隧道衬砌混凝土养护工艺研究

郝迎军

(中铁十六局集团有限公司 北京 100018）

1 引言

目前，铁路隧道衬砌混凝土存在混凝土开裂、强度离散性过大等现象，质量问题比较突出。这一现状的出现，跟目前混凝土养护工艺的不成熟、对养护工作的重视程度不足有着密切联系。混凝土养护不够及时、养护不到位等因素不仅严重影响了水泥颗粒的水化进度，也影响了矿物掺合料火山灰效应的发挥，造成了混凝土单位体积胶凝材料用量虽然很高，但其强度和耐久性能却并不理想。因此通过研究隧道衬砌混凝土养护的工艺原理，分析养护效果的影响因素，找到最佳的养护工艺方法等这一系列工作迫在眉睫。

2 工艺现状

隧道衬砌混凝土的分类，养护从工艺上可分为三类，分别是洒水养护、喷雾养护和养护剂养护。洒水养护是指采用水管或喷头将养护水直接喷洒到混凝土表面进行养护，可由人工或喷洒台车进行作业。喷雾养护是指利用雾化设备，将养护水进行雾化，再对混凝土进行养护的方式。

程磊[1]依托在建铁路隧道工程，利用室内实验结果，结合高岩温隧道衬砌养护特点，对现场的混凝土施工进行了指导。李享涛等[2]针对新建京张铁路长城车站的特点，提出了新型养护措施，即采用自粘式保湿养护膜与充气式气模相结合的方式。杨剑等[3]通过智能控制技术，分析了混凝土的水化热等参数，并对环境的温度和湿度进行监测，自动控制养护过程的用水量和喷淋频率，实现了养护施工的智能化目的。刘荣进等[4]在对养护发展现状研究的基础上，分析了内养护的机理，并对常见的内养护材料进行了分类，总结了目前存在的问题，最后展望了未来的发展方向。王庆石等[5]基于对不同环境温度进行养护的含气混凝土，研究了混凝土主要性能参数，如抗压强度等与孔结构之间的关系。丁钟等[6]介绍了一种新养护技术，比传统的包覆洒水、养护剂养护等方法，在提高混凝土外观质量和表面密实度、增强混凝土抗压强度、降低表面透水率和孔隙率等方面的优点。同时，还有一些关于养护工艺和装备等方面的研究[7-11]，以及养护对早期开裂可能造成的影响[12]。

国内部分客专对隧道衬砌混凝土采用的雾炮养护属于喷雾养护，它通过雾炮车喷射水雾对混凝土进行养护。雾炮车主要由车载装置和喷雾系统构成，它灵活机动，水雾射程远，能多角度、全方位的喷雾作业。养护剂养护是指通过将养护材料喷洒在混凝土的表面，养护材料接触空气一段时间后，形成一层隔离薄膜，使混凝土表面与空气隔绝，减少水分从混凝土内部通过表面迁移到空气中，从而利用混凝土中的拌和水完成水泥颗粒的水化过程，达到养护目的的一种方式。几种养护方式见图1。

人工洒水养护对设备要求低，但洒水频率和洒水量、持续时间存在主观性。喷雾台车由于是在隧道内的非封闭空间进行，大量的养护水喷出时滞留、损失在了空气中。虽然养护剂能在混凝土的表面形成一层较完整的具有隔离作用的薄膜，但是在喷涂效果上难以做到均匀的理想状态；同时，随着有机物的不断挥发，由于不可避免的不均匀喷涂，就会在喷涂较薄的区域形成薄弱区域，这些薄弱区域的混凝土会发生内外部水分迁移和蒸发损失。

图1 养护方式

3 工艺原理

3.1 混凝土养护

水泥混凝土是指将水、骨料和水泥拌和后，经过水化反应后而硬化形成的人造石。水泥是一种水硬性胶结材料，在水的参与下生成新的胶凝化合物，然后慢慢硬化成水泥石，这一过程称为水化作用。但是，混凝土浇筑完成后，由于混凝土与空气存在的湿度差，混凝土内部的水分要通过表面，向外界环境蒸发迁移，从而影响混凝土自身水化所需要的水分。为了混凝土水化反应得以正常进行，混凝土浇筑完毕以后，需要在一个相当长的时间内，维持一个有利于水泥水化反应的温湿度环境。混凝土的养护就是为创造一个有利于水泥水化反应的而采取的养护措施。此外，较高质量的混凝土还要求在硬化初期就有良好的养护条件。

3.2 养护效果的影响因素

3.2.1 养护温度

养护温度是影响混凝土性能最重要的因素之一。由于高温可以加速水泥的水化反应剧烈程度，因此养护温度越高，混凝土的强度增长越快。已有研究表明，存在某一温度临界值，当温度低于该值时，水泥的水化反应基本停止，因此当环境温度低于该值时，混凝土的强度就不再增加。当温度低于0℃时，混凝土会因内部的水分结冰而发生冰冻损伤。另外，也并不是养护温度越高，越对混凝土的强度增长有益，这是因为早期过高的环境温度会造成后期混凝土强度增长缓慢，甚至不增长。

3.2.2 养护湿度

水泥的水化程度对混凝土一系列力学性能和耐久性能有重要影响。毛细管中自由水的存在是水泥水化的重要前提条件。随着水泥水化反应的不断进行，水化产物逐渐填充毛细空隙，在这一过程中，毛细空隙中的水压力不断增大，不断增加的水压力推动水分迁移到混凝土表面，当环境十分干燥时，出现了早期的水分大量蒸发。水分的快速蒸发会使毛细空隙内反应物的溶解度降低到饱和水平以下，从而使水泥的正常水化反应受到阻碍。当混凝土表面水分的蒸发速率大于通过毛细孔水分迁移的速率时，混凝土就会出现塑性收缩和开裂，造成一系列混凝土质量问题。

3.2.3 养护时间

水泥熟料由不同的矿物成分组成，不同的矿物成分的水化速率存在显著差异。针对普通硅酸盐水泥，按照水化速率的快慢，具有如下规律:

铝酸三钙＞铁铝酸四钙＞硅酸三钙＞硅酸二钙若按照水化产物的强度比较，则具有以下规律:硅酸二钙＞硅酸三钙＞铁铝酸四钙＞铝酸三钙由上可知，水泥的不同矿物成分及其所占比例对水泥的凝结时间、早期强度以及后期强度均有重要影响。由于水泥的水化反应会持续相当长一段时间，在水泥的硬化整个过程中，前期和后期的养护都非常重要、缺一不可。

此外，养护时间是影响混凝土性能的另一重要因素。混凝土强度的增加是在温度不断变化的养护环境中实现的。一般条件下，混凝土的强度总体上随着养护龄期的增加而增长。但在不同阶段，增长速度有所不同，早期强度随龄期增长较快。混凝土3 d强度可以达到28 d强度的50%左右，7 d强度可以达到28 d强度的67%左右，28 d之后的强度增长逐渐缓慢。

4 工艺试验

4.1 不同养护工艺下的室内试验

(1）原材料及配合比(见表1）

①水泥:采用北京某公司P.O42.5水泥。

②粉煤灰:采用某电厂的Ⅱ级粉煤灰，F类。

③细骨料:采用灵寿浩越中砂。

④粗骨料:采用某碎石场生产的三级配碎石(5～10 mm和10～20 mm，16～31.5 mm）。

⑤减水剂:采用山西某混凝土外加剂公司生产的聚羧酸高性能减水剂。

⑥水:采用榆社县白北村地下水。

表1 C40二衬混凝土配合比 kg/m3

(2）试件的成型与养护

制作试件尺寸为15 cm×15 cm×15 cm，按照上述配合比配置混凝土。试件在混凝土振实台上振动后抹平，放置在拌和间，通过空调将拌和间的温度控制在(20±5）℃的范围内，放置24 h后拆模、编号。制作的配合比试件数量与养护方式如下:

①制作标准养护试件15组，用于测试3 d强度、7 d强度和28 d强度，各类强度均为5组。混凝土试件在标准养护间进行养护，温度(20±2）℃，湿度≥95%。

②制作洒水养护试件15组，用于测试3 d强度、7 d强度和28 d强度，各类强度均为5组。混凝土试件放置在温度为(20±2）℃的房间内，洒水养护。

③喷雾养护试件15组，用于测试3 d强度、7 d强度和28 d强度，各类强度均为5组。混凝土试件在水泥养护箱内进行养护，温度(20±2）℃，湿度≥90%。

④养护剂养护试件5组，试件标号为YHJ-1、YHJ-2、YHJ-3、YHJ-4、YHJ-5。 养护剂采用北京某公司生产的HY-10型混凝土养护剂。混凝土试件放置在空房间，空调控制温度(20±2）℃。湿度为样品间自然湿度。

⑤半自然养护时间15组，用于测试3 d强度、7 d强度和28 d强度，各类强度均为5组。混凝土试件放置在空房间，空调控制温度(20±2）℃。湿度为样品间自然湿度。

为了尽量降低环境温度不同而引起的对混凝土养护效果的影响，试件所处的环境温度均设置为(20±2）℃。

(3）各种养护工艺下混凝土强度统计与比较(见表2～表4）

表2 不同养护工艺下混凝土3d强度

表3 不同养护工艺下混凝土7d强度

综合3、7、28 d 的强度结果看，标养、洒水、喷雾养护的强度接近，洒水和喷雾养护试件强度略低于标养试件强度，但没有明显的强度损失，说明洒水、喷雾养护也可以作为有效的养护手段。但养护剂养护试件相较标养试件强度会有损失，28 d损失达到5.6%。在相同的温度条件下，试件如果没有进行养护，强度相较标养试件会有较大损失，28 d损失达到13.6%。

从上述分析我们基本可以总结出:洒水与喷雾两种养护方式对于混凝土属于比较有效的养护方式，养护剂养护对混凝土强度会有一定的损失，混凝土拆模后如果不进行养护对其强度发展十分不利。

4.2 喷淋与喷雾养护比较研究

为验证喷淋养护对混凝土强度的影响，对C35的二衬混凝土试件(室内配合比，机制砂）进行了两项试验，第一项试验是采用喷雾养护(养护温度为(20±2）℃，相对湿度为95%以上），第二项试验是采用喷淋养护(环境温度控制在(20±2）℃），然后测试3、7、10、14、28 d 等不同龄期混凝土的回弹强度与抗压强度，测试结果见表5、表6。

表5 回弹强度对比

表6 抗压强度对比

试验结果表明:

(1）喷雾养护混凝土试件各龄期的回弹强度均明显高于喷淋养护试件强度。

(2）喷淋养护和喷雾养护混凝土试件的3、7、10、14、28 d的回弹强度均明显低于其抗压强度。

(3）从28 d2回弹强度来看，在长时间的潮湿环境下，混凝土表层会吸水软化，降低了表层硬度，但干燥后表层硬度又会回升。

(4）将 3 d、7 d、10 d、14 d、28 d1 回弹强度与28 d2回弹强度比较会发现，导致强度降低的主要因素是由喷淋养护引起的表层混凝土软化，其次是钙离子的流失。但软化造成的表层强度降低是可以逆转的，钙离子流失造成的表层强度降低不可逆转。

4.3 养护应用实例

(1）隧道拱顶布管自动喷淋养护工艺，是在隧道衬砌台车已成型衬砌端(后端）一定范围内的拱顶正中吊挂喷淋养护管，如图2所示。喷淋养护管跟随台车移动工作，通过自动控制系统(由配电系统、双延时时间继电器、液位计、补水电磁阀、液压泵站及油缸换向电磁阀等组成）控制水泵向喷淋养护管内供水。利用隧道内高压供水来提供水源，可根据隧道内温度和湿度等信息自动感应识别环境，伴随环境适宜性适时预警预报，可实现隧道衬砌混凝土全天候环境下全自动适时喷淋养护。

图2 隧道自动喷淋养护布置

(2）隧道拱顶布管双流体养护工艺，是为了提高养护空气中湿度，充分利用雾化气、水混合作用，达到养护效果。系统采用自动和手动控制两种转换模式，自动控制可实现频率型间断控制，手动模式下可实现分段分区独立控制，如图3所示。

图3 隧道双流体养护布置

(3）喷雾养护系统工艺，如图4所示。该系统采用气、水雾化混合原理，利用压缩空气把养护水打散，变成约5～10 μm的水雾颗粒，水雾颗粒小自身重量轻，易于大量聚集并漂浮在空气中，形成白色雾形效果，并随气流弥散到隧道内各个区域，该喷雾系统不会造成积水现象。由于其颗粒极小，能够使隧道内空气环境的湿度在短时间内快速增长。可定制自动控制，无需人值守。

图4 喷雾养护台车示意

5 结论

(1）针对衬砌混凝土，由于拆模前被台车封闭支撑，无法进行有效养护，因此在拆模后应立即进行养护。

(2）以强度作为养护效果的评价标准，从养护效果的优劣上讲，标准养护条件下的强度最高，半自然养护条件下最低。喷雾养护、喷淋养护和养护剂养护居中，并依次降低。

(3）因标准养护在隧道内无法达到稳定的理想条件，洒水养护因存在人工异等主观不确定性，因此推荐喷雾养护(非雾炮车）和喷淋养护作为隧道衬砌养护的主要手段。

(4）喷淋养护会造成混凝土表面强度降低，因此，建议采用回弹法作为检测混凝土强度的主要手段时应引起格外注意。

(5）隧道拱顶布管自动喷淋养护、隧道拱顶布管双流体养护、喷雾养护系统等几种新型养护工艺有其科学合理性，值得推广应用。