轻骨料喷射混凝土在公路隧道漏水治理中的应用研究

李运华，李 珍2,原 华

(1.河南大学 土木建筑学院，河南 开封 475004； 2.商丘学院 应用科技学院，河南 开封 475004)

0 引言

轻骨料混凝土的重度比普通混凝土小，材料的力学性能与普通混凝土之间存在较大差异，因此轻骨料混凝土大多用于处理非结构问题或者用于结构的非承重部位。在公路隧道修建过程中由于地质勘察的局限性，施工中往往会引起掌子面渗漏水问题，对于小型水包及部分岩隙水通常是喷射混凝土材料封堵出水口，而封堵材料并不能形成受力结构，只作为填充物承受部分水压，因此轻型混凝土材料用于治理隧道施工渗漏水的应用前景广泛，一些学者也给出了相关研究。王家滨等就轻骨料混凝土中粉煤灰掺量对混凝土抗渗性做了相关研究，认为提高粉煤灰掺量能提高材料的抗渗性能[1]；兰州交通大学高悦琛研究了轻骨料喷射混凝土在硫酸盐环境下的腐蚀性能，其腐蚀性能要劣于普通混凝土[2]；刘魁刚研究了轻骨料混凝土的抗冻性能，得到了其冻融循环400多次后的力学性能[3]；范士超研究了轻骨料喷射混凝土的工作性能，得到了其良好工作特性下的最佳配合比[4]；赵世科通过实验的方法得到了轻骨料混凝土的早起强度特性[5]。本文通过实验的方法得到了轻骨料混凝土的力学特性，并结合其在工程中的应用研究了其施工工艺，本文对轻骨料混凝土施工应用和施工技术分析具有一定的借鉴意义。

1 轻骨料混凝土力学试验研究

混凝土的配合比直接影响了其力学性能，为了将轻骨料混凝土和普通混凝土的力学性能作对比分析，本文中轻骨料混凝土粗骨料采用陶粒等体积替换普通混凝土中的粗骨料，其余材料及配合比与普通混凝土相同，2种混凝土粗骨料各项参数见表1所示。

表1 粗骨料参数对比Table1 Comparisonofcoarseaggregateparameters名称堆积密度/(g·cm-3)空隙率/%吸水率/%级配碎石1.4645.80.51页岩陶粒1.1251.30.37

实验中细砂为天然河沙，水泥为河北双峰水泥生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，此外为了减少水的用量，本实验中加入2%聚羧酸减水剂。实验中2种混凝土的配合比如表2所示。

表2 2种混凝土配合比Table2 Twomixratiosofconcrete种类粗骨料/kg细骨料/kg水泥/kg水/kg减水剂/%普通混凝土11216824512112轻骨料混凝土6536824512112

在实际工程应用中，混凝土作为结构的抗压构件部分被广泛使用，此外结构边缘混凝土保护层能起到防止钢筋锈蚀的作用，因此其必须满足一定的抗裂性能[6-7]。为了得到轻骨料混凝土的抗拉和抗压性能，分别对其进行抗压强度和劈裂抗拉强度试验。

1.1 混凝土抗压试验

对于混凝土抗压强度试验，实验中试块尺寸为边长100 mm的立方体试块，浇筑完成24 h后拆除模板并置于室内养护，室内温度20±5 ℃，相对湿度≥95%，养护龄期根据实验需要决定，最长龄期为28 d，实验中取不同龄期标注块放于压力机上进行抗压实验，相同条件下试块分别取3块，实验结果取平均值，强度计算公式如式(1)所示，压力机为如图1所示的SYE-2000 型压力机。

(1)

式中：fcu为抗压强度，MPa；F为破坏荷载，N；A为受力面积，mm2；0.95为非标准块尺寸换算系数。

图1 实验用压力机Figure 1 Experimental press

试验中得到了2种混凝土材料不同龄期下的抗压强度，如表3所示。

表3 2种混凝土不同龄期抗压强度Table3 Compressivestrengthoftwokindsofconcreteatdiffer-entages种类4d强度/MPa7d强度/MPa14d强度/MPa28d强度/MPa普通混凝土13.2115.0216.8616.92轻骨料混凝土9.2518.3719.5619.63

根据表3绘制如图2所示抗压强度曲线。

图2 2种混凝土抗压强度对比曲线Figure 2 Compressive strength contrast curves of two kinds of concrete

从图2可以发现，轻骨料混凝土在龄期4 d前抗压强度小于普通混凝土，但龄期7 d后轻骨料混凝土的抗压强度增长幅度明显高于普通混凝土，且其在28d龄期的抗压强度比普通混凝土高出16.01%。这是因为轻骨料混凝土早期强度由材料间摩擦力决定，由于轻骨料混凝土中粗骨料表面形状棱角少摩擦力小，因此早期强度较低，后期混凝土材料间嵌锁力是决定混凝土抗压强度的主要因素，轻骨料混凝土中骨料表面特性能使骨料和水泥间充分咬合，因此其抗压强度较大。

1.2 混凝土劈裂抗拉试验

混凝土的抗拉强度是衡量混凝土力学性能的另一个重要指标，为了得到混凝土的抗拉强度，本文对其进行劈裂抗拉试验。实验中混凝土试块的制作养护方式与抗压实验相同，其抗拉强度计算公式如式(2)所示。

(2)

式中：fts为抗拉强度，MPa；F为破坏荷载，N；A为劈裂面面积，mm2；0.85为非标准块尺寸换算系数

实验得到了2种混凝土不同龄期下的劈裂抗拉强度，实验结果如表4所示。

表4 2种混凝土劈裂抗拉对比Table4 Comparisonofsplittingtensilestrengthoftwokindsofconcrete种类4d强度/MPa7d强度/MPa14d强度/MPa28d强度/MPa普通混凝土1.251.071.051.31轻骨料混凝土1.140.980.941.79

根据表4绘制了2种材料的抗拉对比曲线，其曲线图如3所示。

图3 2种混凝土材料抗拉强度对比曲线Figure 3 Tensile strength contrast curves of two concrete materials

从图3可以看出在龄期14 d及以前轻骨料混凝土的抗拉强度比普通混凝土低，强度降低幅度在8.4%左右，但28 d后轻骨料混凝土抗拉强度比普通混凝土高出约36.66%。这是因为混凝土的初期抗拉强度主要胶凝材料和骨料间的粘聚力决定，轻骨料结构表面光滑棱角不明显，因此其粘聚力较低，随着混凝土龄期的增加，混凝土的抗拉由骨料间咬合力和摩擦阻力决定，轻骨料混凝土骨料间的咬合力大于普通混凝土，因此呈现如图3所示的抗拉强度破坏曲线。

从轻骨料混凝土的抗压强度实验和抗拉强度实验可以发现，其终凝后的力学性能要优于普通混凝土。从结构受力角度考虑，轻骨料混凝土不仅可以降低结构自重，消除因结构重力带来的二次附加应力，而且其抗拉和抗压强度比普通混凝土高，因此轻骨料混凝土从力学性能角度考虑完全能取代普通混凝土用于隧道渗漏水治理中。

2 轻骨料混凝土抗渗性研究

混凝土是由不同级配的骨料和胶凝材料在水的水化作用下胶凝形成的混合材料，混凝土的抗渗性能由混凝土的自身特性和所受外部荷载共同决定的[8]。

从混凝土自身材料角度考虑，其内部的孔隙特征是决定其抗渗能力的主要因素。混凝土的孔隙特征包括孔隙率、孔隙分布和孔隙大小3个方面。孔隙率指混凝土中气体体积占整体体积的比率，孔隙分布指的是内部孔隙裂缝的来源,并将其分为粘着裂缝、水泥石裂缝和骨料裂隙3种，孔隙大小指的孔隙裂缝的长度和宽度[9]。

混凝土所承受外部荷载特性是影响混凝土抗渗性能的外部因素。混凝土在受拉及偏心受压等不良受力状态下容易产生裂缝影响其抗渗性能[10]。

轻骨料混凝土的内部微观构成和普通混凝土有较大区别，因此本文采用实验的方法研究了不同配合比下轻骨料混凝土的抗渗性能。实验中用电通量衡量其抗渗性能。电通量是由美国学者提出，并广泛应用于混凝土抗渗性能测验中，该方法精度高、周期短、成本低，实验结果如表5所示。

表5 轻骨料混凝土抗渗性能Table5 Seepageresistanceoflightweightaggregateconcrete实验编号水灰比粉煤灰/%硅灰/%电通量10.42001780.4320.47155677.1230.5230103645.7840.42305789.2350.470105312.2160.521504711.2870.421510432.9580.473001723.5690.52054862.37

从表5可以看出，轻骨料混凝土在不同配合比下其电通量变化范围比较大，最大是5号试块其电通量为5 312.21，最小是2号试块其电通量为677.12。因为电通量越大表明混凝土间的孔隙越大，其抗渗能力越低。从表中可以发现，对抗渗性能影响最大的是材料的水灰比，其次是粉煤灰含量，最后是硅灰比例。因此要降低材料的水灰比，适当提高粉煤灰及硅灰含量，从表中可以看出其最佳配合比为2号试块，即当水灰比为0.47，粉煤灰含量为15%，硅灰含量为5%时,其抗渗性能达到最佳。

3 工程应用

某公路隧道是位于首都环线高速公路中一条穿越富水软弱破碎围岩地层中的特长隧道，该隧道于2015年建成通车，随着运营年限的增长，隧道拱肩及拱顶多部位出现了如图4所示的渗漏水病害，严重影响了通行安全和结构使用年限。

图4 隧道渗漏水病害Figure 4 Tunnel leakage disease

对于隧道渗漏水病害的治理，首先将渗漏水处附近二衬结构表面1 m2，深度10 cm的混凝土全部凿除并处理结构面，然后喷射轻骨料混凝土并做后期养护。其应用效果如图5所示，从应用效果看，轻骨料混凝土能有效治理隧道渗漏水。

图5 治理效果Figure 5 Governance effectiveness

4 结论

轻骨料混凝土由于采用了较轻的粗骨料，因此其单位体积的重量比普通混凝土小，本文利用实验方法研究了轻骨料混凝土的力学性能和抗渗性能，并结合工程实例研究了其在隧道漏水治理中的应用，并得出了以下结论：

a.轻骨料混凝土的早期抗压强度和抗拉强度明显低于同等级的普通混凝土，但随着混凝土龄期的增加，其28 d龄期后的抗拉和抗压强度均高于同级别的普通混凝土材料，因此轻骨料混凝土有良好的力学特性。

b.在不同配合比下轻骨料混凝土的抗渗性能存在较大差异，且水灰比对其抗渗性影响最大，实验中当水灰比为0.47，粉煤灰含量为15%，硅灰含量为5%时，其抗渗性能最佳。

c.通过其在某公路隧道渗漏水病害的治理应用来看，轻骨料混凝土能有效封堵二衬结构的孔洞和漏水点，达到了预期治理效果。