公路隧道衬砌混凝土抗裂研究

袁正兵

(山西交通控股集团有限公司 太原市 030006)

0 引言

山区公路隧道投入使用后，来自勘探、设计与施工等因素的影响，会导致隧道衬砌发生开裂与渗水等质量问题，增加了运营期的安全隐患[1]。在隧道的衬砌施工过程中，导致混凝土发生开裂的原因通常是因为水泥的水化热引起，而隧道内部湿度较大，在夏季施工过程中会加剧温度和湿度对新浇筑的衬砌内部水化热的变化，从而导致开裂。

衬砌混凝土发生开裂的原因多种多样，刘伟研究发现，水泥的脆性与开裂与粉煤灰的掺量有一定关联，其掺量越大越不易开裂，但需要综合考虑强度的衰减[2]。在胶凝材料的用量一定时，掺加矿物还能在温度变化时有效减少混凝土的收缩，从而提高结构混凝土的抗开裂性，提高耐久性[3]。吴梦军综合服役年限与地理条件等因素研究了渝怀线沙坝隧道衬砌开裂的问题，分析了倾斜层状岩下隧道衬砌裂缝的发展机理，并提出了相应的处理方案[4]。叶飞研究衬砌裂缝的修复时，发现裂缝中的填充残留物会对结构产生不利影响，基于依托工程进行数值模拟预估，对修复效果有一定参考意义[5]。衬砌混凝土防开裂的常规方法有对开裂处喷射混凝土加固、钢板或纤维贴补、拆除破裂处重建等。周红升依托实际工程建立了V级围岩中的隧道衬砌模型，验证了采用补充收缩混凝土进行修复的可靠性[6]。

而山体隧道往往属于大体积混凝土的施工范畴，被动式地在病害出现后补修不仅会造成巨大的施工成本，而且对山体围岩的扰动会影响隧道的安全性。因此对于隧道的服役环境与周期，在设计中对配比进行有效的调整有利于整个寿命周期的运营。拟通过掺加粉煤灰、矿渣粉，降低水泥用量、增加含水量，延缓混凝土的水化，从而达到防止公路隧道衬砌混凝土开裂的目的。

1 原材料

采用山西某水泥厂生产的P.I 42.5级水泥，技术指标见表1。

表1 水泥力学性能指标

(2)粉煤灰

粉煤灰取自山西某发电厂，技术指标见表2。

表2 粉煤灰技术指标

(3)集料

集料产自山西某石料厂，性能见表3。

表3 集料技术指标

(4)外加剂

外加剂采用苏博特公司生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率为30%。

2 抗裂混凝土配制

配合比设计依据《JGJ 51-2002 轻集料混凝土技术规程》，再参考现有工程的经验，室内试验通过控制坍落度在160～200mm来调整用水量。

2.1 初步拟定配合比

通过控制容重的方法进行配合比设计，拟定初步的配合比见表4，其中PB0代表常规隧道衬砌混凝土采用的配比。

表4 混凝土质量配合比(kg/m3)

查询《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)，其中C45混凝土的28d标准抗压强度不得低于53.23MPa[7-8]。抗压强度测试制作150mm×150mm×150mm的立方体试块，在标准养生条件下测定3d、7d、28d的抗压强度。

表5 不同配比不同龄期下的抗压强度

2.2 试验结果分析

由表5、图1可知，传统隧道衬砌采用的混凝土配比抗压强度在龄期达到14d后基本保持稳定。随着水泥用量的减少、用水量的增加，抗压强度在各龄期下均呈下降趋势，但在14d后仍然有一定增长，这是因为随着龄期的增加，矿渣粉与粉煤灰陆续加入衬砌混凝土的二次水化反应中。

矿渣粉有着比细料更高的细度与活性，单掺矿渣粉对于混凝土弹性模量的提升会大于单掺粉煤灰的效果，但收缩性能会有所下降，因此复掺矿渣粉与粉煤灰无论是提高混凝土的后期强度，还是增强抗开裂与收缩性能，对实际应用都有益处[9-11]。为了进一步分析抗压强度的增长趋势，将不同配比不同龄期的抗压强度与PB0的抗压强度比记为相对值分析，结果见表6。

表6 不同配比不同龄期下的抗压强度相对值

由表6可知，水泥用量减少与用水量增加的不同配比随着龄期的增加，抗压强度与PB0的比值越来越小，其中，当胶凝材料的总量分别为395kg/m3、432 kg/m3、471 kg/m3时，28d抗压强度满足规范要求。考虑到隧道环境的特殊性，湿度较大有利于矿渣粉与粉煤灰的二次水化进一步增长强度。

3 性能验证

不同配比的性能验证通过抗折强度测试，而折压比可衡量混凝土的抗开裂性能，故通过测试28d的抗折强度与28d的抗压强度进行计算。抗折强度测试通过制作550mm×150mm×150mm的长方体试块，每个配合比各制作3个平行试件，成型1d后脱模，在标准养护条件下养护28d后进行试验，采用SYE-1000型压力试验机测试，结果见表7。

表7 不同配比混凝土的抗折强度与折压比

由表7可知，混凝土的抗折强度与抗裂性能随着矿渣粉与粉煤灰用量的增加而提升，但水泥用量的减少会降低材料之间的粘结，因此结合抗压强度测试结果，推荐采用PB2、PB3、PB4的配比。

4 结论

(1)根据实际施工采用的配比，通过控制坍落度来调整用水量及配比；

(2)矿渣粉与粉煤灰可在衬砌混凝土的二次水化反应中随着龄期的增长提高混凝土的后期强度；

(3)混凝土的强度随着矿渣粉与粉煤灰掺量的增加而降低，而与标准配比的差值随龄期的增长越来越小。经抗折强度测试与折压比计算发现，当胶凝材料的总量分别为395kg/m3、432kg/m3、471kg/m3时满足规范要求。考虑到隧道环境的特殊性，可考虑增加矿渣粉与粉煤灰的用量来提高衬砌混凝土的后期强度，降低水泥用量以防止开裂。