探讨碱—集料反应对喷射混凝土的影响

崔艳军

(陕西交建公路工程试验检测有限公司，陕西西安 710117)

1 工程概况

西商高速田家沟隧道是长隧道，按双线六车道标准设计，属大断面隧道，左右线长度分别为2 310 m和2 230m，净宽14．5 m，高8．10 m，最大开挖断面165．9 m2。该隧道总掘进550 m，均处于Ⅴ级围岩段，上台阶采用双侧壁施工，下台阶开挖马口跳槽落底。初期支护由 D25型中空注浆锚杆(L=350 cm，纵环向间距75 cm×100 cm)、φ8钢筋网(间距20 cm ×20 cm)、28 cm 厚喷射混凝土、20b工字钢(纵向间距75 cm)组成，结合φ42×3．5mm超前小导管(L=4．5m，纵、环向间距3m，0．4m)。施工过程中因地质构造复杂，先后发生较大规模的塌方，采用了地表加固注浆、临时喷射混凝土封闭、管棚超前支护、塌体注浆、预留核心土分部开挖支护等措施对塌方进行治理，并穿越了山体滚落堆积体，从处理后的监控观测结果看，地表下沉、初期支护收敛变形均符合设计及规范要求。

2 喷射混凝土作用分析

喷射混凝土是利用泵或高压风作为动力把拌和好的混合料通过喷射机、输料管以及喷头直接射到隧道开挖好的围岩壁上面，由于喷射力较大，容易造成反弹而下落。为了减少反弹损失，防止喷射混凝土因重力作用所引起的脱落，配制混凝土时加速凝剂可以提高混凝土的初凝、终凝时间，使其在数小时内获得能够支持自重和随掌子面推进的荷载的施工上所需的强度。

喷射混凝土在施工期间是保证施工安全，减少围岩松弛并支承围岩，喷层在大面积与围岩牢固接触的前提下，控制围岩不出现有害变形，从而使围岩卸载。喷射混凝土还通过填平围岩间的裂隙及表面凹处，使岩块联结在一起，提高岩块之间的粘结力，摩阻力，防止围岩松动。在喷射混凝土完好覆盖围岩表面的情况下，还可以形成防风化和止水的防护层。从力学意义上来讲，喷射混凝土还可以分配外力，传递径向应力和切向应力到锚杆、钢筋网架，使支护结构受力均匀。

3 碱—集料反应及其危害

1)碱—集料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合后与水中的碱(Na2O或K2O)与骨料中的活性成分反应，经过一个长期的过程，反应生成物吸水膨胀，使混凝土产生内应力，表面不均匀膨胀，产生裂缝。从而大大缩短混凝土建筑物的使用寿命，预防和抑制碱—集料反应是国内外混凝土界研究的重要领域之一。其反应的内外部条件主要有三点:a．混凝土所用的骨料具有活性。b．混凝土中的总碱含量达到一定的数值。c．具有潮湿的环境，有水的存在。

2)产生碱—集料反应的内部条件是水泥中的碱含量和集料中的活性物质。而其外部条件主要是水。对隧道工程中的初期支护C20喷射混凝土而言，正是长期处于地下湿度比较高的环境之下，而且每立方米水泥用量较大，因而产生碱—集料反应的可能性极大。当丰水年份地下浸流发生，地下水较多时，每立方米喷射混凝土中的碱含量将接近3 kg，和泥质石灰质白云石的活性物质就会发生碱—集料反应。所以采取必要的预防措施，步步设防才可减少碱—集料反应的发生。

由于西商高速田家沟隧道地处白云质灰岩、角砾白云岩和白云岩山体中，按照就地取材的原则选用喷射混凝土的原材料，然后查阅相关文献，得到白云质灰岩等属于沉积岩的是碱活性集料，用砂浆长度法试验得不到骨料有潜在碱—硅酸反应(见表1)。

表1 试验结果

上述的是碱—碳酸盐反应，属于碱—集料反应的第三类反应，碱与泥质石灰质白云石发生作用，将白云石中的碳酸钙镁转化为水镁石Mg(OH)2，水镁石晶体排列的压力和粘土吸水膨胀，引起混凝土的内部应力，导致混凝土开裂。与碱—硅酸反应不同的是，碱—碳酸盐反应继续产生碱，继续反复与白云石反应。碱—碳酸盐反应表现为有白色的碳酸钙和碳酸钠析出。外观表现为混凝土表面出现树枝状、网状裂缝(龟裂)，在集料处膨胀、开裂。尽管这些裂缝并不会使混凝土完全破坏，却降低了混凝土的设计抗折抗压强度、降低混凝土的耐久性，缩短了隧道的使用寿命。

3)喷射混凝土中的碱含量标准要求与实例计算。隧道初期支护使用的C20喷射混凝土的配合比的具体数据如下:

第一步:水泥∶砂∶石∶水∶外加剂 =420 kg∶1 027 kg∶840 kg∶189 kg∶16．8 kg。

C20喷射混凝土采用商洛料场所产的碎石和河砂。

C20喷射混凝土采用某化工有限公司的HL-J85粉状速凝剂，其碱含量为 2．73%，pH=11．98≈12．0，属碱性。

水泥采用某牌P．O32．5其碱含量为0．52%。

第二步:喷射混凝土含碱量计算公式:

混凝土碱含量=水泥带入碱量+外加剂带入碱量+掺和料中有效碱含量。

水泥带入碱量 =420 kg×0．005 2=2．184 kg。

外加剂带入的碱量 =16．8 kg×0．002 73=0．458 64 kg。

以上两项之和得2．643 kg，带入的总碱量约等于2．7 kg/m3小于3．0 kg/m3(未计第三项掺和料带入的碱量)。

《混凝土碱含量限值标准》对混凝土中的总碱含量有规定:在重要工程桥梁隧道中应用的混凝土的总碱含量不能超过3 kg/m3。

上述的C20喷射混凝土中的含碱量未超过3 kg/m3。

4)预防碱碳酸盐反应的思路。从推算喷射混凝土中的两项碱含量可以看出，水泥中的碱含量占喷射混凝土总碱量的80%以上，而外加剂中的碱含量只占喷射混凝土总碱量的20%以下。因此预防碱—碳酸盐反应这类碱—集料反应的思路有两条:a．尽量选用低碱或无碱水泥(水泥的含碱量以当量氧化钠(Na2O+0．658K2O)计，不得超过0．6%)。减少C20喷射混凝土中的水泥用量，使每立方米混凝土的碱含量不大于3．0 kg。严格限制使用高碱外加剂。b．在开挖围岩时，如发现地下水，应尽可能引入排水沟中，使隧道保持较为干燥的施工和运营环境，切断造成碱—集料反应的外部条件。

4 结语

碱—集料反应不是一般的含活性SiO2的碱—硅酸盐反应，而是指碱—碳酸盐这类碱—集料反应。目前把碱—集料反应称作混凝土的顽症，所以无论哪一种碱—集料反应都应引起高度重视。建议C20喷射混凝土的总碱含量控制在每立方米3．0 kg以下。施工中，切实做好防水、排水措施，切断发生碱骨料反应的外部条件，从而延长隧道的使用寿命。