烏鞘嶺特長隧道混凝土的耐久性研究

1、烏鞘嶺特長隧道混凝土的耐久性研究周文海1 劉 川1 宋建平2（中鐵十八局集團有限公司 天津 300222）摘 要：針對烏鞘嶺特長隧道襯砌混凝土“高寒、高海拔、高侵蝕”的工作環(huán)境，結(jié)合施工現(xiàn)場實際，將混凝土由傳統(tǒng)的按強度設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)榘茨途眯栽O(shè)計。通過摻用優(yōu)質(zhì)外加劑和摻和科，提高了混凝土的抗凍、抗?jié)B、抗侵蝕和抗碳化性能，采取限制原材料堿含量和混凝土總堿量等技術(shù)措施預(yù)防堿骨料反應(yīng)，從而確保了烏鞘嶺工程混凝土的耐久性。關(guān)鍵詞：隧道工程；抗凍性；抗?jié)B性；抗侵蝕；抗碳化；堿骨料反應(yīng)； 烏鞘嶺特長隧道全長20050m，設(shè)計為兩座單線隧道，最大埋深1100m左右。隧道穿越區(qū)整體屬于祁連山東北部中高山區(qū)，海拔高2

2、9003600m。地質(zhì)結(jié)構(gòu)為祁連優(yōu)地槽褶皺帶內(nèi)，褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育，現(xiàn)代地震較為活躍。氣候垂直分帶明顯，氣溫寒冷，日溫差大，冰凍時間長。年平均氣溫-0.15.1，絕對最高氣溫28.134.7，最低氣溫-29.0-30.6。隧道范圍內(nèi)，地下水具有硫酸鹽強侵蝕性。針對“高寒、高海拔、高侵蝕”的工作環(huán)境，烏鞘嶺特長隧道混凝土已從傳統(tǒng)的按強度設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)榘茨途眯栽O(shè)計?；炷聊途眯灾饕婕暗娇?jié)B性、抗凍性、抗裂性，抗沖磨性、抗碳化、抗侵蝕性及堿骨料反應(yīng)等性能。為了提高烏鞘嶺工程混凝土的耐久性，從原材料的優(yōu)選，配合比的優(yōu)化方面，進行了大量的試驗研究工作，并采取了綜合技術(shù)措施，通過摻用優(yōu)質(zhì)外加劑和摻和料，降低

3、了混凝土絕熱溫升，提高了混凝土的抗凍、抗?jié)B、抗裂和碳化性能，并采取了嚴(yán)格限制原材料堿含量和混凝土總堿量等預(yù)防措施抑制堿骨科反應(yīng)，使混凝土耐久性得以保證。確保了“不滲、不漏、不裂”的質(zhì)量目標(biāo)的實現(xiàn)。1、混凝土設(shè)計指標(biāo)根據(jù)蘭新線烏鞘嶺特長隧道設(shè)計說明及現(xiàn)場施工實際確定如下混凝土設(shè)計指標(biāo)（見表1）：烏鞘嶺特長隧道襯砌混凝土設(shè)計指標(biāo) 表1工程部位強度等級抗?jié)B等級抗凍等級備 注洞口淺埋段（拱、墻、仰拱）C25S8D200*砼摻加抗裂性外加劑一般地段（拱、墻、仰拱）C25S8D150*硫酸鹽侵蝕地震設(shè)防地段（拱、墻、仰拱）C25S8D150*鋼筋混凝土級圍巖硬巖及級圍巖地段C30S8D150*硫酸鹽侵蝕級

4、圍巖地段（含仰拱）C25S8D150*硫酸鹽侵蝕填 充C25S8D150*說明：帶*號的抗凍等級指標(biāo)為根據(jù)施工現(xiàn)場混凝土的工作環(huán)境提出的控制指標(biāo)。2、混凝土原材料的優(yōu)選和配合比設(shè)計的優(yōu)化烏鞘嶺工程混凝土采用莊浪河河道開挖出來的河砂及卵石破碎作為骨料，母巖具有抗壓強度較高，但其拉壓比較小，破碎過程中容易產(chǎn)生隱性節(jié)理，骨料中含有較多的云母，而且易產(chǎn)生泌水。因此，給最大限度的減少水泥用量，優(yōu)化配合比，盡可能減少水化熱帶來了極大的困難。由于對混凝土質(zhì)量要求中，特別突出了耐久性問題，因此，在混凝土配合比設(shè)計中，各項技術(shù)指標(biāo)相互制約，同時要與混凝土溫控、運輸距離、拆模周期、大坍落度泵送施工等矛盾進行全面平

5、衡和優(yōu)化，因此是十分復(fù)雜的技術(shù)難題。為此做了大量的試驗研究工作。2.1、采取的主要技術(shù)措施：2.1.1、優(yōu)選混凝土原材料，高摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰選用42.5R低熱水泥,并盡可能多摻粉煤灰?；炷磷畲髶搅窟_到25%。水泥熟料中的MgO含量控制在3.-4.5%，使混凝土具有微膨脹性, 補償混凝土降溫階段體積收縮,減少混凝土裂縫。采用I級粉煤灰，并堅持將級粉煤灰作為功能材料摻用。摻用級粉煤灰可取代部分水泥，而且由于級粉煤灰具有減水效果，可降低混凝土用水量，利用級粉煤灰的微珠效應(yīng)，還可大大改善混凝土的和易性。2.1.2、優(yōu)選高性能復(fù)合外加劑，提高混凝土耐久性。為確?？?jié)B性、抗凍性、抗裂性，抗侵蝕性能指標(biāo)的實現(xiàn)

6、，有效解決混凝土用水量高的難題，選用了與其他原材料有良好適應(yīng)性的，且減水率在16%以上、具有抗?jié)B、抗蝕、抗裂性能的復(fù)合外加劑，為配制高耐久性混凝土創(chuàng)造了條件。2.1.3、在混凝土中摻加引氣劑型外加劑。這是提高混凝土工作性、保證烏鞘嶺工程混凝土耐久性和使用壽命的重要措施。2.1.4、為了防止發(fā)生堿骨料反應(yīng)，嚴(yán)格限制原材料的堿含量和混凝土總堿量。限制低熱水泥的堿含量小于0.5%；粉煤灰堿含量小于2.0%；混凝土總堿量小于3 kg/m3。2.2配合比的優(yōu)化在混凝土配合比的設(shè)計中，堅持采用最大限度減小水膠比、并增加粉煤灰摻量的技術(shù)路線。水膠比是影響混凝土強度和耐久性的重要因素，水膠比越小，混凝土孔隙率

7、越小，強度越高，耐久性越好。優(yōu)化后的襯砌混凝土水膠比小于0.45，洞口淺埋段水膠比小于0.40，仰拱混凝土不大于0.50。由于采用了多項技術(shù)措施，優(yōu)選出的混凝土配合比使混凝土具有優(yōu)越的性能?；炷烈r砌抗?jié)B等級可達S12以上；抗凍性可達D150以上，洞口淺埋段襯砌抗?jié)B等級可達S12以上；抗凍性可達D200以上。混凝土用水量由原來的225kg/m3降至185kg/m3，同時降低了大體積混凝土的絕熱溫升和干縮，提高了抗裂性、體積穩(wěn)定性和耐久性等，并使混凝土具有良好的施工和易性和經(jīng)濟性。3、混凝土的抗凍性能混凝土抗凍性是混凝土耐久性的主要指標(biāo)。烏鞘嶺隧道地處高寒、高海拔地區(qū)，為了增強混凝土對環(huán)境水的凍

8、脹作用、風(fēng)化侵蝕等因素的抵抗能力，提高混凝土耐久性，對烏鞘嶺工程混凝土提出較高抗凍性要求。3.1、實現(xiàn)高抗凍性的技術(shù)措施在進行配合比設(shè)計時，通過降低水膠比、摻用引氣劑、摻用級粉煤灰、降低用水量等綜合措施來提高混凝土的抗凍耐久性。3.1.1選用低水膠比。水膠比是影響混凝土強度和耐久性的重要因素，水膠比越大，混凝土的孔隙率越大，強度越低，耐久性越差。3.1.2摻用引氣型復(fù)合外加劑?？梢砸虢Y(jié)構(gòu)合理的微細氣泡，并控制含氣量在4.0%4.5%范圍內(nèi)，來保證混凝土的抗凍性。3.1.3摻用級粉煤灰。由于其微珠效應(yīng)及減水效果，能降低混凝土用水量，改善混凝土工作性及混凝土的孔結(jié)構(gòu)。3.2、試驗方法試驗依據(jù)普通

9、混凝土長期性能和耐久性能試驗方法 （GBJ8285）規(guī)定的“慢凍法”進行試驗，其步驟如下：試件在28天齡期時進行凍融試驗。試驗前4天應(yīng)把凍融試件從養(yǎng)護地點取出，將凍融試件放入1520水中浸泡4天后進行凍融試驗。 抗凍試驗凍結(jié)時溫度應(yīng)保持在15-20，每次從裝完試件到重新降至15所需的時間不應(yīng)超過2小時。冷凍箱（室）內(nèi)溫度均以其中心處溫度為準(zhǔn)。每次循環(huán)中試件的凍結(jié)時間應(yīng)按其尺寸而定，對100×100×100毫米及150×150×150毫米試件的凍結(jié)時間不應(yīng)小于4小時，對200×200×200毫米試件不應(yīng)小于6小時。 凍結(jié)試驗結(jié)束后，試件

10、即可取出并應(yīng)立即放入能使水溫保持在1520的水槽中進行融化。試件在水中融化的時間不應(yīng)小于4小時。融化完畢即為該次凍融循環(huán)結(jié)束，取出試件送入冷凍箱進行下一次循環(huán)試驗。 對凍融試件進行外觀檢查。發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重破壞時應(yīng)進行稱重，如試件的平均失重率超過5%，即可停止其凍融循環(huán)試驗混凝土凍融試驗后應(yīng)按下式計算其強度損失率。 式中： fcN次凍融循環(huán)后的混凝土強度損失率，以3個試件的平均值計算(%)；fco對比試件的抗壓強度平均值（MPa）； fcn經(jīng)N次凍融循環(huán)后的三個試件抗壓強度平均值（MPa）； 混凝土試件凍融后的重量損失率可按下式計算： 式中：nN次凍融循環(huán)后的重量損失率，以3個試件的平均值計算(%)

11、； Go凍融循環(huán)試驗前的試件重量（kg）； GnN次凍融循環(huán)后的試件重量（kg）； 3.2、試驗結(jié)果分析混凝土的抗凍等級，以同時滿足強度損失率不超過25%，重量損失率不超過5%時的最大循環(huán)次數(shù)來表示?；炷敛捎寐齼龇ǖ脑囼灁?shù)據(jù)見表2?；炷羶鋈谠囼灁?shù)據(jù)表 表2編號強度等級水膠比粉煤灰摻量（%）水泥用量（kg）用水量（kg）抗凍試驗抗凍等級強度損失（%）重量損失（%）1C300.4525325180>D2505.650.882C250.5025305175>D2007.830.753C300.4030315175>D2505.870.684C250.4530300180>

12、D2006.560.92根據(jù)以上室內(nèi)試驗研究及施工現(xiàn)場實際應(yīng)用,從試驗結(jié)果看，在達到要求的抗凍等級時其評定指標(biāo)強度損失率及重量損失率還有很大的富余，可以判斷襯砌混凝土凍融循環(huán)可達200次以上，由此可見烏鞘嶺工程混凝土具有高抗凍耐久性。4、抗硫酸鹽侵蝕性能環(huán)境水中的硫酸鹽與水泥中的Ca(oH)2及水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)，就會對水泥產(chǎn)生侵蝕，反應(yīng)生成物二水石膏和水化硫鋁酸鈣，其體積均較原化合物體積大，因而會引起混凝土的膨脹與開裂，受硫酸鹽侵蝕的表面呈稍白的特征色，工程實踐證明，采用C3A含量低的水泥可減輕硫酸鹽對混凝土的侵蝕。4.1侵蝕性判定抽取隧道內(nèi)天然環(huán)境水進行水質(zhì)分析，測定硫酸根離子的濃度，依據(jù)

13、鐵路混凝土與砌體工程施工規(guī)范（TB10210-2001）附錄C,進行侵蝕性判定。測定數(shù)據(jù)見表3環(huán)境水對混凝土侵蝕性判定數(shù)據(jù) 表3侵蝕類型環(huán)境條件特征硫酸根離子濃度（mg/L）判定結(jié)果硫酸鹽侵蝕地質(zhì)條件水質(zhì)PH值硫酸鹽侵蝕含鹽地層7.531079依據(jù)鐵路混凝土與砌體工程施工規(guī)范（TB10210-2001）該硫酸鹽侵蝕為中等侵蝕4.2、采取的技術(shù)措施根據(jù)鐵路混凝土與砌體工程施工規(guī)范（TB10210-2001）的規(guī)定，采取下列技術(shù)措施：4.2.1、嚴(yán)格限制所使用普通硅酸鹽水泥C3A含量，控制指標(biāo)為：C3A含量小于8%。4.2.2、摻用25%的級粉煤灰。4.2.3、摻加高性能復(fù)合防水防蝕劑。4.2.4

14、、在混凝土配合比的設(shè)計中，最大水膠比小于0.45，最小水泥用量不低于330kg/m3,抗?jié)B等級大于P8。4.3、試驗方法：取隧道內(nèi)天然環(huán)境水作為侵蝕液，參照水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法（GB242081）有關(guān)規(guī)定制作試件，每組配合比分別成型二組試件，標(biāo)養(yǎng)24小時脫模后，再經(jīng)50的熱水快養(yǎng)7天，然后分別放進標(biāo)養(yǎng)室中，并用工程環(huán)境水(侵蝕水)進行浸泡。為了更符合工程環(huán)境水(地下流動水)侵蝕的實際情況,試件在天然環(huán)境水浸泡過程中,每天一次用1N硫酸滴定以中和試件在溶液中析出的氫氧化鈣，并用攪拌器不斷攪拌，使溶液流動。標(biāo)養(yǎng)試件28天及在天然環(huán)境水中浸泡28天后，進行抗折試驗。4.4、試驗數(shù)據(jù)：見表44

15、.5、結(jié)果分析：從表2中看出，空白的普通水泥膠砂,在天然環(huán)境水中浸泡28天后，耐蝕系數(shù)為0.57，摻加粉煤灰和防水防腐劑的水泥膠砂，耐蝕系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增大而提高，從強度發(fā)展考慮,粉煤灰最佳摻量為1525%為宜，防水防蝕劑摻量為5%，耐蝕系數(shù)達到1，說明不受侵蝕，強度發(fā)展同標(biāo)養(yǎng)試件一樣繼續(xù)增長。如單摻粉煤灰，摻量達到35%，耐蝕系數(shù)也能滿足要求，但強度發(fā)展很慢，對結(jié)構(gòu)強度不利。5、 混凝土碳化性能及鋼筋銹蝕試驗烏鞘嶺隧道襯砌混凝土有部分是鋼筋混凝土，必須考慮混凝土的碳化和鋼筋銹蝕問題。5.1、碳化性能試驗混凝土的碳化是指混凝土內(nèi)水泥石中Ca（OH）2與空氣中的CO2時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Ca

16、CO3和H2O。減弱了對鋼筋的保護作用，增加混凝土的收縮，降低混凝土的抗拉、抗折強度及抗?jié)B能力。5.1.1試驗數(shù)據(jù)：優(yōu)化的鋼筋混凝土水膠比均不大于0.45，粉煤灰摻量均不大于25，碳化試驗結(jié)果見表5。不同摻量的粉煤灰、防水防蝕劑與水泥膠砂耐蝕試驗情況表 表4 編號配合比灰:砂粉煤灰摻量C×%防水防蝕劑摻量C×%膠漿流動度mm水灰比W/C耐 蝕 試 驗 結(jié) 果試件在標(biāo)養(yǎng)室中養(yǎng)護28天試驗抗折強度(MPa)試件在侵蝕水中浸泡28天試驗抗折強度(MPa)耐蝕系數(shù)K抗?jié)B等級1:2.5001170.507.24.10.57>P122"1001170.506.04.70

17、.78>P123"1051190.457.56.20.83>P124"1501170.505.64.60.82>P125"1551180.457.87.81.00>P126"1581160.409.19.21.01>P127"2051180.457.98.01.01>P128"2551190.458.18.31.02>P129"3001170.525.34.70.89>P1210"3051180.446.56.91.06>P12注：表中外加劑為BR2防水防蝕劑；

18、甘肅壽鹿山低堿42.5R普通硅酸鹽水泥；蘭州西固電廠級粉煤灰。 混凝土碳化性能試驗數(shù)據(jù) 表5編號強度等級水膠比粉煤灰參量（%）碳化深度（mm）3d7d14d28d1C300.40252.66.78.613.42C250.45253.17.38.514.35.1.2結(jié)果分析：碳化試驗結(jié)果表明，28d最大的碳化深度僅1.43cm，而襯砌混凝土保護層厚度一般約為56cm。從保護層厚度及碳化的速率看，混凝土具有優(yōu)良的碳化性能。5.2、鋼筋銹蝕試驗5.2.1試驗原理：在正常情況下,水泥混凝土中埋設(shè)的鋼筋,其表面能自然生成保護膜,叫鈍化膜。電化學(xué)測試,通過測量通電后(陽極)的電位變化,可定性的判斷鋼筋在混

19、凝土中鈍化膜的好壞來比較混凝土對鋼筋銹蝕陽極過程的影響。5.2.2試驗數(shù)據(jù)：采用不同摻量外加劑的水泥砂漿分別成型試件進行電化學(xué)法測試鋼筋銹蝕的結(jié)果，見表6。 鋼筋銹蝕試驗數(shù)據(jù) 表6時間陽 極 電 位 ( mv )編號01/212345710151#樣-3624305566596766796836866906942#樣-361442539657678684689692696699注:表中1#樣是普通水泥加粉煤灰加防水防蝕劑;2#樣是空白普通水泥。5.2.3結(jié)果分析：從表3看出電極通電后，在2min時，電極電位超過650mv，并且經(jīng)過15min時，電位并末下降，且還有上升，認為此電極是鈍化電極，判

20、定該2組試件本身都不會對鋼筋有銹蝕作用。6 抑制堿骨料反應(yīng)堿骨料反應(yīng)是混凝土耐久性的又一項重要指標(biāo)，當(dāng)水泥中的堿（Na2o和K2o）與活性集反應(yīng)時，將在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹而導(dǎo)致開裂，使混凝土失去整體性，其危害十分嚴(yán)重，被稱為“癌癥”。6.1.1骨料堿活性評定對骨料堿活性的評定，至今國際上尚無一個一致認可的普遍方法。參照國內(nèi)外有關(guān)檢驗骨料堿活性的試驗規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，采用巖相分析法、砂漿長度法以及快速砂漿棒檢驗，并用顯微鏡觀察反應(yīng)產(chǎn)物，評定骨料為具有潛在堿活性骨料。6.1.2嚴(yán)格堿含量的控制指標(biāo)由于烏鞘嶺工程特殊重要地位，從長期耐久性考慮，除摻用I級粉煤灰抑制堿骨料反應(yīng)措施外，又對混凝土原材料的堿含量和混凝土總堿量進行了嚴(yán)格限制，具體限制指標(biāo)列于表7。 堿含量控制指標(biāo) 表7控制項目控制指標(biāo)實測平均值42.5R水泥0.5%0.45%級粉煤灰2.0%1.70%減水劑5.0%4.23%混凝土3.0kg/m32.48kg/m3（最大值）這些控制指標(biāo)都相應(yīng)嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)規(guī)定，從現(xiàn)場檢測結(jié)果看，原材料堿含量遠低于控制指標(biāo)，水泥堿含量只有0.45%左右，粉煤灰堿含量只有1.7%左右，而以最不利情況：即原材料以最大堿含量及混凝土以最高強度