肖立波

(中鐵二局 工程測(cè)試中心，成都 610031)

自上世紀(jì)90年代開始，國(guó)內(nèi)在公路、鐵路等瓦斯隧道工程中，開始研究使用氣密性混凝土防止瓦斯突出技術(shù)。其中在華鎣山公路隧道、上清河鐵路隧道、渝遂路大學(xué)城(梨樹灣)隧道均成功地運(yùn)用了該技術(shù)，即利用在混凝土中添加礦物摻和料、外加劑等配制氣密性混凝土，實(shí)際應(yīng)用效果很好，能夠達(dá)到封閉瓦斯、防水及防腐的目的。另一方面，隨著我國(guó)鐵路、公路建設(shè)的迅速發(fā)展，其中通過煤層的高瓦斯隧道工程會(huì)越來越多，氣密性混凝土試配設(shè)計(jì)及施工技術(shù)在近年還會(huì)有很大的發(fā)展。本文著重介紹用正交試驗(yàn)方法選定氣密性混凝土配合比的過程。

1 氣密性混凝土的技術(shù)要求

水灰(膠)比是控制混凝土密實(shí)性的主要因素，有關(guān)試驗(yàn)資料表明，水泥漿孔隙率超過20% ～30%時(shí)，硬化后的水泥漿滲透系數(shù)將急劇變大，因此水灰比的控制，對(duì)混凝土的抗?jié)B性有著極其重要的作用。目前，對(duì)于氣密性混凝土的水灰比限值尚未明確界定，根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ042—94)關(guān)于抗?jié)B混凝土的規(guī)定及瓦斯隧道施工相關(guān)試驗(yàn)資料，氣密性混凝土的水灰比應(yīng)不大于0.55，坍落度宜控制在160～200 mm范圍，抗壓強(qiáng)度等級(jí)不低于 C20、抗?jié)B等級(jí)不低于 P8，透氣系數(shù) K ＜1×10－11cm/s。

有關(guān)資料表明，混凝土對(duì)瓦斯的氣密性和對(duì)空氣的氣密性大體屬于同一數(shù)量級(jí)(瓦斯包括烴類氣體(甲烷等)、CO2、CO、H2S等在內(nèi)的有害氣體，甲烷含量約占80%)，所以可以采用測(cè)定混凝土對(duì)空氣的氣密性來間接評(píng)估對(duì)瓦斯的氣密性。對(duì)于測(cè)定方法及評(píng)估指標(biāo)，目前常用的有定壓法和變壓法。定壓法是保持工作壓力不變，測(cè)定一定量流體透過試件需要的時(shí)間或在一定時(shí)間內(nèi)流體透過試件的數(shù)量作為氣密性衡量指標(biāo)，按前蘇聯(lián)及日本的測(cè)試裝置，氣密性采用透氣系數(shù)即在定壓條件下，以氣體在單位時(shí)間內(nèi)，于單位面積上的滲流量表示。

2 氣密性混凝土原材料實(shí)測(cè)指標(biāo)

1)水泥

四川亞東水泥公司生產(chǎn)的“洋房”牌 P.O42.5R水泥，實(shí)測(cè)28 d抗壓強(qiáng)度為44.7 MPa，所檢指標(biāo)均滿足GB175—2007標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)粗骨料

周家鎮(zhèn)石子，規(guī)格5～20 mm和16.0～31.5 mm兩級(jí)配的碎石，摻配比例為20%∶80%，摻配后級(jí)配滿足5.0～31.5 mm連續(xù)級(jí)配要求，含泥量為0.5%，針片狀含量為7.2%。所檢指標(biāo)均符合 GB/T14685—2001標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

3)細(xì)骨料

細(xì)骨料對(duì)混凝土的氣密性影響很大，含細(xì)粉過多會(huì)增大混凝土的收縮，對(duì)細(xì)骨料的級(jí)配及粉塵含量必須嚴(yán)格控制，選用彭州河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，實(shí)測(cè)含泥量為2.0%。所檢指標(biāo)均符合GB/T14684—2001中Ⅱ類砂標(biāo)準(zhǔn)。

4)磨細(xì)礦渣粉

成都混凝土新建材有限公司生產(chǎn)的S75級(jí)磨細(xì)礦渣粉，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表1。

5)氣密劑

四川眉山永江工貿(mào)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FOS型氣密性防腐劑，廠家推薦摻量4% ～8%，減水率約為16%，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表2，另對(duì)鋼筋無腐蝕作用。

6)拌合用水

飲用水，滿足混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)。

表1 S75級(jí)磨細(xì)礦渣粉檢測(cè)結(jié)果

表2 氣密性防腐劑檢測(cè)結(jié)果

3 氣密性混凝土設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ 55—2000;《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》TB 10120—2002;《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》JTJ042—94。

3.2 設(shè)計(jì)原理

在混凝土中摻入適量的礦物外摻料、氣密性防腐劑等材料，這樣配制的混凝土即為氣密性混凝土。氣密性混凝土正是利用礦物外摻料、氣密性防腐劑的活性和微粒填隙機(jī)能，改善硬化混凝土微觀和亞微觀結(jié)構(gòu)，使混凝土中的空隙率降低，孔結(jié)構(gòu)細(xì)化并減少貫通性毛細(xì)孔數(shù)量;從而提高其密實(shí)度、抗?jié)B性和耐腐蝕性，達(dá)到封閉瓦斯、防水及防腐的目的。

3.3 設(shè)計(jì)思路

1)在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)前先對(duì)擬用原材料進(jìn)行篩選鑒定試驗(yàn)，確保配合比所用原材料的質(zhì)量;

2)配合比設(shè)計(jì)采用L9(34)正交設(shè)計(jì)方案，通過正交試驗(yàn)成果分析各方面影響因素，最后確定一個(gè)最佳的配合比。

3.4 配合比設(shè)計(jì)參數(shù)確定

1)試配強(qiáng)度 fcu，o=fcu，k(抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)+1.645σ=33.2 MPa(設(shè)計(jì)混凝土等級(jí)為C25;σ為標(biāo)準(zhǔn)差，取 5.0 MPa。)

2)水膠比 W/C=αa×fce/fcu，o+αa× αb× fce=0.59(其中:αa、αb為回歸系數(shù)，αa為 0.46，αb為0.07;fce為水泥實(shí)測(cè)28 d抗壓強(qiáng)度)。

為滿足混凝土抗?jié)B等級(jí)及氣密性能要求，基準(zhǔn)水膠比確定為 0.52，選用 0.03間隔分別試配 0.52，0.49，0.55三個(gè)配合比。

3)砂率 為滿足混凝土的可泵性，砂率選用45%。

4)單方用水量 根據(jù) JGJ55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》混凝土用水量按坍落度及粗集料規(guī)格查表及多次試拌，最終確定摻加氣密劑后用水量為185 kg/m3。

5)外加劑及外摻料摻量 ①FOS型氣密性防腐劑選用廠家推薦的摻量范圍內(nèi)的三個(gè)摻量:4%，6%，8%，采用內(nèi)摻等量取代水泥;②S75級(jí)磨細(xì)礦渣粉選用16%，18%，20%三個(gè)摻量，采用內(nèi)摻等量取代水泥。

3.5 確定正交試驗(yàn)方案

采用L9(34)正交試驗(yàn)方案，選用水膠比(A)、氣密劑摻量(B)、礦粉摻量(C)三個(gè)因素，因素水平表見表3，相應(yīng)的正交試驗(yàn)方案見表4。

表3 因素水平

表4 L9(34)正交試驗(yàn)方案

4 氣密性混凝土拌合及透氣系數(shù)試驗(yàn)操作要點(diǎn)

4.1 氣密性混凝土拌合

試驗(yàn)混凝土的拌合采用SJD-60型強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行兩次投料攪拌。先加水泥、礦粉、氣密劑和砂干拌1.5 min，達(dá)到攪拌料顏色均勻后，再加入石子及水?dāng)嚢?.0 min，經(jīng)驗(yàn)證攪拌效果較好，拌合物均勻無離析現(xiàn)象。

4.2 透氣系數(shù)測(cè)試

4.2.1 試件制作

試件為上口直徑175 mm、下口直徑185 mm、高150 mm的截頭圓錐形試件，成型方法及使用試模均同抗?jié)B混凝土試件。一組試件為6個(gè)。試件成型靜置24 h后拆模，用鋼絲刷將上下端面的水泥膜刷除干凈，移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，然后在室內(nèi)自然氣干14～28 d，使試件濕度與大氣充分平衡。

4.2.2 測(cè)試裝置

氣密性試驗(yàn)采用的是下進(jìn)氣法測(cè)試，測(cè)試裝置由天津建筑儀器廠生產(chǎn)的HP4.0型自動(dòng)加壓抗?jié)B儀改裝而成。即在原抗?jié)B儀基礎(chǔ)上增加空壓機(jī)和氣壓計(jì)，將抗?jié)B儀的儲(chǔ)水罐改為儲(chǔ)氣罐，氣壓計(jì)用帶有刻度的“U”形透明玻璃管裝入適量的水，空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐和抗?jié)B儀之間用高壓風(fēng)管連接，抗?jié)B儀和氣壓計(jì)之間用軟膠管連接。

4.2.3 試件測(cè)試

在測(cè)試之前，先將試件側(cè)面雜物清除干凈，再裹上加熱后的石蠟。然后將試件放到預(yù)熱至55℃左右的試模中，將試件帶模一起小頭朝下迅速放到壓力試驗(yàn)機(jī)的承載板上，并在試件上放一個(gè)φ175 mm事先準(zhǔn)備好的承壓鋼板，緩慢加壓至25 kN穩(wěn)壓4 min后將壓力慢慢降低至零，如試件已基本穩(wěn)定，將試件連同試模一起取下。檢查試件與試模之間的密封質(zhì)量，方法是將試件(模)安裝到測(cè)試儀上，在試件與試模間涂抹少量的肥皂水，然后開氣閥加壓到0.6 MPa，檢查是否有氣泡從試件四周冒出。檢驗(yàn)合格后，即可進(jìn)行試驗(yàn)。

測(cè)試步驟:

1)在抗?jié)B儀上安裝好測(cè)試試件。

2)打開氣閥，將氣壓控制在0.3 MPa，穩(wěn)壓6 h。

3)將氣壓計(jì)的軟管與頂蓋的出氣管連通，開始測(cè)讀透氣量，然后每間隔30 min測(cè)讀一次，直至連續(xù)兩次的透氣量讀數(shù)差不大于平均值的10%時(shí)為止，取兩次透氣量平均值作為該試件的0.5 h透氣量。若透氣量很大，也可以按透氣量達(dá)到某一固定值時(shí)所需要的時(shí)間控制，連續(xù)兩次的時(shí)間差也應(yīng)控制在平均值的10%以內(nèi)，取其平均值作為該試件的透氣時(shí)間，計(jì)算出該測(cè)試壓力下單位時(shí)間的透氣量。然后繼續(xù)提高壓力，穩(wěn)壓6 h后，繼續(xù)測(cè)試。

4)在測(cè)試過程中如發(fā)現(xiàn)透氣量突然增大時(shí)，應(yīng)卸壓后重新檢查密封情況，必要時(shí)需重新測(cè)定。

4.2.4 透氣系數(shù)計(jì)算

以混凝土在一定壓力、一定時(shí)間內(nèi)的透氣總量計(jì)算其透氣系數(shù)K，以K來評(píng)定混凝土的氣密性，在每組試件的透氣量Q的結(jié)果中舍去最大和最小值，按下式計(jì)算透氣系數(shù)K值:

式中，P1為施壓一側(cè)氣體壓力(MPa);P2為透氣壓力(MPa);Q為單位時(shí)間透氣量(cm3/s)，Q=［(L1－L2)/ΔT］× (πd2/4)(ΔT為測(cè)試時(shí)間差，d為氣壓計(jì)玻璃管直徑);γa為空氣重度，取1.205×10－5N/cm3;A為透氣面積(cm2);L為試件厚度(cm)。

5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)正交試驗(yàn)，各配合比混凝土物理及力學(xué)性能指標(biāo)見表5。

正交成果趨勢(shì)圖如圖1所示。

經(jīng)過分析，得出以下結(jié)論:

1)隨著水膠比的降低，混凝土抗壓強(qiáng)度增大，混凝土透氣系數(shù)降低;

2)礦粉的摻量變化對(duì)混凝土的強(qiáng)度及透氣系數(shù)影響很小;

3)氣密劑的摻量對(duì)強(qiáng)度及透氣系數(shù)影響較大，隨著摻量的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度和透氣系數(shù)均降低，而氣密劑的摻量為最低時(shí)混凝土的流動(dòng)性稍差。

綜合以上分析，考慮混凝土強(qiáng)度、透氣系數(shù)和和易性因素，經(jīng)過多次試拌，最終確定A3B2C1配比為選用的最佳理論配合比。

圖1 正交試驗(yàn)成果趨勢(shì)

6 應(yīng)用驗(yàn)證

采用選定的A3B2C1配合比在四川都江堰至汶川公路董家山隧道工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行氣密性混凝土施工，經(jīng)取樣檢測(cè)，各方面指標(biāo)均滿足要求。試驗(yàn)指標(biāo)匯總見表6。

表6 現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)結(jié)果匯總

7 結(jié)語

1)氣密混凝土施工必須嚴(yán)把原材料質(zhì)量關(guān)，確保原材料質(zhì)量穩(wěn)定。

2)采用S75級(jí)礦粉、氣密劑，通過優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)，可配制出滿足要求的氣密性混凝土。

3)氣密劑摻量是氣密性混凝土設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本項(xiàng)目所確定的FOS型氣密性防腐劑最佳摻量為6%。

4)氣密混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)必須嚴(yán)格按規(guī)定投料順序和攪拌時(shí)間進(jìn)行拌制，澆注時(shí)特別注意施工縫處理，加強(qiáng)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)工作。

［1］趙鐵軍.混凝土滲透性［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［2］王永海，柯國(guó)炬，李北星，等.配制高性能粉煤灰隧道混凝土的正交試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2009(2):52-55.

［3］王有德，宋平興.氣密性混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)技術(shù)分析［J］.山西建筑，2003(15):50-51

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.

［5］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ55—2000 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.