高性能防水防蚀混凝土在隧道的应用

摘要针对隧道衬砌混凝土高抗渗性及高耐侵蚀性的特殊要求，结合施工现场实际，应用高性能混凝土配合比设计方法，通过双掺技术，实现低水灰比、高耐久性，为在高海拔、高寒、强侵蚀环境下，地下工程混凝土的防水、防蚀作了有益的探索。

关键词公路隧道混凝土防水防蚀

1、概况：

设计为两座单线隧道，长20005m，线间距40m，线路坡度主要为11‰的单面下坡，最大埋深1100米。隧道通过地区海拔2900―3600米，气候垂直分带明显，气候寒冷，日温差大，冰冻时间长。隧道地质结构十分破碎，地下水丰富，并具有强硫酸盐侵蚀，因此，二次衬砌设计采用防水混凝土，兼具高抗侵蚀性，实现隧道衬砌不渗、不漏、不裂。这就对混凝土配合比设计，混凝土耐久性能，混凝土施工工艺等方面提出更高要求。

2、方案分析

隧道处于高寒、高海拔地区，衬砌混凝土由于与地下水相接触，受到水中硫酸根离子、氯离子的物理化学作用，同时由于高寒冻融作用，易使混凝土耐用年限大大缩短，易出现混凝土剥落、开裂、露筋、渗漏等现象，因此，配制的混凝土除满足强度及拌和物和易性等要求外，尚应根据结构物的具体施工实际，具有抗渗性、抗蚀性、抗冻性、防止钢筋锈蚀等混凝土耐久性能。

高性能混凝土是以高耐久性为目标而发展起来的，而高耐久性则突出体现在混凝土材料低渗透、低缺陷、高密实等方面。隧道衬砌混凝土受地下水和恶劣气候环境侵蚀，突出体现在其高抗渗性及耐硫酸根离子侵蚀性能的要求，因此，必须采用高性能防水防蚀混凝土，选用优质混凝土外加剂、掺合料、粗细骨料，应用双掺技术实现低水灰比，采取以下措施从根本上解决地下环境水对混凝土侵蚀问题：

①掺活性水硬性掺合料,如优质粉煤灰,可相应降低水泥石中游离氧化钙的浓度,减轻混凝土中石膏的形成。

②掺加特种外加剂能够发挥粉煤灰活性作用，通过减少混凝土单位用水量，实现低水灰比，增加混凝土密实度，使外界侵蚀水不能渗进混凝土内部，使混凝土内的氢氧化钙不与外界侵蚀水接触,从而就阻滞了环境水的侵蚀速度。

3、原材料选用：

3.1、水泥：是凝结硬化生长强度的基本材料。为确保低水胶比，并能使掺加的外加剂和掺合料达到改善混凝土的性能的目的，应优先选用早强型硅酸盐水泥，以满足每立方米混凝土相当的胶凝材料量及低水灰比的要求，水泥中的含碱量控制在0.5%以下。其各项性能指标应符合现行国家标准。

3.2、外加剂：采用山西建华BR－2增强防水防蚀剂（粉状剂）。减水率大于18%，渗透高度比小于28%，抗蚀系数大于0.96（参照《水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法（GB2420─81）》测定），总碱含量0.4%，推荐掺量6―8%，混凝土强度：与基准试件相比，7d增加26%以上，28d增加15%以上。

3.3、细骨料：选用质地坚硬、级配良好的中砂，其细度模数为2.5～3.2之间为宜，含泥量应不超过2％。其它技术指标应符合《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》（JGJ52―92）的规定。必须进行碱活性检验，确认无碱活性时方可使用。

3.4、粗骨料：选用质地坚硬、级配良好。骨料母材的抗压强度应比所配制的混凝土强度高1倍以上，粒级范围以5～31.5mm的连续级配为宜，含泥量不大于1%。其它技术指标应符合《普通混凝土用碎石质量标准及检验方法》（JGJ53―92）的规定。必须进行碱活性检验，确认无碱活性时方可使用。

3.5、粉煤灰：技术指标应符合《粉煤灰混凝土应用技术规范》（GBJ 146―90）中对Ⅰ级粉煤灰的要求，细度（45μm方孔筛筛余）≤20%，需水量比≤105%，烧失量≤8%，三氧化硫含量≤3%。

3.6、 拌合水：饮用水，PH值接近中性。

4、试验分析：

通过室内试验的方法测试已选定防水防蚀混凝土耐侵蚀效果、混凝土抗渗指标以及抗压、抗拉强度、钢筋锈蚀情况。

4.1、耐环境水侵蚀试验

4.1.1试验方法：取隧道内天然环境水作为侵蚀液，参照《水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法》（GB2420─81）有关规定制作试件，每组配合比分别成型二组试件，标养24小时脱模后，再经50℃的热水快养7天，然后分别放进标养室中，并用工程环境水(侵蚀水)进行浸泡。为了更符合工程环境水(地下流动水)侵蚀的实际情况,试件在天然环境水浸泡过程中,每天一次用1N硫酸滴定以中和试件在溶液中析出的氢氧化钙，并用搅拌器不断搅拌，使溶液流动。标养试件28天及在天然环境水中浸泡28天后，进行抗折试验。

4.1.2试验数据：见表2

4.1.3结果分析：从表2中看出，空白的普通水泥胶砂,在天然环境水中浸泡28天后，耐蚀系数为0.57，掺加粉煤灰和防水防腐剂的水泥胶砂，耐蚀系数随着粉煤灰掺量的增大而提高，从强度发展考虑,粉煤灰最佳掺量为15～25%为宜，防水防蚀剂掺量为5%，耐蚀系数达到1，说明不受侵蚀，强度发展同标养试件一样继续增长。如单掺粉煤灰，掺量达到35%，耐蚀系数也能满足要求，但强度发展很慢，对结构强度不利。

表2不同掺量的粉煤灰、防水防蚀剂与水泥胶砂耐蚀试验情况表

注：表中外加剂为BR―2防水防蚀剂；甘肃寿鹿山低碱42.5R普通硅酸盐水泥；兰州西固电厂Ⅱ级粉煤灰。

4.2、钢筋锈蚀试验:

4.2.1试验方法：在正常情况下,水泥混凝土中埋设的钢筋,其表面能自然生成保护膜,叫钝化膜。电化学测试,通过测量通电后(阳极)的电位变化,可定性的判断钢筋在混凝土中钝化膜的好坏来比较混凝土对钢筋锈蚀阳极过程的影响。

4.2.2试验数据：采用不同掺量外加剂的水泥砂浆分别成型试件进行电化学法测试钢筋锈蚀的结果，见表3。

表3电化学法测试钢筋锈蚀结果

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

4.2.3结果分析：从表3看出电极通电后，在2min时，电极电位超过650mv，并且经过15min时，电位并末下降，且还有上升，认为此电极是钝化电极，判定该2组试件本身都不会对钢筋有锈蚀作用。

4.3、混凝土抗压、抗渗性能试验:

本试验主要针对乌鞘岭衬砌混凝土的技术要求进行试验。

4.3.1混凝土技术指标：抗压强度等级满足C25；强度正态分布保证率≥95%；混凝土水灰比控制≤0.45；混凝土抗渗等级≥P8；混凝土拌合物和易性满足长距离大坍落度泵送要求，混凝土拌合物坍落度18～20cm。

4.3.2试验数据：见表4。

表4防水防蚀混凝土抗压强度、抗渗等级对比试验数据

4.3.3试验结论：在同样配合比、坍落度基本相同情况下，掺粉煤灰15%和5%的高效减水剂，混凝土28天抗压强度满足配制强度要求，达到35.6MPa)，28天龄期抗渗等级大于18。而空白混凝土，28天抗压强度26.2MPa，没有达到配制强度要求,而抗渗指标也很低。

5、现场施工情况

5.1在室内大量试验论证的基础上，确定使用甘肃．寿鹿山牌低碱42.5R普通硅酸盐水泥，掺5%BR―2型增强防水防蚀剂和15%的Ⅱ级粉煤灰双掺配制低水灰比(W/C =0.43)的防水防蚀混凝土， 2009年5月开始用于隧道进口段衬砌混凝土。

5.2混凝土施工质量情况

以YDK164+150－YDK164+450段衬砌为例，围岩类别Ⅳ级，衬砌厚度35cm,设计强度等级C25，现场制作混凝土检查试件60组,其中抗压试件48组，抗渗试件12组，抗压试件标准养护28天，抗渗试件标准样护30天，对该批混凝土强度进行检验评定：样本均值X=31.2；标准离差S=2.0；变异系数CV=0.10；正态分布保证率P=98%，抗渗等级均大于18。以上技术指标完全符合设计、规范质量要求，取得了较好的施工效果。

6、总结

6.1针对隧道衬砌混凝土高抗渗性及高耐侵蚀性的特殊要求，结合施工现场实际，引入高性能混凝土配合比设计方法，应用双掺技术实现低水灰比、高耐久性，解决了技术上的难题，为在高海拔、高寒、强侵蚀环境下，地下工程混凝土的防水、防蚀作了有益的探索，取得了明显的经济及社会效益。

6.2施工实践证明，不增加工程成本，通过选用优质混凝土外加剂、掺合料、粗细骨料，优化混凝土配比设计，将水灰比控制在0.45以内，配制致密性防水、防蚀混凝土,抗环境水侵蚀系数达到K=1,抗渗指标S＞18。且对钢筋无锈蚀影响,其他性能指标也很好。

6.3掺加粉煤灰的混凝土，对后期强度发展有利。地下工程混凝土施工掺加粉煤灰,如配制28天龄期达到设计强度,则到90天或180天龄期,强度可发展到设计强度的150%以上。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。