巖溶發(fā)育區(qū)隧道混凝土抗?jié)B性能關(guān)鍵影響參數(shù)研究

為了應(yīng)對(duì)在巖溶發(fā)育地區(qū)建設(shè)隧道面臨著特殊地質(zhì)、水文環(huán)境等條件對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能提出的挑戰(zhàn)，文章提出了一種有效的巖溶發(fā)育區(qū)隧道襯砌抗?jié)B混凝土制備方法，通過(guò)優(yōu)化膠凝材料體系和摻入石粉和硅灰，實(shí)現(xiàn)了混凝土在抗?jié)B性能、工作性能和力學(xué)性能方面的綜合提升。結(jié)果表明：適度增加膠凝材料用量可以提高混凝土的抗?jié)B性能，而較低的膠凝材料用量會(huì)降低混凝土的工作性能；適當(dāng)摻入石粉和硅灰可以在提高工作性能的同時(shí)提高抗?jié)B性能；當(dāng)石粉摻量為20%且硅灰摻量為5%時(shí)，該體系不僅在工作性能和力學(xué)性能方面表現(xiàn)出良好的綜合性能，還顯著改善了抗?jié)B性能。

隧道；抗?jié)B混凝土；正交試驗(yàn)；石粉；硅灰

U457+.2A290943

作者簡(jiǎn)介：

黃禎尹（1991—），工程師，主要從事橋梁養(yǎng)護(hù)方面的管理和研究工作。

0" 引言

隨著我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)的推進(jìn)，公路工程領(lǐng)域迅猛發(fā)展。受我國(guó)廣泛多樣的地理?xiàng)l件影響，不同地區(qū)的地質(zhì)狀況差異顯著，這對(duì)隧道防水結(jié)構(gòu)構(gòu)建提出了巨大挑戰(zhàn)［1］。我國(guó)在大型隧道和地鐵等地下工程方面取得了顯著進(jìn)展，但在工程結(jié)構(gòu)的防水和防滲方面仍存在技術(shù)不足的問(wèn)題，尤其是在地下水資源豐富的地區(qū)表現(xiàn)更為明顯。因此，滲漏水問(wèn)題一直是溶巖發(fā)育地區(qū)豐水隧道施工亟待解決的難題［2］。

混凝土是隧道工程中最常用的材料，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量起關(guān)鍵作用。隨著礦物摻合料、膨脹劑等功能型防水材料的引入，二次襯砌混凝土的抗?jié)B性能得到顯著提升，抗?jié)B等級(jí)可以達(dá)到較高水平。然而，由于硬化特性的限制，二次襯砌混凝土必須分段澆筑，這不可避免地導(dǎo)致施工縫的出現(xiàn)，從而形成防水結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)［3］。因此，研發(fā)新型隧道施工縫結(jié)構(gòu)和高性能抗?jié)B混凝土仍然具有必要性。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者在混凝土抗?jié)B方面進(jìn)行了廣泛的研究和探索，在礦物摻合料方面的研究主要集中在影響因素方面。賈飛等［4］研究了京秦高速公路隧道，以此為背景探討了大摻量粉煤灰對(duì)隧道二次襯砌混凝土的抗壓強(qiáng)度、吸水性以及抗氯離子滲透性的影響，結(jié)果表明在富水隧道中，大摻量粉煤灰混凝土的應(yīng)用是值得推廣的。Chalee W等［5］通過(guò)ASTM C1152試驗(yàn)方法研究發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰置換率的增加，混凝土的氯離子滲透性顯著降低，根據(jù)Fick第二定律的分析，氯離子滲透系數(shù)也顯著減小。

本文結(jié)合溶巖發(fā)育地區(qū)富水隧道的地質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，著重研究了膠凝材料體系及石粉和硅灰摻量對(duì)溶巖發(fā)育區(qū)隧道襯砌混凝土抗?jié)B性能的影響，旨在解決溶巖發(fā)育地區(qū)隧道抗?jié)B混凝土的制備難題。

1" 配合比基本參數(shù)確定

自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)采用絕對(duì)體積法。建議自密實(shí)混凝土的水膠比應(yīng)保持在＜0.45，而膠凝材料的用量應(yīng)在400～550 kg/m3。為了改善漿體的粘聚性和流動(dòng)性，可以適度增加漿體體積，采用增加粉體材料或添加外加劑的方法。初步配合比設(shè)計(jì)如表1所示，主要關(guān)注膠凝材料用量、砂率和水膠比等因素對(duì)混凝土的工作性能和力學(xué)性能的影響。

1.1" 膠凝材料用量

通過(guò)采用3種不同的膠凝材料用量（400 kg/m3、420 kg/m3和440 kg/m3）進(jìn)行試驗(yàn)，研究了膠凝材料用量對(duì)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能和力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的擴(kuò)展度和28 d抗壓強(qiáng)度都逐漸增加，并且增長(zhǎng)趨勢(shì)相似。然而，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土的膠凝材料用量較低（400 kg/m3）時(shí)，混凝土的漿液包裹性不足，且和易性差［6］。但當(dāng)膠凝材料用量增加到420 kg/m3時(shí)，混凝土的工作性能及和易性適中，可以滿足泵送要求，并且相較于420 kg/m3混凝土的配合比，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。因此，后續(xù)試驗(yàn)中的膠凝材料用量均設(shè)置為420 kg/m3。

（a）擴(kuò)展度" （b）抗壓強(qiáng)度

1.2" 水膠比

使用3種不同的水膠比（0.38、0.4和0.42）進(jìn)行試驗(yàn)，研究水膠比對(duì)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能和力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖2所示。隨著水膠比的增加，自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性逐漸提高，但混凝土28 d抗壓強(qiáng)度逐漸下降。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)混凝土的水膠比為0.4時(shí)，混凝土的流動(dòng)性能和力學(xué)性能都能夠滿足混凝土施工的要求，因此，選擇水膠比為0.4。

（a）擴(kuò)展度

（b）抗壓強(qiáng)度

巖溶發(fā)育區(qū)隧道混凝土抗?jié)B性能關(guān)鍵影響參數(shù)研究/黃禎尹，張大興，馬世朝，郝朝偉

1.3" 砂率

對(duì)3種不同的砂率（0.44、0.46、0.48）進(jìn)行試驗(yàn)，研究砂率對(duì)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能和力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著砂率的增加，混凝土的擴(kuò)展度逐漸提高，但與此同時(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度也逐漸減小。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)砂率為0.44時(shí)，混凝土的流動(dòng)性能和力學(xué)性能均能夠滿足混凝土施工的要求。盡管在砂率＞0.44后，其流動(dòng)性能有所改善，但與此同時(shí)強(qiáng)度下降較快。因此，選擇合理的砂率為0.44。

（a）擴(kuò)展度

（b）抗壓強(qiáng)度

通過(guò)上述試驗(yàn)，初步確定了自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，即膠凝材料用量為420 kg/m3、水膠比為0.4、砂率為0.44。

2" 膠凝材料體系的確定

在初步配合比的基礎(chǔ)上，研究不同膠凝材料體系和不同石粉摻量對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種膠凝材料體系，分別是水泥；水泥+礦粉；水泥+石粉；水泥+石粉+硅灰，詳見表2。通過(guò)研究不同膠凝材料體系和石粉摻量下自密實(shí)混凝土的工作性能與力學(xué)性能，最終確定最經(jīng)濟(jì)合理且滿足施工要求的膠凝材料體系。

2.1" 礦粉摻量對(duì)混凝土性能的影響

在水泥+礦粉膠凝材料體系下，研究不同礦粉摻量（15%、20%、25%）對(duì)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律。如下頁(yè)圖4所示，可以觀察到隨著礦粉摻量的增加，混凝土的擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度均逐漸減小。在礦粉摻量＜20%的情況下，混凝土擴(kuò)展度的減小幅度較小，而抗壓強(qiáng)度下降幅度較為平衡。因此，綜合工作性能和力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果，建議在自密實(shí)混凝土的配制中盡量避免使用礦粉。

2.2" 礦粉摻量對(duì)混凝土性能的影響

在水泥+石粉膠凝材料體系下，研究不同石粉摻量（15%、20%和25%）對(duì)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律，如圖5所示。隨著石粉摻量的增加，混凝土的擴(kuò)展度顯著增加，而28 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這表明單獨(dú)摻入石粉可以提高混凝土的工作性能，但會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度［7］。因此，在使用石粉配制混凝土?xí)r，必須復(fù)配一些能提高抗壓強(qiáng)度的材料。

（a）擴(kuò)展度

（b）抗壓強(qiáng)度

2.3" 石粉和硅灰復(fù)摻對(duì)混凝土性能的影響

在水泥+石粉+硅灰膠凝材料體系下，固定硅灰摻量為5%，研究不同石粉摻量（15%、20%和25%）對(duì)自密實(shí)混凝土流動(dòng)性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律，如圖6所示。隨著石粉摻量的增加，混凝土的擴(kuò)展度顯著增加，而28 d抗壓強(qiáng)度在一開始增加后逐漸下降。這表明在適當(dāng)?shù)氖蹞搅亢凸杌覅f(xié)同作用下，可以提高混凝土的強(qiáng)度，但當(dāng)石粉摻量較大時(shí)，混凝土的強(qiáng)度會(huì)下降。當(dāng)石粉與硅灰的總摻量比例為20%+5%時(shí)，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度與純水泥體系相當(dāng)。但當(dāng)石粉摻量＞20%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著下降。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的要求，建議控制石粉的摻量在20%左右，硅灰的摻量在5%左右。

（a）擴(kuò)展度

（b）抗壓強(qiáng)度

2.4" 不同膠凝材料體系下混凝土性能分析

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)固定礦粉摻量（20%）并復(fù)摻石粉和硅灰（20%+5%），對(duì)比不同膠凝材料體系下混凝土的工作性能、力學(xué)性能和抗?jié)B性能，同時(shí)與純水泥體系進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖7和表3所示。

（a）擴(kuò)展度

（b）抗壓強(qiáng)度

由圖7可知，不同的膠凝材料體系對(duì)混凝土的工作性能和力學(xué)性能產(chǎn)生了顯著的影響。與純水泥體系相比，水泥+石粉+硅灰膠凝材料體系下混凝土的流動(dòng)性能顯著改善，而28 d抗壓強(qiáng)度與純水泥體系相當(dāng)，因此適合用于自密實(shí)混凝土的配制［8］。另一方面，水泥+礦粉體系下混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度略有下降，同時(shí)流動(dòng)性也有輕微下降。

在抗?jié)B試驗(yàn)過(guò)程中，觀察到由于水壓的影響，混凝土試件逐漸被頂起，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)束時(shí)混凝土試件的頂面高于試模。與純水泥配制的混凝土試件相比，摻20%礦粉的混凝土試件抗?jié)B性能有所降低，而復(fù)合摻石粉和硅灰的混凝土試件抗?jié)B性能明顯提高。由表3可知，在水壓力達(dá)到1.3 MPa時(shí)，純水泥的混凝土試件中有兩個(gè)發(fā)生了滲漏，根據(jù)規(guī)范要求，此時(shí)其抗?jié)B等級(jí)為P12，而摻20%礦粉的混凝土試件的抗?jié)B等級(jí)為P10。然而，摻復(fù)合摻石粉和硅灰的混凝土試件的抗?jié)B等級(jí)達(dá)到了P15。

根據(jù)上述工作、力學(xué)和抗?jié)B性能的試驗(yàn)結(jié)果，最佳的自密實(shí)混凝土膠凝材料體系確定為水泥+石粉+硅灰。

3" 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)隧道二砌自密實(shí)混凝土配制進(jìn)行了深入研究，結(jié)合對(duì)膠凝材料用量、砂率、水膠比等變量的考察以及膠凝材料體系的優(yōu)化試驗(yàn)，得出以下主要結(jié)論：

（1）隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的擴(kuò)展度和28 d抗壓強(qiáng)度逐漸增加。然而，當(dāng)膠凝材料用量較低時(shí)，混凝土的漿液包裹性不足，并存在和易性方面的偏差。當(dāng)膠凝材料用量達(dá)到420 kg/m3時(shí)，混凝土的工作性能及和易性達(dá)到了適中水平，足以滿足泵送要求。

（2）隨著礦粉摻量的增加，混凝土的擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低。單獨(dú)摻入石粉可以提高混凝土的工作性能，但會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。然而，通過(guò)適量的石粉和硅灰的協(xié)同摻入，可以同時(shí)提高混凝土的工作性能和力學(xué)性能。

與其他膠凝材料體系相比，水泥+石粉+硅灰的膠凝材料體系表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)石粉摻量為20%且硅灰摻量為5%時(shí)，該體系不僅提高了混凝土的工作性能和力學(xué)性能，還顯著改善了抗?jié)B性能。

綜上所述，這些研究結(jié)果為隧道二砌自密實(shí)混凝土的配制提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。硅灰、石粉在混凝土配制中的應(yīng)用以及最佳膠凝材料體系的確定，為工程實(shí)踐提供了有力的支持，對(duì)于提升隧道工程質(zhì)量和減少維護(hù)成本具有積極的意義。

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［4］賈" 飛，李麗寧，杜" 森，等.隧道二次襯砌大摻量粉煤灰混凝土抗?jié)B性研究［J］.施工技術(shù)（中英文），2022，51（21）：74-78.

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20240406