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隧道主体结构 混凝土耐久性探讨 王海彦 西南交通大学土木工程学院，博士研 究生，四川 成都 ，6 1 0 0 5 1 宓荣三 石 家庄铁路职业技术学院，副教授 ，河北 石家庄，0 5 0 0 4 1 龚仑 西南交通大学土木工程学院，讲师，四川 成都 ，6 1 0 0 3 1 摘要论述混凝土碳化 混凝土冻融破坏、腐 蚀性介 质 侵蚀 等影 响 隧道 主体 结构 混 凝土耐 久 性 的主要 因素。隧道主体结构混凝土的劣化与混凝 土设计、施工，混凝土原材料及配合比、环境影 响有关。通过对影响混凝土耐久性 的因素分析 ， 提 出在 水 泥和矿 物掺 和 料选 择 、 混凝土 配合 比 设 计、混凝土浇筑温度和振捣 、二次衬砌混凝土合 理 拆模 时 间 ，选 用合理 养护 方法 、表 面处理 和 防 护方 面的工程措施 ；提 出将提 高混凝土耐久性的 技 术途 径和 添加 纤 维素 纤 维增加 二 次衬 砌韧 性 来 提 高混凝土的抗 裂性作 为隧道主体混凝土结构耐 久性 的研 究方 向。 关键词 隧道 ；主体 结构 ；混凝土耐 久性 ；工程 措 施 混 凝 土 结 构 应 用 量 大 面 广 ， 尤 其 是 在 交 通 建 设 高 速 发 展 时 期 ，世 界各 国往往 重建设轻维 护 ，设 计标 准低 ，质量 问题 比较突 出 ，当进人稳 步发 展时期 ，耐久 性问题凸显。目前 ，我国铁路隧道病害较为普遍。2 0 0 9 年对 宝成 、成 昆 、达成线 既有 铁路 隧道 和部分高速公 路 隧道 进行调查 ，主要病害有 衬砌结构 开裂 、化学腐蚀 ， 因质量 缺 陷 和 同岩松 动 发 生落 拱 、底 部 翻浆 冒泥 、漏 水 、衬 砌混凝土剥 落等 。这些 病害说 明隧道结构混凝 土 一 7 6 一 的性 质在逐渐 劣化和发展 ，严重时将 演变为潜在 的安全 事 故隐患 。调查 中发现有 些隧道T 程修建和使用年 限不 长 ，但病害 非常严重 ，主要 原 因是施 工质量存在缺 陷 ； 维修 管理滞后 导致混凝 土结 构 因环境 影响及外力作用 产 生 劣化 ；设计标 准低 ，许 多隧道工程设计 没有 系统考 虑 耐久 性问题 。 1 影Ⅱ 向 混凝土耐久性的因素 隧道 主体结构混凝 土耐 久性是 指在一定环境 作用和 预期维护 与使用条件下 ，隧道 主体 结构在预定 的期 限 内 能维持其最 低性能要求 的功能 。这 一功能不仅仅包 括结 构的安全性 ，而且更 多地体现在适 用性上 。影 响隧道主 体结构 混凝 土耐久性 的 因素很 多 ，主要表现 在以下几个 方 面 。 1 ． 1 混凝土的碳化 混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，所有与空气 接触 的混凝 土表面都处 在碳化过程 中 。这是 由于空气 中 二氧化碳与 水泥石 中的碱 性物质相 互作用使其成分 、组 织 和性能发 生变化 ，导致使 用机能 下降的一种复杂 的物 二 j毫 琶 基 C H ／ ／ V E S ER A／ L WAY S 2 81 1 ／ 0 2 理化学过程 。混凝土碳化 本身对混 凝土并无 破坏作用 ， 主要危害是 由于混凝土碱 性降低 导致在高 碱环境下 钢筋 表面形成 的致 密氧化膜 和钝化膜遭 到破坏 ，混凝土 失去 对钢筋的保护作用，致使混凝土中的钢筋锈蚀 。同时， 混 凝土的碳化 也会加剧混 凝土 的收缩 ，可 能导致混凝 土 } } J 现裂缝和结构 破坏 。因此 ，混凝 土的碳化 与混凝 土结 构 的耐久性密切相 关 ，是衡 量钢筋 混凝 土结构 可靠度 的 重 要指标 。由于车辆排放 污气 ，隧道 内的空 气 中含有不 同浓 度的二氧化碳 ，致使混凝 土结构 发生碳化 。碳化对 素混凝 土衬砌结构 耐久性影 响甚微 ，在设 计 隧道 主体结 构耐久 性时可不考 虑 ；而 对钢筋混凝 土结构衬 砌影 响较 大 ，在设计 隧道 主体结构耐久性 时必 须考虑” ， 。 1 ． 2 混凝土的冻融破坏 目前 ，绝大 部 分 隧道 主 体结 构 混 凝 土是 由水 泥 和 粗 、细骨 料组成 的毛细多孔体 。在拌制 混凝土 时 ，为 了 得到必要 的和易性 ，加 入 的拌 和用水要多 于水泥 的水化 水 ，这部分 多余 的水便 以游离水 的形式滞 留于混凝 土 中 形 成连通 的毛细孑 L ，并 占有一定 的体积 ，还有一些水 泥 水 化后形成胶凝 孔 。在寒 区隧道 中 ，毛细孔 的 自由水 是 导 致混凝土遭 受冻害 的主要 因素 ，水结冰后 体积膨胀 ， 混凝 土 内部结构 受到破坏 。当混凝 土处于饱水状 态 时 ， 毛细孔 中的水结 冰 ，胶凝孔 中的水处 于过冷状态 ，使胶 凝孔 中的水 向毛 细孔 中冰 的界 面渗透 ，导致 毛细孔 中产 生渗透压力 。胶凝孑 L 中的水 向毛细孔渗 透使毛细孔 中冰 的体积进一步膨 胀 。当处于饱水状 态 的混凝 土受冻 时 ， 其毛细孔壁 同时承受膨胀 和渗透压 力 ，当压 力超过 混凝 土抗拉 强度时 ，混凝土开 裂 。在反 复冻融循环 后 ，混凝 土 中的裂缝会互相 贯通 ，其 强度也会逐 渐降低 ，甚至完 全丧失 ，由表及里受到破坏 。 1 ． 3 腐蚀性介质的侵蚀 隧 道 主体 结构 处 于 地 下 ，一 般 围岩 体 内地 下水 较 发育 ，水质成 分复杂多 变 。因此 ，隧道 主体 结构混凝 土 劣化的主要原因是受到围岩体 中地下水的侵蚀 ，地下水 中主要 的腐 蚀物有硫 酸盐 、氯 盐和镁盐 ，其侵 蚀机理如 下 。 1 软 水溶 析 。混凝 土有 一定 的抗水 能 力 ，但 在 压力 水 或 流动水 的作 用 下 ，一 些 组成 如 c a O H ， 等 按溶解度 的大小 ，依 次逐渐被 水溶解 ，产生溶 出性 侵蚀 ，破坏混凝土。隧道主体结构混凝土承受其背后地 CHI NES E RA WAY S 201 1 ／ 0 2 二 下水 压 力 ，地 下 水 不 断地 迁 移 ，容 易产 生 溶 卅性 侵 蚀 溶析 。 2硫 酸 盐 侵 蚀 。溶 液 中 的硫 酸 镁 、硫 酸 钠 、 硫 酸 钾 等 化 合 物 与 水 泥 水 化 反 应 生 成 的 C a 0H 反 应 生 成 石 膏 二 水 硫 酸 钙 ，在 流 动 的 水 中 不 断 进 行 反 应 ， 在 不 流 动 的 水 中 达 到 化 学 平 衡 后 ， 部 分 S 0 以 石 膏 析 出 。硫 酸 钙 与 水 泥 熟 料 矿 物 C A水 化 生 成 的水 化 铝 酸 钙 C AH 和 单 硫 型 水 化 硫 铝 酸 钙 3 C a O A I 0 C a S O 1 8 H O可 反应生 成三硫型水 化硫 铝酸钙 俗称钙 矾石 。钙矾石 的溶解度极 低 ，沉 淀结 晶 出来 的 晶体长 大 ，其 结 晶压 导致 混 凝 土膨 胀 开 裂 。因此 ，硫酸 盐侵蚀 的根 源是 其溶 液与 水泥 中C A矿 物 的水化生成物 H C a S O 反应形成钙矾石 的膨胀 。 1 ． 4 混凝土碱集料反应 碱集 料 反 应 是 指混 凝 土 集料 中 的某 些活 性 矿 物 与 混凝 土微孔 中的碱溶 液所产生 的化学反 应 。碱 主要 来于 水 泥熟料 、外加 剂 ，集 料 中活 性材料 主要 是S i O ， 和硅酸 盐 、碳酸盐 等。 混凝 土碱 集料 反应 分为碱 一 硅 、碱 一 碳 酸盐和碱 一 硅 酸盐 反应 ，其 中碱 一 硅 反应 最 为常见 。碱 集料 反应产 生 的凝胶 遇水 膨胀 ，在混凝 土 内部产 生较大 的膨胀应力 ， 从 而引起混 凝土开 裂 。混凝 土集料 在混凝土 中呈均匀分 布 ，因此裂 缝首先 在混凝土 表面无 序 、大量 产生 ，随后 将加 速腐蚀性 介质 的侵蚀破坏 作用而使 混凝土耐 久性迅 速降低。引起碱集料反应的3 个条件 一是混凝土中掺 入 了一 定数量 的碱性物 质 ，或者 混凝土处 于有利 于碱渗 入 的环境 ；二是集 料 中有 一定数量 的碱活性 骨料 如含 S i O 的骨料 ；三是 潮湿 环境 ，可提供反 应物 吸水膨胀 所需要的水分。在干燥条件下，碱集料反应难以发生。 混凝 土发生碱 集料反应 破坏 的特征 外 观特征 主要是表 面裂缝 、变形 和渗 出物 ，内部特 征主要是 内部凝胶 、反 应环 、活性碱一集料 、内部裂缝 、碱含量等。混凝土结 构发生碱 集料反应 出现裂缝 后 ，空气 、水 、二氧化碳 等 侵入 ，加 快 了混凝 土碳化 和钢筋锈蚀 速度 ，而钢 筋锈蚀 产 物的铁锈 体积大 于钢筋原 有体积 ，会使裂缝 扩大 。在 寒冷 地区 ，混凝 土 出现裂缝后 会使冻融 破坏加速 ，造成 混凝土工程 的综 合性破坏 】 。 1 ． 5 其他因素 隧道主体结构混凝土劣化的原因除了混凝土碳化、 一 7 7 冻融破坏 、碱集料反应和受到外界腐蚀性介质的侵蚀 外 ，还与混凝 土的设计 、施T ，混凝 土的原材料 和配合 比 ，以及环境变化有关 。 1 施工影 响 。隧道 _T程 施工 质量 直接影 响混凝 土 的耐久性 。施 工时 ，混凝 土密实性达 到设计 要求 ，耐 久性就好 ，若施工 质量差 ，混凝 土有麻 面 、蜂 窝 、裂纹 等缺陷，给腐蚀溶液提供了侵蚀通道 ，导致混凝土劣 化 ，降低耐久性 。 2混凝 土原材 料 。水泥 和矿 物掺和料 直 接影 响 混凝 土的耐久性 。水 泥是混凝 土 中最主要 的原材料 ，混 凝土的性能很大程度上取决于水泥的性能与用量，例如 调整水泥 熟料的矿物组 成是改善水 泥抗硫酸盐 侵蚀 的主 要措施 。降低水 泥熟 料 中铝酸 钙并相应增加 铁铝酸钙 含量 ，可 提高水泥抗硫 酸盐能力 。胶凝材 的颗 粒级配和 表面形状对 混凝土拌 和物 的和易 性影响很大 ，进而影响 硬化混凝 土 的密实性 。颗粒级 配好 的胶凝材 配制 的混凝 土密实性 好 ；反之 配制的混凝 土孔隙率大 ，影 响混凝土 的耐久性 。合理掺人 矿物掺和料 一般来说有利 于改善混 凝土的耐久性。 3混 凝土 配合 比。混凝 土配合 比直接 关 系到其 密实性 ，恰 当的配合 比既有利于施 工 ，又能满 足混凝土 性能要求 ，耐久性也 很好 ；反之 导致硬化混凝 土孔 隙率 很高 ，不 能满足耐久 性要求 。如水灰 比过 高 ，孔隙率也 高 ，水灰 比过小 ，混 凝土拌 和物的工作性差 ，施工不方 便 ，导致硬化混凝土质量下降， 现麻面、蜂窝 、裂纹 等 ，影响耐久性 。 4环境 影响 。隧道 主体 结构 处在地 下 ，不 同地 区隧道 内温度 、湿度差异很 大 ， 随季节变化而变化 。 隧道主体结构混凝土时常受到地下水作用，而地下水的 成 分含量千差 万别 。因此 ，混凝 土的侵 蚀劣化是化 学和 物理 作用 。 由于 隧道 内温 度 、湿 度 变化 ，出现 干湿 交 替 、冻融循 环等现象 ，出现盐结 晶并产生结 晶压 力 ，水 凝 成冰体积膨 胀并产生膨 胀压力 ，加 速或导致混 凝土的 破 坏。 2 工程措施 导致混凝土劣化是 由于混凝土密实度差 ，其 内部有 充足的水分和侵入了其他有害物质。满足混凝土耐久性 要求 ，必 须降低} 昆 凝 土 的孔 隙率 ，特别是 降低毛细孔 的 一 7 8一 孔 隙率 ，使 混凝土有 足够 的密实性 并不 出现有害 裂缝 ， 能够抵抗水 分和侵蚀性介 质 的渗入 。隧道主体结构 混凝 土受侵蚀作用较为复杂 ，外界条件无法改变。因此 ，改 善 隧道主体结构 混凝土 的耐 久性必须注 重施 工工艺和原 材料 的选择 。 2 ． 1 原材料的选择 1 水泥 的选 择 。水泥 类材料 的强 度和 工程性 能 是通 过水泥砂浆 的凝结和 硬化形成 。水 泥石一旦受损 ， 混凝 土的耐久性 被破坏 。因此 选择水泥应 结合工程具体 情 况 和 ’沣意 水泥 品种 的性 能 ，选 择碱 含量 小 、水 化热 低 、干缩性小 、耐热性 、抗水 性 、抗腐蚀 性 、抗冻性能 好 的水 泥 。水泥 强度不是决定 混凝土强度 和性能 的唯一 标准 ，较低标号 的水泥也可以配制高标号混凝土 。因 此 ，选 择水泥强 度时 ，需考 虑工程性能 ，有时工程性能 比强度更重要 。 2矿 物掺 和料 的选择 。矿 物掺 和料 的选择应 考 虑其 碱活性 ，防止碱集料 反应造成 的危 害 。矿物掺 和料 应具有 很强 的耐 蚀性和很好 的吸水性 ，掺和料表面亲水 性要好 。 同时选 择合理 的颗粒 级配和形状 ，改善混凝土 拌合 物的和易性 ，提高混凝 土密实度 。大量研究表 明 ， 掺入粉煤 灰 、矿 渣 、硅灰等掺 和料能有效 改善混凝土性 能 ，改善 混 凝 土 内孔结 构 ，填 充 内部 空 隙 ，提 高密 实 度 。 工程实践经 验表 明 ，混凝土 的干燥 收缩不是 隧道 主 体 结构混凝 土产生大量 裂缝 的主要 原因 ，水化热 和温度 变 化是造成 混凝 土开裂 的主要原 因。因此 ，防止混凝 土 裂 缝 ，提 高其耐久性 ，应 降低其水化 热 。降低混凝 土水 化热可采 用降低新拌 混凝 土温度 的方法 ，加入一 定 比例 的粉煤灰 可提高混凝 土的黏聚性 ，同时产生 的胶 凝反应 对混凝 土有养护作 用 ，改善抗 裂性能 ，减 少收缩 ，延缓 早期强度 发展率 。混凝土掺人 大量掺和料 可抑制碱集料 反应 ，是提高混凝土耐久性 的有效措施 。 2 ． 2 混凝土配合 比设计 以降低混凝 土水胶 比 、不 片面强调水 泥的高强 和早 强为选用原则。减小水胶 比是改善混凝 土耐久性 的重要方 法 ，当前一些大体积混凝土结构一般采用低水胶比的碾压 混凝土。同时 ，还应强调混凝土组分中粗骨料 、细骨料的 均质性和稳定性，较好的骨料粒形 针片状较少 和合理 的级配。水泥与高效减水剂必须做相容性实验。 磊曼 CH ／ N ES ER A／ L W A ， S 2 01 1 ／ 0 2 在高软岩地 层 中修建 隧道时 ，采用喷射 活性粉末 混 凝土单层衬砌取代复合式衬砌，可提高隧道的承载与防 水 能力和 隧道 主体结构 的耐久性 。采 用喷射 活性粉末混 凝 土单层衬砌 时 ，应掺入一 定量 的钢钎 维 、掺 和料和减 水剂，严格控制水灰比、砂的细度模数和石子的粒径 ， 配 合 比应根据试 验确定 。掺入钢纤维 后 ，混凝 土 的各项 力 学性能有一定 改善 ，抗压 强度没有 明显提 高 ，但抗拉 强度 、抗裂性能 和抗渗水压 力强度 明显 提高 ，增 加 了混 凝土 的密实性 、耐久性 和质量稳定性 。 2 ． 3 混凝土浇筑温度和振 捣 混凝 土的入模温度 应控制在 2 5 o 以下 ，施工 过程 中 要预测混 凝土温度 与拉应力 的变化 ，提 出混凝土 温度控 制值 ，并 在施丁养 护过程 中实 际测定关键 截面 巾部温度 和表面约5 c m处 的表层温度 。 振捣 直接影 响混凝 土 的质量 和强度 。振捣不好 可造 成混凝土空 隙率增大 、密实性差 、收缩大 ，并 诱发 出现 裂缝 ，施丁 中应 采取有效 措施 。浇筑混凝土 时 ，应采用 高频振捣器振 实 ，遵循“ 快插 、慢拔 ” 的原则 ，且垂 直 点振 ，不得平拉 ，当拌合物的坍落度低于1 6 0 mm时 ， 应 加密振 点 。每 一振点 的捣 固延续 时间宜 为2 0～3 0 s ， 混凝土 应不再沉落 和出现气泡 ，表面呈 现浮浆 ，防止过 振 、漏振 。 2 ． 4 二次衬砌混凝土合理拆模时间 隧道初期 支护变形 稳定前施 T的二次衬 砌 ，拆模 时 混凝 土强度应达到设计 的1 0 0 ％，隧道初期变形 稳定后施 工的二 次衬砌 ，拆模 时混 凝土 强度 应达 到5 MP a 以上 ， 并应保证其表 面及棱角不受 损伤 ] 。 2 ． 5 选用合理的养护方法 由于我国 山岭 隧道分部地 域较广 ，隧道 内环境 条件 差异较 大 ，建 议在 隧道 内二次衬 砌混凝 土养生 时 ，采 用 密闭衬砌表 面养生技术 。 由于养护 台车 的造 价太高 ，建 议 我 国采取较 为简易 的汽雾 养生 台架 设备 ，台架的两 端 设充 气膜 ，台架 内侧 安装保 温隔热材 料 。当隧道 内温度 高于标 准值 时 ，在养 护 台车上 每隔一定 间距 安装若 干喷 雾嘴进行 喷雾降温 、保湿养生 ；当隧道 内温度低 于标准 值时 ，采用 安装在养 护台车 内桑 拿电炉进行 加热升 温 ， 同时开启安 装在 电炉 上喷淋 嘴进 行喷水 ，用 产生 的蒸汽 进行保 湿养 生。 二次衬砌混凝土采用汽雾养生 ，促进了混凝土持 C HI NE S ER AI L W AY s 2 01 1 ／ 0 2 篡 续 充分 的水 化反应 ，使混凝 土表面 的细部构 造得 以致 密 化，控制温度开裂的发生 ，降低了混凝土的干燥收缩开 裂 ，同时增进 了混凝土初期 和长期强度 的增长 。 2 ． 6 表面处理和防护 隧道 主体结构 混凝土表 面处理 和 防护可 采用表 面涂 层材料 ，但其选择更为重要 。表面涂层材料可有效提高 隧道混凝土 结构 的耐久性 ，工程应用 中不仅要 求其提高 耐 久性 ，而且要求 在环境温 度和湿度 变化条件 下应具有 抗 老化 的能 力 。建议 采用 刚性 与柔性表 面涂层材料 对混 凝 土表面进 行 防护 处理 。刚性 表面涂层 材料 为面层 ，柔 性 表面涂层 材料为底层 ，刚性 与柔性 复合 表面涂层 是有 效增强 隧道主体结构混凝土耐久性 的方 法之一 。 3 结束语 目前 ，应 高度 重 视 隧 道 主体 结 构混 凝 土 耐 久性 问 题 ，高 速铁路 隧道主体结 构混凝土 要求6 0 年免维护 。提 高混凝土结构的耐久性 ，延长其使用寿命 ，应大量采用 新 技术 、新成果 和新材料 。改善 隧道主体结 构混凝土 的 耐久性 ，将 提高混凝 土 的抗 渗性和抗 裂性作 为提高其耐 久 性 的主要 技术途 径 ；通过 采用复合 胶凝材料 、降低水 胶 比和减少 用水量 ，在混凝 土中添加纤 维素纤维 增加二 次衬砌韧性来显著提高混凝土的抗裂性 ，这是隧道主体 混凝土结构耐久 性的研 究方 向 。 参考文献 ⋯唐 国荣 ． 隧道混凝 土结构耐 久性 的环 境影 响 因素 及 措施对 策【 J J ．铁道标 准设计 ，2 0 0 6 1 1 【 2 】倪文彪 ． 影响钢 筋 混凝土结 构物耐 久性 的主要 因素 及对 策【 J J ．华 东公路 ，2 0 0 5 2 [ 5 】刘新 荣，祝云 华 ，李 晓红 ，等 ． 隧道钢 纤维喷射 混 凝土单层衬砌试验研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 9 [ 4 ]刘加 华 ，钱春 香 ，王镝 ，等 ． 考虑 施工 因素影响 某 城 市超 长隧 道主 体 混 凝土 耐 久 性初 探 [ J ] ． 施 工技 术 ，2 0 0 5 增 刊 [ 5 】中禄坤 ． 影响隧道衬砌结构耐久性的主要 因素 ． 四川建 筑，2 0 0 7 2 责任编辑葛化一 收稿 日期2 O 1 O 一1 0 2 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