隧洞混凝土力学性能与耐久性能影响因素研究

卢长海

(北京京水建设集团有限公司，北京 100193)

0 引 言

隧洞混凝土施工过程中对混凝土和易性要求极高，当混凝土出现流动性小、包裹性差、泌浆泌水等问题时，极易造成堵管，影响施工效率，同时极容易出现混凝土质量问题，比如漏筋、实体强度偏低等，导致实体结构存在安全隐患。采用优质的粉煤灰及矿粉，针对工程存在的实际问题，开展取代率研究，新制备的混凝土和易性良好。为避免项目实体结构中出现由于混凝土导致的漏筋、强度偏低等工程质量问题，针对混凝土原材料配合比及基本性能进行研究，通过测试扩展度、倒筒时间、抗压强度等关键指标，建立评价体系，指导生产施工[1]。

1 工程概况

某水电站引水隧洞设计总长度为10080.8m，开挖断面面积为33.1m2，过水断面面积为15.02m2，全断面钢筋混凝土衬砌，浇筑混凝土衬砌厚度51 cm，混凝土设计强度值为C30。工程浇筑完成后，实体出现2处质量缺陷，分别为部分位置出现漏筋、5个区域回弹强度值及对应施工日期留置试块强度较低。分析原因：①混凝土浇筑过程中和易性差，流动性差，通过振捣并不能均匀密实混凝土，导致过振，混凝土下沉，钢筋裸露；②针对强度偏低问题，查询施工日志知，混凝土原材料配合比不合理，且使用矿物掺和料品质未达到设计原材料的指标要求。

2 试验原材料

试验水泥为P·O42.5级水泥，测试标准稠度需水量26.9%，3d抗压强度28.0MPa，28d抗压强度51.9MPa；试验粉煤灰为I级粉煤灰，细度6.8%，烧失量2.3%，需水量比91%；试验矿粉为S95级矿粉，比表面积实测值403m2/kg，28d活性指数达101%；试验中粗河砂，细度模数2.5-2.7，含泥量1.8%，碎石5-25mm连续级配，含泥量0；外加剂为聚羧酸高效外加剂，固含量15.9%，减水率19%；水为饮用水[2]。

3 C30隧洞混凝土配合比

良好的混凝土和易性易于泵送，降低施工难度，提升施工效率，同时混凝土匀质性良好，振捣过程中不分层、不离析，避免拆模后出现漏筋等由于和易性引起的质量问题。混凝土配合比设计依据项目的设计要求、配合比设计规范，确保混凝土具有良好的和易性，混凝土流动性好、包裹性好、无泌浆泌水。粉料用量为单方400kg，粉煤灰取代范围0%-40%，矿粉取代范围0%-30%，通过调整聚羧酸减水剂母液及小料用量，达到调整混凝土和易性的目的，混凝土配合比，见表1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

4 实验结果分析

4.1 不同因素对隧洞混凝土和易性的影响

针对实体出现的漏筋问题，研究矿物掺合料中粉煤灰、矿粉取代率对于混凝土扩展度、倒筒时间等和易性关键指标的影响，混凝土性能测试，见表2；不同因素混凝土扩展度测试结果，见图1。

表2 混凝土性能测试

续表2 混凝土性能测试

图1 不同因素混凝土扩展度测试结果

研究矿物掺合料不同取代率对混凝土扩展度的影响。研究结果表明，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土扩展度呈现先增加后不变的趋势，倒筒时间呈现先下降后不变的趋势。当粉煤灰掺量为20%时，混凝土整体黏度下降明显，倒筒时间明显降低，为3.5s，但随粉煤灰掺量增加，黏度改善并不明显，表明粉煤灰滚珠效应已到极限；矿粉掺入并不能显著改善混凝土整体和易性，由于矿粉水化时间晚于水泥，通过与水泥形成的产物反应，进一步形成致密的水化产物，提高体系整体密实度，提高混凝土后期强度。

4.2 不同因素对隧洞混凝土抗压强度的影响

研究矿物掺合料中不同取代率对于混凝土不同龄期抗压强度的影响，混凝土抗压强度，见表3；混凝土不同龄期抗压强度，见图2。

表3 混凝土抗压强度

续表3 混凝土抗压强度

图2 混凝土不同龄期抗压强度

研究矿物掺合料对混凝土不同龄期抗压强度的影响。随着粉煤灰掺量增加，混凝土长龄期(60d、90d)强度增长幅度明显，当粉煤灰掺量20%时，长龄期强度基本接近最大值，粉煤灰掺量继续增加，强度增幅基本不变；随着矿粉掺量增加，混凝土中长龄期(28d)强度增长幅度明显，当矿粉掺量25%时，中长龄期强度基本接近最大值，矿粉掺量继续增加，强度增幅基本不变。由于粉煤灰、矿粉通过水泥水化形成的碱性产物激发，进一步发生二次水化反应，形成的水化产物使结构更加密实，提高混凝土抗压强度。但粉煤灰、矿粉水化速率不同，中期矿粉与氢氧化钙发生反应，后期粉煤灰与氢氧化钙发生反应，因此，粉煤灰主要贡献长龄期强度，矿粉主要贡献中期强度[3]。

4.3 隧洞混凝土耐久性能研究

研究模拟实体结构点与点的温差变化规律，提供理论依据，避免由于局部温升过高导致的裂缝出现。01点温差变化规律，见图3；02点温差变化规律，见图4。

图3 01点温差变化规律

图4 02点温差变化规律

1-7位于1号点纵向中心处，1-12位于1号点纵向距离表面50mm处， 2-6位于2号点纵向中心偏上处，2-8位于2号点纵向距离表面50mm处1号点与2号点距离较近，为500mm，最高温度都是67.9℃，降温速率与升温速率大致相同。大约在15d以内温差都控制在25℃内，但1号点温差较2号点温差提升速率较快，且波动较大，原因在于1号点位于混凝土构件体的中心处，在混凝土构件体中心处预留外露钢筋柱，导致保温效果会比2号点要差。约27-28d温差突变，极具上升，可能是由于气温变化引起的。通过模拟温差，确保温差不高于25℃，有效避免了实体结构由于温差导致的温度裂缝，拆模后，实体表面平整光滑，无裂缝等问题[4]。

5 结 论

1)由于粉煤灰的滚珠效应以及填充效应，随着粉煤灰长掺量的增加，可显著改善混凝土工作性，提升混凝土流动度，降低混凝土的整体黏度，减少混凝土泵送过程中的阻力，尽量减小泵送设备的磨损，同时，由于水化反应的持续进行，粉煤灰可提供长龄期抗压强度，当粉煤灰掺量20%时，混凝土流动性及长期强度基本达到最大值。

2)由于矿粉28d活性指数达标，因此等量替代水泥后，早期强度降低明显，但中期强度增加幅度大，主要强度贡献率高于水泥。当矿粉掺量25%时，混凝土抗压强度达到最大值。

3)通过模拟实验，实体整体效果良好，温度差控制在25℃之内，有效避免里表温差导致的温度裂缝等质量问题的出现。