賈 飛，李麗寧，杜 森，湯建華，趙 翔，杜 君

(1.中交路橋華北工程有限公司，北京 101100； 2.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著我國公路、鐵路、軌道交通的快速發(fā)展，修建隧道成為施工過程中克服特殊地形地貌形成的高程障礙和平面障礙優(yōu)先選擇。二次襯砌混凝土在內(nèi)層噴射混凝土和中間層防水膜施工完成后澆筑，作為隧道防水工程的最后一道防線，其對(duì)隧道外觀、安全起著決定性作用[1]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過一半的隧道存在襯砌混凝土滲漏水情況，特別是當(dāng)隧道處于高地下水位、腐蝕性水環(huán)境或其他復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，混凝土更易出現(xiàn)抗?jié)B性降低，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋銹蝕等耐久性問題[2]。此外，附近隧道爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)能量也可能對(duì)新澆筑的二次襯砌混凝土造成不同程度的損傷，破壞混凝土密實(shí)程度，增大孔隙率，最終劣化混凝土抗?jié)B性[3]。更為嚴(yán)峻的是，二次襯砌混凝土在隧道建設(shè)中屬于大體積混凝土，在其自身收縮應(yīng)力和外部荷載徐變應(yīng)力的雙重作用下，易產(chǎn)生抗?jié)B性下降、開裂等不良現(xiàn)象[4-5]，給隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性及安全性帶來嚴(yán)重危害。

近年來，具有火山灰活性的粉煤灰材料被廣泛應(yīng)用于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土中，在降低生產(chǎn)能耗的同時(shí)，可改善混凝土密實(shí)性，進(jìn)而提高襯砌結(jié)構(gòu)抗?jié)B性[6]。華亮等[7]研究發(fā)現(xiàn)加入15%粉煤灰并未顯著降低混凝土抗壓強(qiáng)度，反而通過改善其孔結(jié)構(gòu)提高了混凝土抗?jié)B性。安楓壘[2]通過在二次襯砌混凝土中摻加30%的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)粉煤灰的微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)不僅提高了混凝土抗?jié)B性，還補(bǔ)償了混凝土部分收縮。吳定略等[1]在隧道二次襯砌自密實(shí)混凝土中摻入10%～35%的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)摻入粉煤灰提高了自密實(shí)混凝土流動(dòng)性、抗離析性和密實(shí)度，最終改善了隧道襯砌抗?jié)B性。由上述研究可知，在隧道工程實(shí)踐中，目前多數(shù)有關(guān)襯砌混凝土的研究將粉煤灰替代水泥的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)限定在30%以下[8]。而早在20世紀(jì)80年代，大摻量粉煤灰混凝土(粉煤灰摻量>50%甚至更高)已受到學(xué)者們的關(guān)注，并因其水化放熱低率先在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中得到了成功應(yīng)用[9]。已有研究表明[10]，大摻量粉煤灰混凝土中含有大量的工業(yè)副產(chǎn)品，不僅能大幅度減少生產(chǎn)成本，且可降低碳排放量，對(duì)環(huán)境更加友好。因此，越來越多的學(xué)者對(duì)大摻量粉煤灰混凝土力學(xué)性能、耐久性和水化進(jìn)程等方面給予了更多關(guān)注，揭示了其在實(shí)體工程中的應(yīng)用潛力[11-13]。

目前，將大摻量粉煤灰混凝土用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)中的研究較少見，基于隧道襯砌服役環(huán)境開展大摻量粉煤灰混凝土抗?jié)B性的研究更少。鑒于此，本文根據(jù)北京—秦皇島高速公路遵化—秦皇島B9標(biāo)段孤石峪隧道二次襯砌混凝土施工需求，采用普通硅酸鹽水泥和I級(jí)粉煤灰配制大摻量粉煤灰混凝土，通過與不摻粉煤灰的純水泥混凝土進(jìn)行對(duì)比，研究隧道二次襯砌大摻量粉煤灰混凝土力學(xué)性能、吸水性及氯離子滲透性，分析大摻量粉煤灰混凝土用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的可行性。

1 工程概況

北京—秦皇島高速公路遵化—秦皇島B9標(biāo)段孤石峪隧道位于河北省秦皇島市海港區(qū)石門寨鎮(zhèn)孤石裕村，隧道設(shè)計(jì)為上、下行分離的獨(dú)立雙洞形式，左洞起止樁號(hào)ZK139+478—ZK141+398，右洞起止樁號(hào)K139+483—K141+403，左右洞長度均為1 920m。隧道左、右洞縱坡均為-2.5%單向坡，最大埋深125.1m。圍巖等級(jí)以Ⅳ，Ⅴ級(jí)為主，地層呈復(fù)雜多變、強(qiáng)度低、自承能力差、富水性強(qiáng)等軟弱與極軟弱圍巖特征。對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮隧道所處環(huán)境中的水分及其搬運(yùn)的氯化物等化學(xué)介質(zhì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的腐蝕作用。

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料

試驗(yàn)原材料均由孤石峪隧道施工現(xiàn)場(chǎng)提供，包括P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、I級(jí)粉煤灰、機(jī)制砂、5～31.5mm連續(xù)級(jí)配碎石、緩凝型減水劑等。水泥和粉煤灰化學(xué)組成如表1所示，二者燒失量分別為2.7%，1.5%，采用激光粒度儀對(duì)水泥和粉煤灰粒徑分布進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。機(jī)制砂屬Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 618kg/m3。減水劑減水率為24.5%。

表1 水泥和粉煤灰化學(xué)組成

2.2 配合比設(shè)計(jì)

為更符合隧道實(shí)際工程情況，參考孤石峪隧道二次襯砌混凝土配合比，以未摻加粉煤灰的水泥混凝土作為對(duì)照組，水膠比為0.45，試件編號(hào)為PC。為提高早期強(qiáng)度，將大摻量粉煤灰混凝土設(shè)置較低的水膠比，為0.35，粉煤灰摻量為60%，試件編號(hào)為FA。大摻量粉煤灰混凝土和水泥混凝土配合比如表2所示，2組混凝土中減水劑摻量均為0.1%。

表2 混凝土配合比 (kg·m-3)

2.3 試件制備

依據(jù)表2稱取各原材料，參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，首先將粉煤灰、水泥和粗細(xì)骨料混合干拌1min，然后加入溶有減水劑的拌合水?dāng)嚢?min，攪拌完成后，立即進(jìn)行坍落度測(cè)試，最后進(jìn)行振動(dòng)成模?？箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試件均為100mm×100mm×100mm立方體試件，吸水性和氯離子滲透性試驗(yàn)采用直徑101.6mm、高203.2mm的圓柱體試件，每組均為3個(gè)試件。所有試件表面均覆蓋1層塑料薄膜，置于室溫環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24h，拆模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期?？箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試齡期包括3，7，14，28d。吸水性和氯離子滲透性試驗(yàn)齡期為28d。

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1強(qiáng)度測(cè)試

依據(jù)GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試。

2.4.2吸水性測(cè)試

混凝土吸水性由混凝土吸水速率進(jìn)行確定，首先將圓柱體混凝土試件中間部分切出50mm厚圓片形試件，然后放入溫度為60℃、真空度為84.6kPa的烘箱中烘干24h，以去除試件中的水分。試件冷卻至室溫后，將其上表面和側(cè)表面密封，放置于水中的鐵制支座上，確保僅下表面可接觸到水。

2.4.3氯離子滲透性試驗(yàn)

混凝土氯離子滲透性試驗(yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快速氯離子遷移法進(jìn)行。首先在圓柱體試件中間部分切出50mm厚圓片形試件(每個(gè)圓柱可切出2個(gè)圓片形試件)，試驗(yàn)正式開始前將圓片形試件浸泡在飽和石灰水中進(jìn)行真空飽水。試驗(yàn)過程中將可輸出穩(wěn)定電壓的電源連接試驗(yàn)裝置中的陰極和陽極，陰極電解液和陽極電解液分別采用10%的氯化鈉溶液和0.3mol/L的氫氧化鈉溶液。為保持電解液濃度，每次測(cè)試結(jié)束后均需將電解液進(jìn)行更換。測(cè)試結(jié)束后，將混凝土試件劈開，在其斷裂表面上噴0.1mol/L硝酸銀溶液，硝酸銀與氯離子發(fā)生反應(yīng)形成白色沉淀，進(jìn)而可測(cè)量氯離子滲透深度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度

混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，養(yǎng)護(hù)至28d的FA組混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為42.5，3.4MPa，與PC組混凝土強(qiáng)度接近。

由圖2a可知，齡期為3d時(shí)，F(xiàn)A組混凝土抗壓強(qiáng)度高于PC組混凝土，這是因?yàn)榇罅糠勖夯业拇嬖趯?dǎo)致混凝土中有效水灰比較高，使FA組混凝土水泥水化程度較高[14]。FA組混凝土早期(3～14d)強(qiáng)度發(fā)展較慢，導(dǎo)致其14d抗壓強(qiáng)度低于PC組混凝土，這是因?yàn)榉勖夯业幕鹕交曳磻?yīng)在3～14d時(shí)較慢[15]，造成FA組混凝土中僅有較少的水化產(chǎn)物，進(jìn)而對(duì)抗壓強(qiáng)度造成影響。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，F(xiàn)A組混凝土后期(14～28d)強(qiáng)度增長速度提高，28d抗壓強(qiáng)度已與PC組混凝土相近。文獻(xiàn)[16]中也發(fā)現(xiàn)了相似趨勢(shì)，由于粉煤灰發(fā)生了有效火山灰反應(yīng)，F(xiàn)A組混凝土與PC組混凝土抗壓強(qiáng)度之間的差距逐漸縮小。尤其是養(yǎng)護(hù)后期，粉煤灰火山灰反應(yīng)加快，有利于混凝土后期抗壓強(qiáng)度發(fā)展。

由圖2b可知，F(xiàn)A組混凝土早期(3～14d)劈裂抗拉強(qiáng)度較PC組混凝土高，而28d劈裂抗拉強(qiáng)度較PC組混凝土略低，這說明摻入大摻量粉煤灰后，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展速度低于抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度，這是因?yàn)榇髶搅糠勖夯业膿饺胂魅趿嘶炷粱w與骨料之間的結(jié)合力。

3.2 吸水性

混凝土吸水性測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，2組混凝土單位面積吸水量在最初的6h內(nèi)均快速增長，1d后吸水量開始平穩(wěn)增長，且FA組混凝土吸水量低于PC組混凝土，這是因?yàn)榉勖夯翌w粒表面光滑，具有更強(qiáng)的滾珠效應(yīng)。結(jié)合粒徑分布曲線進(jìn)行分析，本試驗(yàn)I級(jí)粉煤灰粒徑在小粒徑范圍內(nèi)分布較集中，彌補(bǔ)了水泥在小粒徑范圍內(nèi)的缺失，并與水泥形成了較理想的連續(xù)級(jí)配，因此，粉煤灰的摻入相當(dāng)于優(yōu)化了混凝土孔結(jié)構(gòu)[17]。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，F(xiàn)A組混凝土吸水率為2.81%，而PC組混凝土吸水率為6.02%，這表明當(dāng)大摻量粉煤灰混凝土應(yīng)用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，其吸水性更小，因此抗?jié)B性更好。

將圖3數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，確定混凝土吸水性系數(shù)，如圖4所示，將最初6h內(nèi)線性擬合的斜率定義為初始階段吸水性系數(shù)，將2～8d線性擬合的斜率定義為第二階段吸水性系數(shù)。初始階段吸水性主要取決于混凝土孔結(jié)構(gòu)和干濕狀態(tài)，代表水填滿毛細(xì)孔的速率[18]。由圖4a可知，F(xiàn)A組混凝土初始階段吸水性系數(shù)為PC組混凝土的64%，明顯低于PC組混凝土，這是由于與PC組混凝土相比，F(xiàn)A組混凝土具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)和更優(yōu)異的孔結(jié)構(gòu)[19]，抗?jié)B性更強(qiáng)。

混凝土第二階段吸水性主要反映水分進(jìn)入混凝土大孔(尺寸大于毛細(xì)孔)中的速度和難易程度，在判斷混凝土是否達(dá)到臨界飽和狀態(tài)方面發(fā)揮了重要作用[18]。由圖4b可知，F(xiàn)A組混凝土第二階段吸水性系數(shù)較PC組混凝土高，說明摻入粉煤灰會(huì)增加混凝土達(dá)到水飽和狀態(tài)需要的時(shí)間。PC組混凝土第二階段吸水性主要反映大孔逐漸充滿水的過程，而此階段FA組混凝土中同時(shí)存在毛細(xì)孔飽水和大孔充滿水的過程，導(dǎo)致其第二階段吸水性系數(shù)較PC組混凝土高。這表明大摻量粉煤灰混凝土用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，可降低混凝土結(jié)構(gòu)的水飽和度。

3.3 氯離子滲透性

快速氯離子遷移試驗(yàn)可在較短時(shí)間內(nèi)確定氯離子在混凝土中的滲透性[20]。經(jīng)硝酸銀處理后的混凝土氯離子沉淀如圖5所示，圖中箭頭指示了氯離子滲透位置。由于混凝土試件中存在骨料，導(dǎo)致氯離子滲透模式并不是呈直線平行遷移。

FA組混凝土在試驗(yàn)過程中施加的電壓為25V，氯離子滲透深度為6.40mm，PC組混凝土施加的電壓僅為10V，但氯離子滲透深度為13.89mm，可知FA組混凝土雖施加的電壓較高，但氯離子滲透深度較小。試驗(yàn)過程中，混凝土試件施加的電壓對(duì)氯離子遷移系數(shù)有所影響[21]。試驗(yàn)開始時(shí)，對(duì)試件施加30V初始電壓，然后測(cè)量初始電流，以反映試件導(dǎo)電性能，并與混凝土滲透性建立聯(lián)系。若初始電流太高或太低，需對(duì)施加在試件上的電壓進(jìn)行調(diào)整，以獲得合理的電流和氯離子滲透深度。對(duì)于高滲透性混凝土來說，需調(diào)低施加的電壓，以防氯離子穿透試件。相反，對(duì)于低滲透性混凝土來說，需調(diào)高施加的電壓，以允許氯離子滲透足夠的深度，方便測(cè)量。本試驗(yàn)中FA組混凝土需施加的電壓更高，說明其有更低的滲透性，也證明了將粉煤灰應(yīng)用于隧道二次襯砌時(shí)，對(duì)降低混凝土氯離子滲透性是有益的。

2組混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)如表3所示。由表3可知，F(xiàn)A組混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)較PC組混凝土降低了83%，這是因?yàn)榛炷林械姆勖夯視?huì)發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成硅酸鈣凝膠[22]，加上粉煤灰中的鋁相會(huì)與氯離子發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化合物，使混凝土對(duì)氯離子的結(jié)合能力更強(qiáng)[23]。因此，摻加粉煤灰可降低自由氯離子含量，進(jìn)而提高混凝土對(duì)氯離子滲透的抵抗能力。在隧道二次襯砌混凝土中，氯離子擴(kuò)散系數(shù)的降低可使鋼筋混凝土使用壽命大幅度延長。

表3 混凝土快速氯離子遷移試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

1)粉煤灰摻量為60%的大摻量粉煤灰混凝土28d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為42.5，3.4MPa，與純水泥混凝土接近，滿足隧道二次襯砌混凝土強(qiáng)度要求，大摻量粉煤灰混凝土用于隧道二次襯砌是可行的。

2)與普通水泥混凝土相比，大摻量粉煤灰混凝土吸水率更低，初始階段吸水性系數(shù)更低，第二階段吸水性系數(shù)更高。當(dāng)大摻量粉煤灰混凝土用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，可提高混凝土抗?jié)B性，降低混凝土結(jié)構(gòu)水飽和度。

3)摻入粉煤灰可降低混凝土中自由氯離子含量，60%摻量的粉煤灰使混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)較水泥混凝土降低了83%，說明大摻量粉煤灰可提高二次襯砌混凝土對(duì)氯離子滲透的抵抗能力。綜合考慮混凝土強(qiáng)度、吸水性和氯離子滲透性試驗(yàn)結(jié)果，將大摻量粉煤灰摻入混凝土用于隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)中是可行的。