公路隧道衬砌混凝土抗裂研究

公路隧道衬砌混凝土抗裂研究

作者：刘坤,周继前,黄成胜,殷海路

单位：湖南省芷铜高速公路建设开发有限公司  湖南省益阳公路桥梁有限责任公司

邮编：413000

摘要：隧道衬砌混凝土极易出现裂缝，导致公路隧道存在安全隐患，因此，需要采取有效的抗裂措施，从而提升混凝土抗裂性能，目前，对公路隧道衬砌混凝土抗裂的研究大多数集中于防裂材料研究，本文也从防裂材料着手，对新兴的防裂抗渗复合材料在公路隧道衬砌混凝土抗裂中的应用展开实验研究，从而为公路隧道衬砌混凝土防裂抗渗提供有力支持。

关键词：公路隧道；衬砌混凝土；抗裂

为了提升公路隧道混凝土的耐久性，使混凝土结构使用寿命得以延长，促进公路隧道运行的安全性，我国相关部门及学者已经对混凝土耐久性进行研究。有研究表示，混凝土出现的表面裂缝对混凝土结构的耐久性可产生较大的影响，同时也有研究表示，将各类纤维按照一定比例掺入到混凝土之中混合使用，对于提升混凝土抗裂性能发挥重要作用[1]。因此，本文以实际工程作为研究案例，通过试验研究对公路隧道衬砌混凝土抗裂材料进行研究，从而为公路隧道衬砌混凝土抗裂提供支持。

1.工程概况

跑马坪2号隧道为小净距短隧道，左线起讫柱号ZK14+560～ZK14+908，隧道全长348m;最大埋深57m，右线起讫桩号K14+564～K14+910.71，全长346.71m，最大埋深53m，属短隧道。隧道区地形起伏大，属构造剥蚀低山地貌区，海拔高程介于540～629m之间，最大相对高差89m，地表植被发育，以松木及灌木为主。结合钻探、物探及工程地质调绘综合分析，隧道区地层岩性主要为第四系全新统坡残积(Q4dl+el)碎石:板溪群五强溪组第二段(ptbnw²)板岩、板溪群五强溪组第一段(ptbnw²)变质砂岩，同时，本次勘察期间参照临近工点跑马坪1号隧道水样分析成果，场地属于Ⅱ类化学环境，经分析，隧道区内地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝士结构中的钢筋具微腐蚀性，导致隧道衬砌混凝土易发生裂缝。因此，需要采用有效的防裂抗渗复合材料对隧道衬砌混凝土抗裂予以支持。本项目隧道二衬混凝土积极推广应用防裂抗渗复合材料，采用合成纤维和高功能粉体材料复合而成，各组分功能叠加，整体展示优异性能。

2.试验研究

2.1试验选用的原材料

本次试验研究所选原材料主要包括基准水泥、标准砂、硅酸盐水泥、河砂、机制砂、碎石、粉煤灰以及聚羧酸高效减水剂。并对所选原材料进行试验，试验结果表明，所选原材料均能够达到相应的国家标准，所检测的项目均满足相应的技术要求，例如，硅酸盐水泥的初凝时间为255min，达到了≥45min的行业技术要求，终凝时间为335min，达到了≤600min的行业技术要求；河砂细度模数为2.6，含泥量为2.7%，泥块含量为1.0%，碎石颗粒级配为5~20mm连续级配，碎石含泥量为0.7%，碎石泥块含量为0.6%等，这些试验结果均符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006），试验所用外加剂的减水率为18%，在技术要求的14%以上，含气量为2.6%，在技术要求的3.0%之内，凝结时间差、抗压强度比均能满足技术要求。

2.2配合比试验

为了提升该项目混凝土抗裂性能，必须对各种材料进行配比，通过科学配比提升混凝土特性。本项目配合比试验主要从水泥胶砂配合比试验、混凝土性能试验两个方面开展。

2.2.1水泥胶砂配合比试验

依照我国现行规定，确定衬砌混凝土防裂抗渗材料的水泥胶砂配合比试验的配合比为：标准砂：水泥：水=3：1：0.5[2]，同时对该配合比进行适当调整，防裂抗渗复合材料的掺量、粉体与纤维之间的比例称为粉纤比，具体的水泥胶砂配合比见表1所示。

表1公路隧道衬砌防裂抗渗复合材料试验的配合比（单位：g）

2.2.2混凝土性能试验

依据国家现行标准规定，对混凝土配合比设计应该遵循的原则包括以下几点[3]：

（1）试验所选防裂抗渗复合材料的掺量为1kg/m3，且粉纤比必须达到2：3；

（2）使用基准水泥，且保证单方用量达到330kg；所用砂子的细度模数为2.6；石子、河砂的砂率为40%，为5~20mm连续级配；

（3）坍落度应该控制在（80±10）mm范围内；

（4）选用的防裂抗渗复合材料至少为2种，以便于对比试验。

该实验共选择了四种配合比方案，具体见表2所示。

表2配合比试验的四种方案

2.3试验结果分析

2.3.1水泥胶砂配合比试验结果分析

试验分别对上述编号配比材料在不同时间的抗压强度进行测定，并对稠度进行测定，通过试验得出结果见表3所示。

表3不同配比材料的力学性能以及胶砂稠度试验结果

从表2可知，单掺粉体材料BZ4~BZ6的稠度与基准胶砂材料对比明显增加，说明该粉体能够对拌合物状态进行改善，并且掺量与改善效果成正比；复掺粉体材料BZ1~BZ3与基准胶砂材料相比明显减少，说明此类材料也会对拌合物性能产生一定影响。从抗压强度来看，单掺试件对抗压强度的增加效果更加明显，而复掺试件的抗压强度会伴随纤维材料使用量的增加而不断降低。

2.3.2混凝土性能试验结果分析

（1）力学性能分析：通过对各种防裂抗渗复合材料的对比得出，方案D水泥：水：砂：石子：外加剂=329：211：869：999：1的配合比材料在抗压强度以及与基准混凝土抗压强度比方面表现比较均衡。

（2）耐久性分析：早期抗裂方面，通过试验得出A、B、C、D四种方案的单位面积上的总开裂面积分别为2418mm2/m2、1854mm2/m2、2136mm2/m2、219mm2/m2。说明方案D对应的防裂抗渗材料能够更加有效的降低公路隧道衬砌混凝土开裂；抗水渗透方面，通过试验得出A、B、C、D四种方案的渗透高度分别为67.8mm、56.0mm、46.2mm、52.8mm，可见方案C配合比的复合材料在渗透高度方面最低，其次为方案D复合材料，说明两种材料均可提升混凝土的抗水渗透性能；接触式收缩方面，四种方案的各龄期混凝土的收缩率见表4所示。

表4各龄期混凝土收缩率试验结果

从表4可知，方案D材料对混凝土抗收缩型不会产生明显影响；抗冻性能方面，通过试验得出A、B、C、D四种方案的抗冻等级分别为F100、F75、F100、F150。说明方案D复合材料能够更加有效的将混凝土抗冻性予以改善，改善效果均优于其他抗渗材料。

2.4讨论

综合上述试验结果得出，方案D对混凝土防裂抗渗效果比较良好，因此，该项目最终采用了该方案，该方案下使用的粉体材料为高功能粉体材料，其改变水泥水化过程和水化产物的颗粒形貌及空间排列，有效提高混凝土拌合物和易性[4]；增强混凝士致密性和抗渗性能大于高功能粉体材料能起到锁水作用，降低孔隙水的表面张力，减少毛细孔失水产生的收缩应力，另一方面增大混凝土中孔隙水的粘度，增强水在混凝土胶体中的吸附作用，减少混凝土的收缩应力；有效降低混凝土水化绝热温升，实际工程应用表明能降低温度峰值达8-10℃且大大延缓峰值出现的时间(10-12h)从而减少因温度应力而产生的裂缝。通过优质合成纤维“桥接效应”[5]，有效降低早期塑性开裂，提高整体体积稳定性。因此，该项目采用方案D后产生的衬砌效果良好，且在施工中以及后期隧道运营中均未出现开裂问题。

3.结论

综上所述，公路隧道是一项重要的基础设施工程，隧道的安全性是重中之重，需要对衬砌混凝土出现的开裂问题进行有效的预防，本文以跑马坪2号隧道为例，通过试验研究对衬砌混凝土抗裂使用的防裂抗渗复合材料进行了研究。通过研究得出方案D最为适合应用，该方案对于混凝土的抗压强度、抗裂效果、抗水渗透、收缩率以及抗冻等级提升等方面均能够发挥有效的作用，因此，可以将该防裂抗渗复合材料在公路隧道衬砌项目中予以广泛应用。

参考文献

[1]段乐婷. 隧道二次衬砌混凝土开裂机理数值模拟研究[J]. 西安交通工程学院学术研究, 2022(1):14-17.

[2]张忠良. 大跨度预应力混凝土刚构连续梁桥施工技术[J]. 粘接, 2022(3):92-95.

[3]陈秀平, 章彬虎, 郑国平,等. 预制混凝土衬砌板在隧道修补加固工程中的应用[J]. 混凝土与水泥制品, 2022(9):42-45.

[4]许献磊, 郑浩翔, 刘昱昊. 基于改进链码追踪算法的隧道衬砌裂缝识别方法[J]. 现代隧道技术, 2022, 59(4):90-99.

[5]宫治军. 某工程隧洞衬砌混凝土早期抗裂性能试验研究[J]. 东北水利水电, 2021(2):40-42.