乌鞘岭特长隧道混凝土的耐久性研究

1、乌鞘岭特长隧道混凝土的耐久性研究周文海1 刘 川1 宋建平2（中铁十八局集团有限公司 天津 300222）摘 要：针对乌鞘岭特长隧道衬砌混凝土“高寒、高海拔、高侵蚀”的工作环境，结合施工现场实际，将混凝土由传统的按强度设计转变为按耐久性设计。通过掺用优质外加剂和掺和科，提高了混凝土的抗冻、抗渗、抗侵蚀和抗碳化性能，采取限制原材料碱含量和混凝土总碱量等技术措施预防碱骨料反应，从而确保了乌鞘岭工程混凝土的耐久性。关键词：隧道工程；抗冻性；抗渗性；抗侵蚀；抗碳化；碱骨料反应； 乌鞘岭特长隧道全长20050m，设计为两座单线隧道，最大埋深1100m左右。隧道穿越区整体属于祁连山东北部中高山区，海拔高2

2、9003600m。地质结构为祁连优地槽褶皱带内，褶皱及断裂构造发育，现代地震较为活跃。气候垂直分带明显，气温寒冷，日温差大，冰冻时间长。年平均气温-0.15.1，绝对最高气温28.134.7，最低气温-29.0-30.6。隧道范围内，地下水具有硫酸盐强侵蚀性。针对“高寒、高海拔、高侵蚀”的工作环境，乌鞘岭特长隧道混凝土已从传统的按强度设计转变为按耐久性设计。混凝土耐久性主要涉及到抗渗性、抗冻性、抗裂性，抗冲磨性、抗碳化、抗侵蚀性及碱骨料反应等性能。为了提高乌鞘岭工程混凝土的耐久性，从原材料的优选，配合比的优化方面，进行了大量的试验研究工作，并采取了综合技术措施，通过掺用优质外加剂和掺和料，降低

3、了混凝土绝热温升，提高了混凝土的抗冻、抗渗、抗裂和碳化性能，并采取了严格限制原材料碱含量和混凝土总碱量等预防措施抑制碱骨科反应，使混凝土耐久性得以保证。确保了“不渗、不漏、不裂”的质量目标的实现。1、混凝土设计指标根据兰新线乌鞘岭特长隧道设计说明及现场施工实际确定如下混凝土设计指标（见表1）：乌鞘岭特长隧道衬砌混凝土设计指标 表1工程部位强度等级抗渗等级抗冻等级备 注洞口浅埋段（拱、墙、仰拱）C25S8D200*砼掺加抗裂性外加剂一般地段（拱、墙、仰拱）C25S8D150*硫酸盐侵蚀地震设防地段（拱、墙、仰拱）C25S8D150*钢筋混凝土级围岩硬岩及级围岩地段C30S8D150*硫酸盐侵蚀级

4、围岩地段（含仰拱）C25S8D150*硫酸盐侵蚀填 充C25S8D150*说明：带*号的抗冻等级指标为根据施工现场混凝土的工作环境提出的控制指标。2、混凝土原材料的优选和配合比设计的优化乌鞘岭工程混凝土采用庄浪河河道开挖出来的河砂及卵石破碎作为骨料，母岩具有抗压强度较高，但其拉压比较小，破碎过程中容易产生隐性节理，骨料中含有较多的云母，而且易产生泌水。因此，给最大限度的减少水泥用量，优化配合比，尽可能减少水化热带来了极大的困难。由于对混凝土质量要求中，特别突出了耐久性问题，因此，在混凝土配合比设计中，各项技术指标相互制约，同时要与混凝土温控、运输距离、拆模周期、大坍落度泵送施工等矛盾进行全面平

5、衡和优化，因此是十分复杂的技术难题。为此做了大量的试验研究工作。2.1、采取的主要技术措施：2.1.1、优选混凝土原材料，高掺优质粉煤灰选用42.5R低热水泥,并尽可能多掺粉煤灰。混凝土最大掺量达到25%。水泥熟料中的MgO含量控制在3.-4.5%，使混凝土具有微膨胀性, 补偿混凝土降温阶段体积收缩,减少混凝土裂缝。采用I级粉煤灰，并坚持将级粉煤灰作为功能材料掺用。掺用级粉煤灰可取代部分水泥，而且由于级粉煤灰具有减水效果，可降低混凝土用水量，利用级粉煤灰的微珠效应，还可大大改善混凝土的和易性。2.1.2、优选高性能复合外加剂，提高混凝土耐久性。为确保抗渗性、抗冻性、抗裂性，抗侵蚀性能指标的实现

6、，有效解决混凝土用水量高的难题，选用了与其他原材料有良好适应性的，且减水率在16%以上、具有抗渗、抗蚀、抗裂性能的复合外加剂，为配制高耐久性混凝土创造了条件。2.1.3、在混凝土中掺加引气剂型外加剂。这是提高混凝土工作性、保证乌鞘岭工程混凝土耐久性和使用寿命的重要措施。2.1.4、为了防止发生碱骨料反应，严格限制原材料的碱含量和混凝土总碱量。限制低热水泥的碱含量小于0.5%；粉煤灰碱含量小于2.0%；混凝土总碱量小于3 kg/m3。2.2配合比的优化在混凝土配合比的设计中，坚持采用最大限度减小水胶比、并增加粉煤灰掺量的技术路线。水胶比是影响混凝土强度和耐久性的重要因素，水胶比越小，混凝土孔隙率

7、越小，强度越高，耐久性越好。优化后的衬砌混凝土水胶比小于0.45，洞口浅埋段水胶比小于0.40，仰拱混凝土不大于0.50。由于采用了多项技术措施，优选出的混凝土配合比使混凝土具有优越的性能。混凝土衬砌抗渗等级可达S12以上；抗冻性可达D150以上，洞口浅埋段衬砌抗渗等级可达S12以上；抗冻性可达D200以上。混凝土用水量由原来的225kg/m3降至185kg/m3，同时降低了大体积混凝土的绝热温升和干缩，提高了抗裂性、体积稳定性和耐久性等，并使混凝土具有良好的施工和易性和经济性。3、混凝土的抗冻性能混凝土抗冻性是混凝土耐久性的主要指标。乌鞘岭隧道地处高寒、高海拔地区，为了增强混凝土对环境水的冻

8、胀作用、风化侵蚀等因素的抵抗能力，提高混凝土耐久性，对乌鞘岭工程混凝土提出较高抗冻性要求。3.1、实现高抗冻性的技术措施在进行配合比设计时，通过降低水胶比、掺用引气剂、掺用级粉煤灰、降低用水量等综合措施来提高混凝土的抗冻耐久性。3.1.1选用低水胶比。水胶比是影响混凝土强度和耐久性的重要因素，水胶比越大，混凝土的孔隙率越大，强度越低，耐久性越差。3.1.2掺用引气型复合外加剂。可以引入结构合理的微细气泡，并控制含气量在4.0%4.5%范围内，来保证混凝土的抗冻性。3.1.3掺用级粉煤灰。由于其微珠效应及减水效果，能降低混凝土用水量，改善混凝土工作性及混凝土的孔结构。3.2、试验方法试验依据普通

9、混凝土长期性能和耐久性能试验方法 （GBJ8285）规定的“慢冻法”进行试验，其步骤如下：试件在28天龄期时进行冻融试验。试验前4天应把冻融试件从养护地点取出，将冻融试件放入1520水中浸泡4天后进行冻融试验。 抗冻试验冻结时温度应保持在15-20，每次从装完试件到重新降至15所需的时间不应超过2小时。冷冻箱（室）内温度均以其中心处温度为准。每次循环中试件的冻结时间应按其尺寸而定，对100×100×100毫米及150×150×150毫米试件的冻结时间不应小于4小时，对200×200×200毫米试件不应小于6小时。 冻结试验结束后，试件

10、即可取出并应立即放入能使水温保持在1520的水槽中进行融化。试件在水中融化的时间不应小于4小时。融化完毕即为该次冻融循环结束，取出试件送入冷冻箱进行下一次循环试验。 对冻融试件进行外观检查。发现有严重破坏时应进行称重，如试件的平均失重率超过5%，即可停止其冻融循环试验混凝土冻融试验后应按下式计算其强度损失率。 式中： fcN次冻融循环后的混凝土强度损失率，以3个试件的平均值计算(%)；fco对比试件的抗压强度平均值（MPa）； fcn经N次冻融循环后的三个试件抗压强度平均值（MPa）； 混凝土试件冻融后的重量损失率可按下式计算： 式中：nN次冻融循环后的重量损失率，以3个试件的平均值计算(%)

11、； Go冻融循环试验前的试件重量（kg）； GnN次冻融循环后的试件重量（kg）； 3.2、试验结果分析混凝土的抗冻等级，以同时满足强度损失率不超过25%，重量损失率不超过5%时的最大循环次数来表示。混凝土采用慢冻法的试验数据见表2。混凝土冻融试验数据表 表2编号强度等级水胶比粉煤灰掺量（%）水泥用量（kg）用水量（kg）抗冻试验抗冻等级强度损失（%）重量损失（%）1C300.4525325180>D2505.650.882C250.5025305175>D2007.830.753C300.4030315175>D2505.870.684C250.4530300180>

12、D2006.560.92根据以上室内试验研究及施工现场实际应用,从试验结果看，在达到要求的抗冻等级时其评定指标强度损失率及重量损失率还有很大的富余，可以判断衬砌混凝土冻融循环可达200次以上，由此可见乌鞘岭工程混凝土具有高抗冻耐久性。4、抗硫酸盐侵蚀性能环境水中的硫酸盐与水泥中的Ca(oH)2及水化铝酸钙发生反应，就会对水泥产生侵蚀，反应生成物二水石膏和水化硫铝酸钙，其体积均较原化合物体积大，因而会引起混凝土的膨胀与开裂，受硫酸盐侵蚀的表面呈稍白的特征色，工程实践证明，采用C3A含量低的水泥可减轻硫酸盐对混凝土的侵蚀。4.1侵蚀性判定抽取隧道内天然环境水进行水质分析，测定硫酸根离子的浓度，依据

13、铁路混凝土与砌体工程施工规范（TB10210-2001）附录C,进行侵蚀性判定。测定数据见表3环境水对混凝土侵蚀性判定数据 表3侵蚀类型环境条件特征硫酸根离子浓度（mg/L）判定结果硫酸盐侵蚀地质条件水质PH值硫酸盐侵蚀含盐地层7.531079依据铁路混凝土与砌体工程施工规范（TB10210-2001）该硫酸盐侵蚀为中等侵蚀4.2、采取的技术措施根据铁路混凝土与砌体工程施工规范（TB10210-2001）的规定，采取下列技术措施：4.2.1、严格限制所使用普通硅酸盐水泥C3A含量，控制指标为：C3A含量小于8%。4.2.2、掺用25%的级粉煤灰。4.2.3、掺加高性能复合防水防蚀剂。4.2.4

14、、在混凝土配合比的设计中，最大水胶比小于0.45，最小水泥用量不低于330kg/m3,抗渗等级大于P8。4.3、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（GB242081）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。4.4、试验数据：见表44

15、.5、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1525%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。5、 混凝土碳化性能及钢筋锈蚀试验乌鞘岭隧道衬砌混凝土有部分是钢筋混凝土，必须考虑混凝土的碳化和钢筋锈蚀问题。5.1、碳化性能试验混凝土的碳化是指混凝土内水泥石中Ca（OH）2与空气中的CO2时发生化学反应，生成Ca

16、CO3和H2O。减弱了对钢筋的保护作用，增加混凝土的收缩，降低混凝土的抗拉、抗折强度及抗渗能力。5.1.1试验数据：优化的钢筋混凝土水胶比均不大于0.45，粉煤灰掺量均不大于25，碳化试验结果见表5。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 表4 编号配合比灰:砂粉煤灰掺量C×%防水防蚀剂掺量C×%胶浆流动度mm水灰比W/C耐 蚀 试 验 结 果试件在标养室中养护28天试验抗折强度(MPa)试件在侵蚀水中浸泡28天试验抗折强度(MPa)耐蚀系数K抗渗等级1:2.5001170.507.24.10.57>P122"1001170.506.04.70

17、.78>P123"1051190.457.56.20.83>P124"1501170.505.64.60.82>P125"1551180.457.87.81.00>P126"1581160.409.19.21.01>P127"2051180.457.98.01.01>P128"2551190.458.18.31.02>P129"3001170.525.34.70.89>P1210"3051180.446.56.91.06>P12注：表中外加剂为BR2防水防蚀剂；

18、甘肃寿鹿山低碱42.5R普通硅酸盐水泥；兰州西固电厂级粉煤灰。 混凝土碳化性能试验数据 表5编号强度等级水胶比粉煤灰参量（%）碳化深度（mm）3d7d14d28d1C300.40252.66.78.613.42C250.45253.17.38.514.35.1.2结果分析：碳化试验结果表明，28d最大的碳化深度仅1.43cm，而衬砌混凝土保护层厚度一般约为56cm。从保护层厚度及碳化的速率看，混凝土具有优良的碳化性能。5.2、钢筋锈蚀试验5.2.1试验原理：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

19、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。5.2.2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6。 钢筋锈蚀试验数据 表6时间阳 极 电 位 ( mv )编号01/212345710151#样-3624305566596766796836866906942#样-361442539657678684689692696699注:表中1#样是普通水泥加粉煤灰加防水防蚀剂;2#样是空白普通水泥。5.2.3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

20、定该2组试件本身都不会对钢筋有锈蚀作用。6 抑制碱骨料反应碱骨料反应是混凝土耐久性的又一项重要指标，当水泥中的碱（Na2o和K2o）与活性集反应时，将在混凝土内部产生膨胀而导致开裂，使混凝土失去整体性，其危害十分严重，被称为“癌症”。6.1.1骨料碱活性评定对骨料碱活性的评定，至今国际上尚无一个一致认可的普遍方法。参照国内外有关检验骨料碱活性的试验规程和标准，采用岩相分析法、砂浆长度法以及快速砂浆棒检验，并用显微镜观察反应产物，评定骨料为具有潜在碱活性骨料。6.1.2严格碱含量的控制指标由于乌鞘岭工程特殊重要地位，从长期耐久性考虑，除掺用I级粉煤灰抑制碱骨料反应措施外，又对混凝土原材料的碱含量和混凝土总碱量进行了严格限制，具体限制指标列于表7。 碱含量控制指标 表7控制项目控制指标实测平均值42.5R水泥0.5%0.45%级粉煤灰2.0%1.70%减水剂5.0%4.23%混凝土3.0kg/m32.48kg/m3（最大值）这些控制指标都相应严于国家标准和有关规定，从现场检测结果看，原材料碱含量远低于控制指标，水泥碱含量只有0.45%左右，粉煤灰碱含量只有1.7%左右，而以最不利情况：即原材料以最大碱含量及混凝土以最高强度