高性能防水防蝕混凝土在隧道的應用

　　針對隧道襯砌混凝土高抗滲性及高耐侵蝕性的特殊要求，結合施工現場實際，應用高性能混凝土配合比設計方法，通過雙摻技術，實現低水灰比、高耐久性，為在高海拔、高寒、強侵蝕環境下，地下工程混凝土的防水、防蝕作了有益的探索。

　　《精細化工中間體》(原名湖南化工)，《湖南化工》創刊于1971年，在湖南化工界具有廣泛的影響，在全國化工行業內也頗具知名度。自新聞出版系統對期刊實行兩年一次的級別評定以來，《湖南化工》一直2001年，在廣泛征求編委及有關專家意見的基礎上，《湖南化工》更名為《精細化工中間體》，其目的一是順應期刊發展趨勢，改變原綜合性期刊性質，向科技性、專業性期刊方向發展。

　　1、概況：

　　設計為兩座單線隧道，長20005m，線間距40m，線路坡度主要為11‰的單面下坡，最大埋深1100米。隧道通過地區海拔2900—3600米，氣候垂直分帶明顯，氣候寒冷，日溫差大，冰凍時間長。隧道地質結構十分破碎，地下水豐富，并具有強硫酸鹽侵蝕，因此，二次襯砌設計采用防水混凝土，兼具高抗侵蝕性，實現隧道襯砌不滲、不漏、不裂。這就對混凝土配合比設計，混凝土耐久性能，混凝土施工工藝等方面提出更高要求。

　　2、方案分析論文

　　隧道處于高寒、高海拔地區，襯砌混凝土由于與地下水相接觸，受到水中硫酸根離子、氯離子的物理化學作用，同時由于高寒凍融作用，易使混凝土耐用年限大大縮短，易出現混凝土剝落、開裂、露筋、滲漏等現象，因此，配制的混凝土除滿足強度及拌和物和易性等要求外，尚應根據結構物的具體施工實際，具有抗滲性、抗蝕性、抗凍性、防止鋼筋銹蝕等混凝土耐久性能。

　　高性能混凝土是以高耐久性為目標而發展起來的，而高耐久性則突出體現在混凝土材料低滲透、低缺陷、高密實等方面。隧道襯砌混凝土受地下水和惡劣氣候環境侵蝕，突出體現在其高抗滲性及耐硫酸根離子侵蝕性能的要求，因此，必須采用高性能防水防蝕混凝土，選用優質混凝土外加劑、摻合料、粗細骨料，應用雙摻技術實現低水灰比，采取以下措施從根本上解決地下環境水對混凝土侵蝕問題：

　?、贀交钚运残該胶狭?如優質粉煤灰,可相應降低水泥石中游離氧化鈣的濃度,減輕混凝土中石膏的形成。

　?、趽郊犹胤N外加劑能夠發揮粉煤灰活性作用，通過減少混凝土單位用水量，實現低水灰比，增加混凝土密實度，使外界侵蝕水不能滲進混凝土內部，使混凝土內的氫氧化鈣不與外界侵蝕水接觸,從而就阻滯了環境水的侵蝕速度。

　　3、原材料選用：

　　3.1、水泥：是凝結硬化生長強度的基本材料。為確保低水膠比，并能使摻加的外加劑和摻合料達到改善混凝土的性能的目的，應優先選用早強型硅酸鹽水泥，以滿足每立方米混凝土相當的膠凝材料量及低水灰比的要求，水泥中的含堿量控制在0.5%以下。其各項性能指標應符合現行國家標準。

　　3.2、外加劑：采用山西建華BR-2增強防水防蝕劑(粉狀劑)。減水率大于18%，滲透高度比小于28%，抗蝕系數大于0.96(參照《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法(GB2420─81)》測定)，總堿含量0.4%，推薦摻量6—8%，混凝土強度：與基準試件相比，7d增加26%以上，28d增加15%以上。

　　3.3、細骨料：選用質地堅硬、級配良好的中砂，其細度模數為2.5～3.2之間為宜，含泥量應不超過2%。其它技術指標應符合《普通混凝土用砂質量標準及檢驗方法》(JGJ52—92)的規定。必須進行堿活性檢驗，確認無堿活性時方可使用。

　　3.4、粗骨料：選用質地堅硬、級配良好。骨料母材的抗壓強度應比所配制的混凝土強度高1倍以上，粒級范圍以5～31.5mm的連續級配為宜，含泥量不大于1%。其它技術指標應符合《普通混凝土用碎石質量標準及檢驗方法》(JGJ53—92)的規定。必須進行堿活性檢驗，確認無堿活性時方可使用。

　　3.5、粉煤灰：技術指標應符合《粉煤灰混凝土應用技術規范》(GBJ146—90)中對Ⅰ級粉煤灰的要求，細度(45μm方孔篩篩余)≤20%，需水量比≤105%，燒失量≤8%，三氧化硫含量≤3%。

　　3.6、拌合水：飲用水，PH值接近中性。

　　4、試驗分析：

　　通過室內試驗的方法測試已選定防水防蝕混凝土耐侵蝕效果、混凝土抗滲指標以及抗壓、抗拉強度、鋼筋銹蝕情況。

　　4.1、耐環境水侵蝕試驗

　　4.1.1試驗方法：取隧道內天然環境水作為侵蝕液，參照《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法》(GB2420─81)有關規定制作試件，每組配合比分別成型二組試件，標養24小時脫模后，再經50℃的熱水快養7天，然后分別放進標養室中，并用工程環境水(侵蝕水)進行浸泡。為了更符合工程環境水(地下流動水)侵蝕的實際情況,試件在天然環境水浸泡過程中,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。標養試件28天及在天然環境水中浸泡28天后，進行抗折試驗。

　　4.1.2試驗數據：見表2

　　4.1.3結果分析：從表2中看出，空白的普通水泥膠砂,在天然環境水中浸泡28天后，耐蝕系數為0.57，摻加粉煤灰和防水防腐劑的水泥膠砂，耐蝕系數隨著粉煤灰摻量的增大而提高，從強度發展考慮,粉煤灰最佳摻量為15～25%為宜，防水防蝕劑摻量為5%，耐蝕系數達到1，說明不受侵蝕，強度發展同標養試件一樣繼續增長。如單摻粉煤灰，摻量達到35%，耐蝕系數也能滿足要求，但強度發展很慢，對結構強度不利。

　　4.2、鋼筋銹蝕試驗:

　　4.2.1試驗方法：在正常情況下,水泥混凝土中埋設的鋼筋,其表面能自然生成保護膜,叫鈍化膜。電化學測試,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。

　　4.2.2試驗數據：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法測試鋼筋銹蝕的結果，見表3。

　　表3電化學法測試鋼筋銹蝕結果

　　時間 陽極電位(mv)

　　編號 0 1/2 1 2 3 4 5 7 10 15

　　1#樣 -362 430 556 659 676 679 683 686 690 694

　　2#樣 -361 442 539 657 678 684 689 692 696 699

　　注:表中1#樣是普通水泥加15%粉煤灰加5%防水防蝕劑;2#樣是空白普通水泥。

　　4.2.3結果分析：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，判定該2組試件本身都不會對鋼筋有銹蝕作用。

　　4.3、混凝土抗壓、抗滲性能試驗:

　　本試驗主要針對烏鞘嶺襯砌混凝土的技術要求進行試驗。

　　4.3.1混凝土技術指標：抗壓強度等級滿足C25;強度正態分布保證率≥95%;混凝土水灰比控制≤0.45;混凝土抗滲等級≥P8;混凝土拌合物和易性滿足長距離大坍落度泵送要求，混凝土拌合物坍落度18～20cm。

　　4.3.2試驗數據：見表4。

　　表4防水防蝕混凝土抗壓強度、抗滲等級對比試驗數據

　　強度等級 試驗批號 配合比

　　(水泥:砂:碎石) 坍落度

　　mm 防水防腐劑

　　摻量/% 粉煤灰

　　摻量/% 抗壓強度

　　/MPa 抗滲等級

　　/MPa 齡期

　　/d

　　C25 A0 1:2.72:3.21 190 0 0 26.2 >0.6 28

　　A1 1:2.72:3.21 190 5 15 35.6 >1.8 28

　　4.3.3試驗結論：在同樣配合比、坍落度基本相同情況下，摻粉煤灰15%和5%的高效減水劑，混凝土28天抗壓強度滿足配制強度要求，達到35.6MPa)，28天齡期抗滲等級大于18。而空白混凝土，28天抗壓強度26.2MPa，沒有達到配制強度要求,而抗滲指標也很低。

　　5、現場施工情況論文

　　5.1在室內大量試驗論證的基礎上，確定使用甘肅.壽鹿山牌低堿42.5R普通硅酸鹽水泥，摻5%BR—2型增強防水防蝕劑和15%的Ⅱ級粉煤灰雙摻配制低水灰比(W/C=0.43)的防水防蝕混凝土，2009年5月開始用于隧道進口段襯砌混凝土。

　　5.2混凝土施工質量情況

　　以YDK164+150-YDK164+450段襯砌為例，圍巖類別Ⅳ級，襯砌厚度35cm,設計強度等級C25，現場制作混凝土檢查試件60組,其中抗壓試件48組，抗滲試件12組，抗壓試件標準養護28天，抗滲試件標準樣護30天，對該批混凝土強度進行檢驗評定：樣本均值X=31.2;標準離差S=2.0;變異系數CV=0.10;正態分布保證率P=98%，抗滲等級均大于18。以上技術指標完全符合設計、規范質量要求，取得了較好的施工效果。

　　6、總結

　　6.1針對隧道襯砌混凝土高抗滲性及高耐侵蝕性的特殊要求，結合施工現場實際，引入高性能混凝土配合比設計方法，應用雙摻技術實現低水灰比、高耐久性，解決了技術上的難題，為在高海拔、高寒、強侵蝕環境下，地下工程混凝土的防水、防蝕作了有益的探索，取得了明顯的經濟及社會效益。

　　6.2施工實踐證明，不增加工程成本，通過選用優質混凝土外加劑、摻合料、粗細骨料，優化混凝土配比設計，將水灰比控制在0.45以內，配制致密性防水、防蝕混凝土,抗環境水侵蝕系數達到K=1,抗滲指標S>18。且對鋼筋無銹蝕影響,其他性能指標也很好。

　　6.3摻加粉煤灰的混凝土，對后期強度發展有利。地下工程混凝土施工摻加粉煤灰,如配制28天齡期達到設計強度,則到90天或180天齡期,強度可發展到設計強度的150%以上。