結果的可實用性，采用加速碳化的試驗方法[11]。本試驗使用TH-80型碳化試驗箱，箱內的二氧化碳濃度保持在（20±3） %，相對濕度控制在（70±5） %，溫度應控制在（20±2） ℃的范圍內，并設置了三組碳化齡期分別為7天、14天、28天。

棱柱體試件除了300 mm×100 mm的一個面外，其他各面都用加熱的石蠟密封。立方體試件除了一個表面外其他各面也用同樣的方式密封。碳化時間到了7天、14天和28天時，分別取出試件，破型測定碳化深度。將棱柱體試件放置在壓力試驗機上采取劈裂法進行破型。隨后將切除所得的試件部分刷去斷面上殘存的粉末，噴上濃度為1 %的酚酞酒精溶液。約經30 s后，開始測量碳化深度，如圖3所示。按原先標劃的每10 mm一個測量點用鋼板尺測出各點碳化深度，并求平均值。

2.4.2 力學試驗

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，取出經過加速碳化試驗的立方體試件，利用CSS-WAW600DL電液伺服萬能試驗機進行不同碳化齡期的劈裂抗拉和抗壓試驗。

3 結果與討論

3.1 碳化深度分析

相同配合比的噴射混凝土隨著初始養護溫度的不同和碳化時間的不同，其碳化深度也呈現規律性的變化，混凝土碳化深度的變化規律曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出，同碳化齡期，噴射混凝土的碳化深度隨初始養護溫度的升高而增加;同初始養護溫度，噴射混凝土的碳化深度隨著碳化齡期的延長而增加;噴射混凝土在碳化試驗的0～7天和14～28天的碳化深度增長速率較快，在7～14天內的增長速率較慢。碳化深度和養護條件存在必然的內在關系。高溫養護使噴射混凝土水化反應過早結束，微孔隙和微裂縫較多，形成連通的通道，CO2可以迅速滲入噴射混凝土內部與堿性物質發生中和反應，所以碳化深度大，碳化速率快。由于碳化會導致埋入混凝土的鋼筋表面的鈍化膜消失，引起鋼筋銹蝕，導致混凝土剝落，從而噴射混凝土的耐久性能降低。所以養護溫度越高的噴射混凝土耐久性能越差。

根據菲克第一定律，噴射混凝土的抗碳化性能由碳化系數K來表征，其計算公式如下：

3.2 力學強度分析

噴射混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度隨初始養護溫度和碳化時間的規律變化如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6中可以看出，噴射混凝土的抗壓、劈裂抗拉強度都隨著碳化時間的延長而增強;且噴射混凝土的抗拉、劈裂抗壓強度都隨著初始養護溫度的升高而降低;噴射混凝土的抗壓強度在碳化14～28天時增長幅度有所增加;噴射混凝土的劈裂抗拉強度在碳化14～28天時的增長幅度有所減弱。但是高溫養護的噴射混凝土強度都低于標準養護的噴射混凝土。其原因是碳化時間越長，碳化反應生成的CaCO3等碳化產物越多，碳酸鈣會填充噴射混凝土的孔隙，使其結構更加致密，導致混凝土的硬度增加，從而使混凝土的力學性能有所增強。但碳化后期可能會產生收縮裂縫，而劈裂抗拉強度對此更加敏感，所以在14～28天出現了劈裂抗拉強度增長緩慢的現象。盡管碳化使得噴射混凝土的力學性能有所增強，但會對其耐久性能產生不利影響。

4 結論

（1）噴射混凝土的碳化深度與養護溫度有關，噴射混凝土的碳化深度隨初始養護溫度的升高而增加，其抗碳化性能隨之降低。

（2）碳化后由于新生成的碳化產物填充微裂縫和孔隙，噴射混凝土的力學性能隨碳化深度的增加而增強。

（3）高溫養護會導致噴射混凝土力學性能劣化，雖然在碳化過程中力學強度會提高，但始終低于標準養護的噴射混凝土。

參考文獻

[1] THOMASA. Sprayed concrete lined tunnel[M]. New York： Taylor & Francis， 2012： 9.

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[3] 唐興華，王明年，童建軍，等.高巖溫隧道初期支護應力場及安全性研究[J].西南交通大學學報，2019，54（1）：32-38.

[4] 曹明莉，丁言兵，鄭進炫，等.混凝土碳化機理及預測模型研究進展[J].混凝土，2012（9）：35-38+46.

[5] 姜福香，趙鐵軍，蘇卿，等.海底隧道襯砌混凝土耐久性研究[J].混凝土，2007（12）：19-22.

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[8] 馬宏望，俞燕飛，梁超鋒，等.不同應力狀態下混凝土碳化性能研究進展[J].混凝土與水泥制品，2019（6）：20-24.

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[10] 王家濱，牛荻濤，張永利.噴射混凝土力學性能、滲透性及耐久性試驗研究[J].土木工程學報，2016，49（5）：96-109.

[11] 馬蕊，牛荻濤，王家濱.噴射混凝土快速碳化試驗研究[J].混凝土，2014（11）：31-33+37.

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