微膨胀混凝土在隧道二衬工程中的应用
时间：2022-09-09 07:49:56
摘要：结合桐岭岗隧道二衬砼的应用实践，从配合比设计和施工的角度对影响隧道二衬微膨胀混凝土防水效果的水灰比、用灰量、混凝土搅拌及施工后的水养护等几个因素进行分析与讨论，提出提高砼自防水效果的相应措施。
近年来，随着交通工程施工技术及社会经济的快速发展，隧道作为一种重要的公路工程结构形式被广泛地采用。然而，作为一种地下构筑物，为了保证高速行车的安全及隧道结构本身的耐久性，其结构的防水能力就显的尤为重要。为了达到有效防水的要求，除了有二次衬砌与初期支护间大量铺设防水卷材外，有的还在二次衬砌混凝土中加入一定量的外掺料，以达到增加混凝土自身防渗透能力的效果。较为普遍的方法是使用膨胀水泥或者在普通混凝土中掺入膨胀剂。本人总结在金丽温高速公路桐岭岗隧道二衬砼施工实践中的成功经验，就掺膨胀剂的自防水混凝土的设计与施工应注意的问题谈几点自己的认识与体会。
1、微膨胀混凝土的自防水原理
根据有关研究表明，在没有约束的条件下，自由收缩不会引起水泥混凝土开裂；在有约束的条件下，由收缩引起的混凝土内部拉应力达到一定值时，就会引起混凝土出现裂缝；没有受到约束的自由膨胀会导致混凝土内部疏松，甚至产生混凝土开裂；如果膨胀受到约束，这样就等于是利用混凝土的膨胀来补偿混凝土在约束条件下的收缩，于是混凝土变得更加紧密。隧道二次衬砌混凝土处在钢筋、模板、岩面及相邻的混凝土面等的约束条件下，由于各种原因引起的收缩一般都会使得混凝土产生不同程度的开裂，假若衬背的防水卷材又没能完全隔断水的进入，于是就出现了二衬的渗漏水现象。在混凝土中掺入膨胀剂后，就可以利用约束下的混凝土微膨胀来补偿混凝土的收缩变形，避免混凝土由于开裂产生渗水，从而达到混凝土的自防水效果。
在金丽温高速公路桐岭岗隧道二衬C25砼配合比设计时，我们选用的是浙江“红狮”牌P.O32.5水泥，膨胀剂经试验比对后选用了温州“明星”牌UEA膨胀剂，根据厂家建议并经不同掺量的砼抗渗试验对比后确定按水泥用量的12%掺加。该二衬砼设计要求抗渗等级P10，实际试验结果达到了P12级。
2、水灰比对混凝土膨胀效果的影响
理论上，据有关研究显示，混凝土内水泥完全水化所结合的水占水泥质量的0.227，而使水泥完全水化并具有最低毛细孔隙率的水灰比为0.438。实际上，即使水灰比达到0.5，随着水化的不断进行，水化物增多，自由水减少，混凝土中的水泥也不可能完全水化。混凝土中的自由水随水灰比的降低而减少，膨胀剂中重要组分CaSO4的溶出量随自由水的减少而减少，当水灰比很小时，膨胀剂中参与水化的膨胀剂组分在混凝土的使用期间的适当条件下，生成二次钙矾石，这种二次钙矾石的膨胀会造成混凝土的劣化。但是，有关研究资料也表明，当水灰比较高时，较大水灰比的混凝土中较大的孔隙率可以吸收较多的膨胀能，从而导致在此情况下的膨胀混凝土的膨胀率随水灰比的增大而减小，而较致密的混凝土才能产生较大的膨胀。由此可知，水灰比太大或太小对隧道二衬膨胀混凝土都是不利的。经验证明，水灰比在0.45～0.55之间的二衬膨胀混凝土，其防水抗渗性能及抗压强度均有较好的表现。
本人在金丽温高速公路桐岭岗隧道二衬C25砼配合比设计时，经计算及调试采用的水灰比为0.49。
3、水泥用量对膨胀混凝土的影响
目前隧道二衬混凝土普遍采用泵送浇筑的方法施工，这就要求混凝土要有较大的流动性（坍落度100mm～180mm），也就必然要求提高混凝土的用水量，水泥用量也随之提高了。水泥用量的增多，就使得较大体积的混凝土中温升增高，同时膨胀剂的水化也会放出较大的水化热，使得混凝土内的温升更加有所提高。膨胀剂在混凝土中的水化产物是钙矾石（C3A.3CaSO4.32H2O），有关热分析表明，人工合成的钙矾石在温度约为650C时开始脱水，在65～850C温度下钙矾石的形成受到限制。而有关研究又表明，当水灰比为0.45左右、使用普通硅酸盐水泥而又掺入膨胀剂时，混凝土的绝热温升可达550C。对于厚度超过1m的混凝土基础，在常温下（200C），其混凝土内部的温度会超过750C。如果施工中控制不当，膨胀剂产生的膨胀应力不足以补偿温差应力时，就会发生开裂，影响混凝土质量及自防水效果。为了有效地降低混凝土内部温升，除了必要时在施工中采取一些降温措施外，还应使用高效减水剂以达到在水灰比不变时减少水泥用量的目的。
在金丽温高速公路桐岭岗隧道二衬C25砼配合比设计中，按水泥用量的0.75%掺用了上海“新浦”XP-2减水剂，减水率15%，水泥用量为347Kg/m3。
4、搅拌对二衬膨胀混凝土混凝土质量的影响
大家都知道混凝土的搅拌对混凝土的匀质性具有关键性的意义。虽然混凝土配料机及强制式搅拌机的使用对混凝土拌合物的匀质性起到了有效的作用，但同时我们还必须充分地重视混凝土的有效搅拌时间，搅拌时间不足时，也会明显地影响着混凝土拌合物的匀质性。在实际生产施工中，混凝土在搅拌站的实际搅拌时间很多都得不到充分的保证，因为种种原因，很多混凝土在搅拌站的实际搅拌时间只有1分钟左右，甚至有的只有30秒。要知道就是普通混凝土，也需要约75秒的时间才能使混凝土被充分地搅拌均匀，何况在隧道二衬混凝土中还要加入膨胀剂及高效减水剂，如果搅拌不均匀，减水剂的作用得不到充分的发挥，会影响混凝土的和易性及强度，膨胀剂分布不均匀会导致混凝土因不均匀膨胀而开裂。另外，那种认为搅拌运输车的不断搅拌可以弥补搅拌站搅拌时间不足的说法是错误的，这是因为运输车的搅拌是自落式的，它的作用是防止混凝土的假凝，它的搅拌与搅拌站的强制式搅拌是不同的。因此，在掺膨胀剂及减水剂的隧道二衬混凝土搅拌时，保证2min以上的搅拌时间是必要的。
在桐岭岗隧道二衬混凝土施工中，我们要求在砼拌和时，强制搅拌必须保证在120秒以上。在实际施工中，砼的工作性及抗渗性能都得到了充分的发挥。
5、水养护对二衬膨胀混凝土质量的影响
充足的水分是水泥水化和膨胀剂发生作用的保证，水养护是掺膨胀剂的混凝土施工的重要措施。有关研究表明，在水养护下混凝土膨胀速率至少在14d以后才趋于缓和。另外，早期没有浇水或者浇水中断时，混凝土内部毛细孔就会被切断，再浇水时，水便进不了混凝土内部，使水泥及膨胀剂的水化消耗混凝土内本来就很少的自由水，以致混凝土得不到有效膨胀，反而甚至产生较大的自收缩，从而影响混凝土质量。根据桐岭岗隧道二衬砼的施工实践，为了保证混凝土膨胀作用的有效发挥，必须确保二衬混凝土7d以上的连续水养护时间。
6、总结
桐岭岗隧道二衬工程在工后运营至今，一直保持着良好的防水效果。从上面的分析及在桐岭岗隧道中的应用实例可以看出，在混凝土中掺入适量的膨胀剂，利用约束下的混凝土微膨胀来补偿混凝土的收缩变形，避免开裂渗水，从而达到混凝土的自防水效果，而合理的水灰比（0.45～0.55）、适当减少水泥用量、充分搅拌及确保砼的水养护时间又是膨胀自防水混凝土有效发挥作用的保证。
参考文献：《地基与基础工程技术》（长春市宽平大路4号 长春工程学院）
《对膨胀剂在使用中出现问题的讨论》（《施工技术》99年第11期 作者：廉慧珍 阎培渝）
