基于混凝土碳化过程的公路隧道衬砌寿命预测

基于混凝土碳化过程的公路隧道衬砌寿命预测

唐斌

重庆建工第一市政工程有限责任公司 400020

摘要：混凝土碳化是指空气中的CO₂气体与混凝土中的水化产物发生化学反应，生成中性化的化学成分，从而降低混凝土碱性水平。随着碳化龄期的增长，混凝土保护层可能被完全中性化，导致内部钢筋表面钝化模失稳破坏，钢筋失去保护，进而诱发钢筋锈蚀、保护层开裂等更为严重的耐久性问题。混凝土材料是影响混凝土碳化速率的内在因素。通过优化配置混凝土的水胶比、水泥用量、外加剂以及掺合料等，提高混凝土的密实度，减小内部连通孔隙率，从而降低CO₂在混凝土中的扩散系数。其次，环境温度、湿度和CO₂浓度等环境因素和混凝土应力状态是影响碳化的主要外部因素。研究表明，混凝土碳化速率随着温度和CO₂浓度的增加而加快，相对湿度在50%左右时碳化速率最高，而相对湿度过高或过低均显著降低碳化速率。特别地，在遭受干湿交替作用时，碳化作用更为严重。混凝土受拉时，内部微裂缝扩展而加快碳化速率，在受压时内部孔隙和微裂缝闭合而减小碳化速率。特别在寒冷地区，混凝土结构还同时遭受冻融循环的作用，冻融损伤不仅劣化了混凝土的强度和整体性，而且降低了密实度并增大了CO₂的扩散系数，两者共同作用往往导致更为严重的耐久性退甚至结构破坏。基于此，本篇文章对基于混凝土碳化过程的公路隧道衬砌寿命预测进行研究，以供参考。

关键词：混凝土；碳化过程；公路隧道；衬砌寿命预测

引言

山区公路隧道结构狭长、空间小、道路窄、通风条件差、受火温度高，一旦发生混凝土碳化过程不能及时扑灭时，高温会导致隧道衬砌混凝土的爆裂和力学性能劣化，降低结构的承载力和安全性。研究混凝土碳化过程隧道衬砌在不同温度区域与不同衬砌深度混凝土的物理力学性能的劣化规律；通过的衬砌结构热应力模拟计算，总结混凝土碳化过程后衬砌结构损伤检测与评价及提高衬砌结构耐火性能的方法；利用现场勘测法对混凝土碳化过程隧道进行初步损伤评价并有针对性地提出加固方法。由上可知，以往相关研究多集中在隧道衬砌结构的混凝土碳化过程模拟计算及安全性评估的理论和初步应用方面，对于混凝土碳化过程后现场衬砌结构的检测和安全评估应用研究甚少。本文依托某运营隧道典型衬砌病害，通过实地调研、表观检查、实测数据分析与评价手段，从多个角度对隧道混凝土碳化过程衬砌的影响进行分析和安全性评价，以期为类似工程提供借鉴。

1相关概述

1.1风险识别与评估

混凝土碳化过程后隧道衬砌的风险识别与评估主要基于对衬砌外观和混凝土材料劣化性能的检测结果。隧道外观检测主要对表观损伤特征进行检查，包括衬砌破损的位置、范围或程度，墙身施工缝开裂宽度、错位量等。衬砌混凝土材料的劣化性能检测主要包括衬砌厚度及缺陷、隧道内轮廓、混凝土回弹强度及碳化深度、衬砌混凝土钻芯及抗压强度等。

1.2隧道衬砌开裂的危害

衬砌开裂是铁路隧道工程中较为普遍的病害，作为基础病害形式，如未得到有效治理，后续将产生渗漏、掉块等连锁病害。总体上，隧道衬砌开裂所造成的危害主要有如下几个方面：影响衬砌结构的稳定性，使其承载能力降低，伴有较明显的上覆围岩沉降现象，甚至在其他因素的共同作用下产生塌方。遇地下水含量较高时，隧道衬砌的渗漏水发生概率较高，影响范围较大。水体侵蚀将导致裂缝持续扩展，并渗透至衬砌内部钢筋中，使其锈蚀。随时间的延长，衬砌背后的空洞范围扩大。衬砌裂缝数量较多时，局部出现裂缝相交的情况，并逐步衍生出网状裂缝，严重破坏衬砌的完整性，使其出现剥落、掉块等质量问题，列车通行期间的安全隐患增加。衬砌开裂病害的整治过程中需封闭交通，干扰列车的正常运行秩序。

2混凝土碳化对公路隧道衬砌寿命影响

2.1混凝土碳化机理及影响因素

这其中起主导作用的是二氧化碳与氢氧化钙发生的中和反应。混凝土碳化过程中发生的化学反应有：

CO₂+H₂O→H₂CO₃，Ca(OH)₂+H₂CO₃→CaCO₃+2H₂O

3CaO·2SiO₂·4H₂O+3H₂CO₃→3CaCO₃+2SiO₂+6H₂O

混凝土发生碳化的过程较为复杂，无论是外界因素还是混凝土材料的物理力学性能，对于碳化都有较大影响。综合以往的研究结果，影响混凝土碳化过程的主要因素包括混凝土自身配合比设计与强度、环境中二氧化碳浓度、环境湿度与温度等。其中，混凝土配合比与强度主要影响混凝土内部的气泡与孔隙数量，而环境中二氧化碳浓度、温度、湿度等影响碳化的过程和剧烈程度。

2.2衬砌混凝土碳化深度模型与碳化残量

混凝土碳化过程中，碳化深度的基本计算，可通过Fick第一扩散定律来进行模拟，其基本计算公式为:X=k 。其中，X为碳化深度;k为碳化系数;t为碳化时间。在此基础上，国内外不同学者分别提出了基于理论和实验的碳化深度计算模型。其中，最典型的理论模型是基于上述计算基本模型的数学模型，对碳化系数做了进一步的细化和考虑，其表达式为:

X=

其中，D_CO2为CO₂的有效扩散系数;C_CO2为混凝土所处环境中的CO₂浓度;M_CO2为单位体积的混凝土所能吸收的CO₂量。

2.3公路隧道衬砌寿命预测方法

根据上述分析，衬砌结构的全寿命工作分为两个阶段，混凝土的碳化以及混凝土碳化引起的钢筋锈蚀，这两个阶段在时间上紧密相连，也存在逻辑关系。因此，衬砌结构寿命预测的关键点，在于确定混凝土碳化至钢筋还未发生锈蚀时，衬砌内部钢筋的无锈蚀工作时间。而衬砌结构混凝土内部的钢筋锈蚀的主要影响因素是混凝土的碳化过程，其起始时间由碳化深度与混凝土碳化残量共同确定。

3基于隧道衬砌开裂的整治关键技术

3.1无漏水环向裂缝和斜向裂缝的整治

在环向裂缝和斜向裂缝病害整治工作中，若不存在漏水情况，则可以采取凿槽填充的方法。主要操作内容为：确定裂缝的发生区域，凿深度和宽度均为5cm的槽，全面清理槽内的杂物，向其中填入4cm厚的高强度膨胀砂浆（4cm）。再用配色砂浆涂抹剩余的1cm，利用2类砂浆材料有效填充凿槽，使该处恢复原状。具体如图1所示。

3.2纵向裂缝的整治

在衬砌纵向裂缝的整治工作中，无需考虑是否存在漏水的情况，即均可采用压浆封堵的方法。主要操作内容为：确定裂缝的发生区域并在该处凿深度和宽度均为8cm的槽，全面清理槽内的杂物。确定开槽质量无误后，向其中填入高强膨胀砂浆。此过程中沿槽按60cm的间距标准，依次预埋长度为8cm的注浆尖嘴，使该装置均能够顶在槽底，以便给后续注浆作业创设良好条件。经一段时间后，若高强膨胀砂浆凝固即可向注浆嘴内注入浆液，使其具有饱满性。最后取适量配色砂浆将其涂抹在槽内，完成剩余1cm的填充，恢复原状即可。

结束语

综上所述，碳化时变可靠度参数分析表明，碳化残量对混凝土碳化寿命预测有显著影响，累计冻融损伤达一定程度后才能降低混凝土碳化可靠水平，而且随着服役时间增长影响越显著。混凝土保护层厚度和环境条件综合影响系数是碳化寿命的控制参数，而混凝土强度的影响相对较小。同时，角部部位混凝土碳化可靠指标的经时下降速率要远高于中部部位的混凝土。

参考文献

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