粉煤灰高性能混凝土在公路隧道二次衬砌中的应用.docx

粉煤灰高性能混凝土在公路隧道二次衬砌中的应用林国仁(福建省公路管理局 , 方德铭福建福州350004)摘要 : 通过室内试验 , 结合布罗宁公路隧道二次衬砌的施工 , 介绍采用三掺技术的粉煤灰高性能混凝土配合比 、力学性能和使用效果 。关键词 : 混凝土 ; 公路隧道 ; 二次衬砌 ; 三掺技术 ; 施工工艺福建省现有专养公路隧道经过几年使用都普遍存在渗 、漏水现象 。引起这些隧道渗 、漏水的原因有 : 衬砌混凝土本身抗渗能力差 , 难以防止外来水的侵 入 ; 衬砌背后地下水无合理疏通渠道 , 聚集在衬砌背 后 , 水压逐渐加大 , 使衬砌结构由于长期积水而渗 漏 ; 衬砌结构内部含有构造孔隙或施工孔隙 , 这些闭 合或相连的缝 、隙及各种各样的泡蜂窝组织是造成 渗 、漏水的主要原因 ; 衬砌混凝土施工缝 、伸缩缝 、 沉降缝也是渗漏水的主要部位 。由于公路隧道衬砌混凝土既是承受围岩压力的承 载结构 , 也是防水的最后一道防线 , 因此要求隧道二数十倍 。112 粉煤灰高性能混凝土的组成及材料性能11211 粉煤灰粉煤灰是大电厂排出的工业废渣 , 它含有大量球 形玻璃体颗粒 , 本身的结构致密 , 内表面积小 , 加入 混凝土内具有减水和润滑作用 , 所以拌和物具有良好 的流变特性 ; 粉煤灰主要成份是活性氧化硅 、活性氧化铝等 , 能在常温下与水泥水化产物的 Ca ( O H) 2 作 用发生“二次水化”反应 , 具有较高的致密性 ; 同时 , 水化粉煤灰颗粒间凝胶物相互交叉嵌锁 , 增加了 密实性 , 也增加了界面间的摩阻力 。这种生成高强度水硬性的水化物 , 不但消除混凝土内应力和应力集 中 , 它使混凝土具有更高的后期强度 。另外 , 粉煤灰 的掺入使混凝土中的水化铝酸盐含量相对减少 , 因而 抵抗硫酸盐侵蚀的能力有所增强 。11212 FDN 高效减水剂减水剂是一种表面活性物质 , 它可以改善混凝土 的和易性 , 又能使混凝土在保持坍落度不变的情况 下 , 能大幅度减少混凝土用水量 , 提高混凝土密实性 和耐久性 , 克服单掺粉煤灰早期强度低 , 满足施工进 度要求 。同时也改善混凝土的其它物理性能 , 如提高混凝土流动性 , 改善混凝土泵送性能和施工性能 , 达 到节省水泥 , 节约能源的目的 。11213 膨胀剂混凝土中掺入膨胀剂后与水泥的铝酸三钙及水化 析出的 Ca (O H) 2 形成膨胀结晶水化物 水化硫铝 酸钙 , 使混凝土早期产生适度膨胀 , 以达到补偿收缩保持混凝土体积稳定性 ; 钙矾石结晶体还能填充混凝土孔隙 , 改善了混凝土微观结构 , 提高混凝土密实 度 , 达到抗裂防渗之目的 , 也提高了混凝土强度和抗次衬砌混凝土既要有足够的强度 ,渗性能 。1粉煤灰高性能混凝土111粉煤灰高性能混凝土的特点还要具有一定的抗高性能混凝土 ( HPC) 是一种耐久性优异的混凝土 , 其主要技术措施是采用双掺或三掺技术 , 即既要 掺入粉煤灰等矿物料 , 也要加入外加剂 , 使粉煤灰的活性效应 、形态效应和微集料效应得到充分发挥 , 达 到降低水灰比 , 减少水泥石中的毛细管孔隙和混凝土 中骨料与水泥石之间的界面缝隙 , 改善混凝土的微观 结构 , 提高混凝土的抗渗性和耐久性 , 从而提高混凝土力学性能 , 达到高性能混凝土技术特点要求 。 粉煤灰高性能混凝土具有变形小 、密实度大 、后期强度高 、抗渗性能好 、耐久性强等特点 , 能适应现 代结构工程向大跨 、重载 、高耸方向发展和承受恶劣环境条件的需要 。粉煤灰高性能混凝土在硬化过程中 体积稳定 、水化热低 、温升小 , 冷却时温度收缩小 ,干燥收缩小 , 所以硬化后不易产生宏观及微观裂缝 ,抗渗性能优良 , 其抗渗系数比普通混凝土高数倍甚至3收稿日期 : 200221222876 华东公路2003 年第 2 期腐蚀性及耐久性 。2 粉煤灰高性能混凝土配合比设计原则本试验采用粉煤灰、减水剂和膨胀剂三掺技术 , 其配合比是在等稠度和等效水灰比或水胶比原则下进 行 , 在优化配合比设计中 , 粉煤灰采用超量取代法(置换部分水泥和砂) , 既能提高混凝土强度 、抗渗性 和耐久性 , 又改善混凝土混合料工作度 , 达到提高工 程质量 、节约水泥 、降低造价和保护环境等目的 。公路隧道二次衬砌混凝土原设计要求为 : 设计等 级 C 25 , 抗渗为 S6 , 坍落度 13 cm17 cm 。采用粉煤灰高性能混凝土设计要求为 : 设计等级C 25 , 抗渗为 S10 , 坍落度 10 cm14 cm 。3 试验用原材料311 水 泥2177 , 级配优良 。粗集料 : 集料采用粒径 5 mm3115 mm 规格连 续级配 , 经比较级配良好 , 其它各项指标也满足要 求 。详见表 2 、表 3 。313粉煤灰漳州后石电厂 级粉煤灰 , 其物理性能见表 4 、 化学成份见表 5 。表 4粉煤灰的物理性能质量指标( %)名 称技术级别细度烧失量需水量比SO3GB 1596 91后石电厂粉煤灰2016831059530198表 5后石电厂粉煤灰化学成份化学成份材料名称SiOFe OAl OCaOMgOSO22 32 33采用 425 # 普通硅酸盐水泥 ,粉煤灰( %)52 . 818 . 3729 . 4531411110198经试验结果表明 ,314减水剂本试验路段采用河北公安县油江外加剂厂生产的FDN 高效减水剂 , 减水率为 21 % 。315膨胀剂实际抗压强度 4315 M Pa , 富余量较低 , 其它物理力学性能指标合格 , 详见表 1 。表 1水泥物理性能检验报告试验项目标准值实测值本试验路段采用半水石膏 ( CaSO4 1/ 2 H2 O)膨胀剂 。作负压筛析法水筛法 初凝 终凝 雷氏法 饼 法3 d7 d28 d3 d7 d28 d 10 %4 . 00 %细度物理性能7 h 45 min 10 h4 h 05 min6 h 02 min凝结时间安定性完好16合格23 . 1抗压强度( M Pa)42 . 53 . 543 . 34强度抗折强度( M Pa)6 . 57 . 2结论据 J TJ 053 94 及 GB/ T17671 1999 ( ISO 法) 试验结果合格表 2粗集料筛分试验结果筛孔尺寸( mm)4031 . 5201052 . 5 2 . 5颗粒 分计筛余( %)分配 累计筛余( %)5 mm31 . 5 mm级配范围004 . 24 . 201534 . 538 . 7154545 . 384709014 . 598 . 5901000 . 799 . 2951000 . 81004 粉煤灰高性能混凝土试验结果及分析近几年来 , 我国一些单位对水泥混凝土混合料界 面理论研究表明 : 水泥浆与主骨料界面是混凝土的薄 弱环节 , 在普通混凝土中 , 由于集料表面形成的泌水层 , 使界面处的灰浆水灰比增大 , 而成为粗晶网状疏 松多孔层 , 呈现出明显的过渡区 , 随着混凝土强度逐 渐提高 , 过滤区还会出现收缩裂纹和沉降裂纹 。当结 构受力时 , 界面 (过渡区) 应力集中 , 便成为混凝土 破坏 的 起 始 源 和 强 度 薄 弱 区 。掺 入 活 性 混 合 料(如粉煤灰 、磨细矿渣 、硅粉等) 的混凝土 , 不仅可0100表 3粗集料试验结果试验项目结果试验项目结果最大粒径 ( mm)表观密度 ( kg/ m3) 堆积密度 ( kg/ m3) 含泥量 ( 按质量计)空隙率 ( %)针片状颗粒含量 ( %)压碎指标值 ( %)31152 6201 4000128 %4616712618312粗细骨料细集料 : 福安赛岐河砂 , 中砂 , 细度模数2003 年第 2 期林国仁 , 方德铭 : 粉煤灰高性能混凝土在公路隧道二次衬砌中的应用77 填充混凝土中的各种微孔隙 , 还能吸收大量的游离水 , 减少水泥浆与骨料界面间的泌水层 , 使混凝土结 构密实 , 孔隙细化 , 这样能大大提高混凝土强度和抗 渗能力 。如表 6 在基准水泥混凝土即普通水泥混凝土(A1 、A2 ) 配比基础上 , 充分利用粉煤灰活性效应 、 形态效应和微集料效应的技术性能和特点 , 采用“三 掺”技术进行粉煤灰高性能混凝土配合比试验 , 根据 等效水胶比的原则 , 利用磨细 级粉煤灰分别替代24 % 、28 %和 32 %水泥剂量 , 在其它外掺剂的辅助作用下 , 与基准混凝土强度相比 , 除 B3 组配比 7 d 、28 d 强度偏低外 , B1 、B2 组配比强度达到或超过基准混 凝土强度 , 而后期强度增长明显高于基准混凝土强度 增长 , 这也是单掺减水剂无法比拟的 。同时在三掺技 术混凝土 , 由于单位体积凝胶浓度增加和粉煤灰不断 进行火山灰的反应 , 填充毛细孔 , 使孔隙变小且均 匀 , 提高混凝土抗渗能力 , 粉煤灰高性能混凝土抗渗5 工程应用寿宁双湖公路布罗宁隧道全长 1 366 m , 横断面 采用单心圆设计 , 隧道施工采用 “新奥法”施工工 艺 , 采用复合型支护 , 即开挖后先施工初期喷射混凝 土支护 , 再布设土工布及防水板作防水层 , 而后进行二次衬砌 。二次衬砌采用全液压整体式衬砌台车 、泵 送混凝土浇筑方法 ; 其混凝土设计等级抗压强度为C 25 , 抗渗设计等级要求大于或等于 S6 即 016 M Pa ; 采用粉煤灰高性能混凝土 , 抗渗要求大于或等于 S8 即 018 M Pa 。本试验路段位于双湖公路 k 39 + 189 k 39 +224 、k 39 + 517k 39 + 601 路段 ; 围岩主要为中粗 粒花岗岩 , 呈浅肉红色 , 裂隙有水处呈浅黄色斑状结 构 , 块状结构 , 主要成份为钾长石 , 石英斑晶和基质 长英质 ; 个别位置穿插有深灰色火山凝灰岩 , 都属于硬质岩 。本段地下水类型主要为风化孔隙裂隙潜水 。岩性 变化频繁 , 接触面存在微张型裂隙 , 内有较多的水流 出 ; 本隧道最主要的富水地段 , 地下水类型多为线 流 , 特别在 k 39 + 205 处有一条宽约 70 cm , 深灰色 火山凝灰岩侵入体 , 其走向与隧道轴线斜交约 60, 倾角约在 70左右 , 裂隙面内有充填物 , 在左拱部有 一股较大的水流 。测算其流量为 : 015 L / min 。在衬 砌之前 , 对围岩滴水位置进行描绘 。二次衬砌施工工 艺流程图如图 1 所示 。6 应用效果经实验段对比检测和对衬砌混凝土强度试件进行 电子激光扫描 , 分析混凝土内部微观结构 , 发现粉煤 灰高性能混凝土比普通衬砌混凝土骨料界面缝隙明显 减少 , 毛细管孔隙比较小 ; 表面气泡量小而均匀 , 表面外观密实 、流畅 ; 粉煤灰高性能混凝土 28 d 抗压 强度平均值比普通混凝土高 , 后期强度增长趋势较突 出 , 强度分布比较均匀 , 离散性小 , 如表 7 所示 。能力超过 S12 ,善 。优于基准混凝土 S8 ,抗渗性能明显改表 7混凝土抗压强度对比表项目标准养护 28 d 龄期混凝土抗压强度 (M Pa)R max = 3318 R min = 2710 R平均值 = 2918 均方差 = 11236R max = 3115 R min = 2816 R平均值 = 3015 均方差 = 11091普通混凝土高性能混凝土7效益分析在对二次衬砌普通混凝土和高性能粉煤灰混凝土 工程成本进行费用分析 , 结果表明 : 采用粉煤灰高强 混凝土材料费用比普通混凝土节约成本 10 %以上 , 每立方米混凝土节约 25 元左右 ; 高性能粉煤灰混凝土和易性 、均匀性好 , 流动性大 , 粘聚性和保水性图 1 公路隧道二次衬砌施工组织流程示意第 2 期 (总第 141 期)2003 年 4 月 20 日华东公路No . 2 ( TotalNo . 141)Ap ril2003EA S T CH INA H I GHWA Y文章编号 :文献标识码 : B1001 - 7291(2003) 02 - 0078 - 03管理公路工程中多资源受限时工期最短优化问题分析毕玉峰1 ,刘斌 2 , 杨晓明 2(1 . 同济大学道路与交通工程系 , 上海市200092 ; 2 . 安徽省高速公路总公司试验检测中心 , 安徽合肥230031)摘要 : 通过对传统的单资源受限时工期优化问题的分析 , 找出其不足之处 , 给出了改进方法和措施 , 建立了数学优化公式 , 为编程求解提供了方便 。最后 , 通过一个工程实例 , 给出了详细 的求解步骤 。关键词 : 公路工程 ; 多种资源受限 ;工期最短 ; 优化一种资源受限条件下 , 工期最短的优化问题1 , 2 , 3 。而在公路工程的整个执行过程中 , 资源的供给并非只 有一种 , 从而造成资源条件的受限也会不只一种 。因 此 , 本文拟考虑一般情况 , 即当多种资源受限的情况 下 , 如何对网络图进行优化和处理 。当然 , 对一种资 源受限时同样适用 。1 优先安排准则及步骤111优先安排准则及数学模型的建立 对于资源分配法的优先安排准则 , 通常考虑以下几个因素 。(1) 对位于关键线路上的工序其优先值要高 , 也 就是说 , 如果工序的持续时间长 , 其对于工程工期的 作用相对就大 , 优先系数就高 ;(2) 如果工序的结束点距离网络的终节点越远 ,在当前的公路工程施工过程中 , 计划如期完成总是以一定的资源条件为基础 。资源情况如何 , 对一项 工程能否按期或提前竣工影响很大 。实际公路工程建 设和生产中 , 在一定的时间内 , 由于各方面的原因 , 所得到的资源总是有一定限度 。因此 , 在初始网络计 划中 , 如果某一阶段资源需求量超出可能供给的限度 , 迫使其中一些作业必须推迟进行 , 作业开始时间 的推迟 , 如果在允许的时差范围内 , 工期不会受到影 响 , 一旦超出 , 必然使原计划不能按期完成 , 从而必 须调整计划工期以满足已经给定的限制条件 。在此前 提下 , 通过合理地调配各种资源 , 寻求出工期最短的计划方案 , 即资源限定条件下最短的计划方案 。也就 是资源限定条件下 , 工期优化的问题 。在以往的优化