基于机制砂混凝土收缩试验的隧道衬砌环向开裂原因探讨

傅蕾，张学民，王立川,4，侯国强，卫敏，高祥，牛公却尚

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中铁十七局集团 第一工程有限公司，山东 青岛 266018；3.中国铁路成都局集团有限公司 工程质量监督站，四川 成都 610081；4.中铁十八局集团有限公司，天津 300222；5.长沙房产(集团)有限公司，湖南 长沙 410011)

广泛应用于基础设施建设中的混凝土(以下简称:砼)是一种抗拉强度偏低的准脆性材料，当原材料、配合比、施工工艺及养护条件控制不当时，易出现开裂(裂损，裂缝)现象[1]，铁路隧道衬砌开裂将直接影响其耐久性并可能影响其使用功能。不少学者针对隧道砼衬砌开裂机理及防治技术开展了大量研究。隧道砼衬砌开裂据动因可分为荷载裂缝与非荷载裂缝[2]，其中荷载裂缝表现为由外力作用导致衬砌出现的各种形态的裂缝，而非荷载裂缝大多以环向裂缝为主，由衬砌砼自身变形产生拉应力，当其大于砼抗拉强度时发生开裂，是隧道砼衬砌常见裂缝形式之一。XU等[3]通过现场调查和相似模型试验等方式分析隧道衬砌开裂特征。谢立广等[4]分析了隧道衬砌环向裂缝成因并提出了预防建议。王家赫等[5]分析了696座铁路隧道衬砌砼温度裂缝产生原因并提出防治措施。长期持续的大规模基础设施建设致使我国大陆河砂资源日益紧缺，国家倡导的绿色发展理念的推广践行，共同催生了近年来机制砂在隧道工程中大量应用，同时机制砂砼衬砌的抗裂性能也引起了业界关注。因缺少科学合理的标准规范指导与管控，机制砂性能指标离散性大等问题较普遍存在。《公路机制砂高性能砼技术规程》(T/CECS GK50−30−2018)涵盖了从设计到施工中机制砂原材料控制、砼力学性能、收缩徐变性能等性能要求及配合比设计[6]；国铁集团立项编制的《铁路机制砂场建设技术规程》(Q/CR 9570—2020)也已颁布，但侧重于统一机制砂场建设与规范机制砂生产[7]，作者开展本研究时，该规程尚未颁布。相关行业虽已逐步将机制砂列入相应技术标准，但侧重于机制砂生产、质量控制检验等方面[8]，鲜见针对铁路工程中机制砂砼物理力学性能及耐久性等控制指标给出明确规定。机制砂具有表面粗糙、棱角分明、石粉含量大、“两头大中间小”的级配特点，对砼性能有不容忽视的影响[9−11]。SHANMUGAVADIVU等[12]以机制砂作为细骨料对砼抗拉强度、弹性模量和砂浆收缩性能进行了研究。范德科等[13]对比分析了石粉含量对机制砂砼工作性能、抗压强度、氯离子渗透性及收缩性能等影响；ZHOU等[14]通过室内试验比较了天然砂、机制砂和石粉三者对高强砼和易性、抗压强度、弹性模量、收缩徐变性能方面的差异，研究石粉含量与掺入粉煤灰对高强砼收缩性能的影响；李子成等[15]对比研究了不同石粉含量对机制砂砼收缩及强度的影响。高强机制砂砼性能研究方面，孙江涛等[16]采用尾矿与机制砂复配制备高强砼，并对其力学性能和耐久性进行探讨；李银斌等[17]通过大板开裂试验对比研究了河砂砼与中高强度机制砂砼力学性能与静弹性模量；李波等[18]以偏高岭土、硅灰和粉煤灰为调节剂配制出C80高强机制砂砼，并研究其掺量对机制砂砼工作性能及力学性能的影响。隧道衬砌砼开裂由多种要素及其组合所致，特别是中高强度衬砌砼开裂尤为严重，侧面反映高强度高性能砼在耐久性方面的潜在风险。综上所述，现有研究主要集中于隧道衬砌开裂原因分析和机制砂砼室内试验研究，多数针对工程裂缝调研情况进行原因分析时缺乏试验数据支撑的深入探讨，部分试验研究主要局限于机制砂高强砼力学性能方面，尚无基于机制砂砼收缩性能对隧道衬砌开裂的针对性研究。为此，本文针对新建叙(永)至毕(节)铁路隧道衬砌砼收缩开裂问题，介绍隧道衬砌裂缝情况，通过室内与现场比对试验开展机制砂对薄壁长条、单面养护的隧道衬砌砼收缩性能方面的试验研究，综合分析铁路隧道衬砌砼收缩开裂发生机理，以期对机制砂规范使用、机制砂砼质量控制和隧道衬砌环向开裂预防提供借鉴。

1 隧道衬砌开裂概述

新建叙毕铁路系设计时速120 km的I级单线铁路，某站前工程施工标正线全长约36.4 km，共设隧道8座29.7 km，隧道衬砌以C40砼为主。

通过标段内衬砌砼已开裂5座隧道的排查，共发现衬砌裂缝334条，其中环、纵向裂缝分别为251和83条，占比分别为75%和25%，以环向开裂为主，且对称分布较多，部分裂缝现场取芯(如图1所示)验证了多数衬砌结构截面已贯通。裂缝主要发生在衬砌一次施工长度(循环)约12 m的砼衬砌纵向中间位置的左、右边墙处，沿边墙近竖向下宽上窄态分布多在2～4 m内逐渐尖灭，缝宽0.1～1.0 mm，裂缝处均尚无渗水现象。

图1 现场衬砌跨缝取芯Fig.1 Field joint coring in tunnel lining

通过分析衬砌裂缝形态及特征，初步判断机制砂砼收缩过大是导致衬砌环向开裂的主因。为进一步探讨机制砂砼收缩对衬砌环向开裂的影响，厘清衬砌砼强度等级、机制砂与河砂细骨料、养护条件等因素与衬砌砼收缩的关系，依托上述隧道工程所用原材料及砼配合比进行模筑砼力学性能与收缩试验研究。

2 机制砂砼试验

2.1 原材料

为确保试验的可靠性与针对性，原材料均取自工程现场。

1)采用42.5R普通硅酸盐水泥，标准稠度用水量26.8%，比表面积327 m2/kg，初凝时间201 min，终凝时间295 min。

2)采用粒径5～31.5 mm碎石，表观密度2 670 kg/m³，堆积密度1 650 kg/m³，紧密空隙率38%，级配合格。

3)据工程现场存在同时使用机制砂和河砂的情况，分别选择代表性机制砂、河砂进行试验比对设计。其中，机制砂采用级配合格、细度模数3.4的粗砂，河砂采用级配合格、细度模数2.8的中砂，两者筛分曲线见图2。

图2 细骨料筛分曲线Fig.2 Sieving curves of fine aggregate

4)采用细度17.5%，烧失量4.89%，需水量比103%，游离氧化钙含量0.46%的粉煤灰。

5)采用减水率为26%的聚羧酸盐高效减水剂。

6)砼配合比。通过收集整理工程现场试验资料，并对试验原材料基本参数取样筛分调研，确定不同强度等级砼配合比如表1。该表基本涵盖铁路隧道应用较广泛的5种不同强度等级砼。

表1 各强度等级砼配合比Table 1 Concrete mix proportion of each strength grade

2.2 养护条件简述

砼标准养护条件此不赘述。隧道地处滇东北亚热带季风气候区内，年最低气温不低于3.5℃；洞内(现场)养护条件，是较差的施工通风条件下的洞内湿度和温度，未对洞内环境湿度和温度进行测定乃本研究缺憾之一。

2.3 力学性能试验

2.3.1 试验方法

通过试验研究分析标准养护和隧道内现场养护2种环境下，机制砂和合格河砂作为细骨料制备的不同强度等级模筑砼抗压、抗拉、抗折强度指标的差异。

利用表1确定的C20～C40砼配合比，按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行试验，其中砼抗压、抗拉试验采用150 mm×150 mm×150 mm立方体试件，抗折试验采用100 mm×100 mm×400 mm长方体试件。

2.3.2 试验结果

图3～5分别为2种养护条件、不同强度等级的机制砂砼和河砂砼抗压强度、(劈裂)抗拉强度、抗折强度试验结果。

1)立方体抗压强度

由图3可知，在2种养护条件、配合比参数一致情况下，采用机制砂、河砂制备的砼抗压强度均满足设计要求，且与强度等级具有较好的线性相关性。同等养护条件下，相同强度等级机制砂砼抗压强度比河砂砼高约2%～4%；同等养护条件下，砼强度等级由C20提高至C40，机制砂与河砂砼的抗压强度值均提高74%～80%，且随强度等级的提高增幅降低。标准养护比隧道内自然养护条件下，各强度等级砼抗压强度均提高约15%。

2)抗拉强度

不同工况下机制砂和河砂砼劈裂抗拉强度试验结果，相同强度等级机制砂砼抗拉强度比河砂砼平均高约2%。标准养护比隧道内养护条件下，各强度等级砼抗拉强度值均明显提高约30%；同等养护条件下，C40机制砂与河砂砼的抗拉强度值均较C20提高约20%。对比图3和图4知，抗拉强度随强度等级的提升率，明显小于对应强度等级的抗压强度提升率。

图3 2种养护条件下砼抗压强度Fig.3 Compressive strength of concrete under two curing conditions

图4 2种养护条件下砼抗拉强度Fig.4 Tensile strength of concrete under two curing conditions

3)抗折强度

由图5可见，在同等养护条件下，相同强度等级机制砂砼抗折强度均比河砂砼高约4%～10%。标准养护比隧道内养护条件下，各等级砼抗折强度明显提高约20%。在同等养护条件下，C40机制砂与河砂砼的抗折强度值均较C20提高约30%，相对抗压强度的增长率而言，抗折强度随强度等级提高的增幅较小。

图5 2种养护条件下砼抗折强度Fig.5 Flexural strength of concrete under two curing conditions

2.3.3 结果简析

结合既有研究成果，分析相同强度等级配合比的机制砂砼的力学指标均接近并略优于河砂砼的主要原因为：机制砂颗粒表面粗糙，其摩擦力高于河砂，减少砼流动的同时却提高了浆体与骨料之间的黏结力，与水泥浆有较高握裹力；机制砂中的石粉有效填充骨料间空隙，降低孔隙率，密实砼结构；此外石粉中的活性SiO2和Al2O3参与水化反应，增强了砼界面黏结作用，使得其力学性能提升。

2.4 收缩性试验

2.4.1 试验方法

基于隧道衬砌砼在成型后体积收缩变形造成环向开裂的情况，据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)开展收缩试验，对比研究了不同养护条件下机制砂、河砂作为细骨料的不同强度等级模筑砼抗收缩性能。试件采用100 mm×100 mm×515 mm长方体试件(见图6)，养护条件同样考虑标准养护和隧道内自然养护，且试验覆盖了自砼试件成型至达到28 d强度全程收缩率。

图6 砼收缩测试Fig.6 Shrinkage test of concrete

需说明的是，试验按上述规范要求只测量最长边方向的渐行收缩率，未进行3个方向上收缩率差异比对，系本试验至憾。

2.4.2 试验结果

图7和图8分别为不同养护条件、不同强度等级的砼自然收缩率随龄期的变化曲线。图9给出了自然养护和标准养护条件下砼的收缩率差值。

图7 标准养护砼自然收缩率Fig.7 Natural shrinkage rate of standard curing concrete

图8 隧道洞内养护砼自然收缩率Fig.8 Natural shrinkage rate of concrete cured in tunnel

1)细骨料与砼收缩性关系

由图7知，在标准养护条件下，相同强度等级机制砂砼自然收缩率比河砂砼高约24%；由图8知，在洞内养护条件下，相同强度等级机制砂砼自然收缩率比河砂砼高约35%，可见机制砂砼的收缩变形性能明显高于河砂砼。

2)强度等级与砼收缩性关系

相同条件下，砼收缩率均随着强度等级的增加而增大，由图8可见隧道内养护条件下C20，C25，C30，C35，C40机制砂砼28 d自然收缩率分 别 为481×10−6，513×10−6，547×10−6，582×10−6，620×10−6。

3)养护与对砼收缩性关系

由图9知，机制砂砼试件在自然养护与标准养护条件下的收缩率差值为20×10−6～171×10−6，河砂砼试件在自然养护与标准养护条件下的收缩率差值为10×10−6～144×10−6。

图9 自然养护与标准养护砼收缩率差值Fig.9 Shrinkage difference between natural curing and standard curing of concrete

2.4.3 结果简析

1)由图2细骨料筛分曲线知，机制砂中的部分石粉粒径接近水泥粒径，在早期水泥水化反应中发挥了晶核作用，可加速反应，且自身也参与水泥水化，增大了早期水化热，加大砼自由收缩；石粉还提高了砼的保水性，降低可迁移水的数量，易造成毛细管负压，使浆体收缩。

2)高强度等级砼的水泥用量相对较大，增大了早期水化热，加剧了砼的自由收缩；随着砼强度等级提高，其水胶比变低，砼内部自由水减少，也直接影响收缩速率。

3)合格拌制砼的拌和物颗粒间充满水，砼浇筑后如养护不足，表面失水的速率超过内部水分向表面迁移的速率，则会造成毛细管中产生负压，使浆体产生收缩。因此，加强养护对抑制砼收缩变形有着至关重要的作用。

3 衬砌砼环向开裂原因初步探讨

隧道衬砌开裂的原因系多要素及其组合所致，应据其所处部位、形态、密集度、单一与组合、结构性、贯通性及其程度、稳定性等关键要素综合分析，甚至需要验证才能找准原因和(或)动因，寔乃复杂的系统性工作，此非本文研究内容。

虽然隧道衬砌环向开裂对衬砌承载能力的影响可忽略，但在(高压)富水地层中，衬砌砼环向开裂引起的渗漏水对供电、轨道、运行列车十分有害，甚至可能引起供电中断停车事故，消除衬砌砼环向开裂十分必要。环向开裂成因相对简单，主因包括但不限于衬砌砼内温度梯度及应力、砼收缩、施工和养护、基础差异沉降、施工与沉降和结构缝设置不当、地质界面差异性形变压力、偶然性荷载等因素。经对叙毕铁路5座隧道地质条件的综合分析，可排除地质界面差异性形变压力的存在；经部分抽样钻孔研判，可排除基础差异沉降对环向裂缝发生的贡献；经现场调研和排查，进一步排除了施工、基础(差异)沉降、结构缝设置不当和偶然性荷载等的影响。机制砂衬砌砼环向开裂的主要原因简析如下。

1)温度梯度及其应力影响

隧道衬砌施工和胶凝环境温差过大导致砼内部和表面间形成温度梯度而产生应力，这已是业内的共识。特别是机制砂中的石粉含量过高，加速了水化反应使早期水化热较大，从而增加了衬砌温度裂缝的发生概率。

2)砼收缩影响

图9试验结果表明，自然养护条件下砼收缩率均比标准养护条件时大，且差别随龄期增加而增大，养护条件对砼收缩变形有着至关重要的作用。

结合图2细骨料筛分曲线及表1所示高强度等级砼配合比可知，衬砌砼水灰比较小、自由水较少，细骨料含量高的机制砂加剧砼收缩变形导致水化反应剧烈，引起砼收缩变形加剧，在防水层外初支与模板约束下产生较高或高应力，易造成衬砌砼收缩开裂。

3)施工和养护影响

结合衬砌施工工艺可知，拱墙整体式台车系当代交通隧道衬砌施工的主流施工模式，边墙浇筑速度明显高于拱部。墙部砼为速度较快的整体顺序浇筑，边墙砼的温度梯度及其应力、砼收缩影响明显；拱部砼为速度较慢甚至偶有中断的薄状分层浇筑，先浇砼早期收缩和水化热剧烈反应已部分完成，砼收缩和温度梯度及其应力影响降低，且存在形成间歇缝风险较高。由此导致衬砌环向裂缝呈现边墙多拱顶少、拱部间歇缝较普遍存在的现象。

隧道衬砌砼水化反应释放大量热量后，砼内水分蒸发过快，砼内部与表面间形成温度梯度，产生应力；仅对拆模衬砌实施极短期内的无规律喷(洒)水养护，乃实际施工中的普遍现象，衬砌拆模后基本处于近不养护状态，这进一步加剧了其温度梯度及其应力的影响，致使衬砌开裂。

不同养护条件下试验结果表明，标准养护条件下的砼力学性能相比隧道内自然养护条件提高了约15%～30%。主要原因是标准养护条件下砼可降低甚至避免表面水分蒸发和损失，砼水化作用充分。但据图7和图8可知，砼收缩速率普遍随龄期增长而降低，且砼早期收缩速率最大。加强砼的早期养护从而降低砼离析及表面过快失水，是有效提高其力学性能同时降低砼(特别是机制砂砼)早期收缩开裂几率的有效且实用措施。

4 结论与建议

(1)结论

1)相同强度等级配合比参数条件下，机制砂砼的力学性能指标不同程度地高于河砂砼，抗压、抗拉、抗折增幅依次为3%(2%～4%)，2%(−1%～6%)，7%(4%～10%)，且随着砼强度等级的提高，抗拉、抗折指标增幅显著下降。

2)相同强度等级的机制砂砼抗收缩变形性能低于河砂砼，自然收缩率增幅提高约24%～35%；相同条件下砼收缩率均随强度等级的提高而增大，且砼收缩速率随龄期增长而逐渐减小。

3)标准养护比隧道内自然养护条件下，机制砂(河砂)砼的抗压、抗拉、抗折指标分别提高约17%(16%)，28%(29%)，20%(25%)，收 缩 率 则 降低约41%(52%)。

4)高性能机制砂砼收缩率偏大是铁路隧道衬砌环向开裂主要原因之一，不养护或养护措施不到位加剧了衬砌砼开裂的程度。

(2)建议

1)着力研究机制砂砼、尤其是高性能机制砂砼的抗收缩开裂的设计和施工措施，是推广应用机制砂必须解决的技术问题。

2)必要适宜的衬砌砼养护可减少砼内水分蒸发、降低水化热产生的温差，对砼力学指标的提高和降减收缩十分有利，将隧道衬砌砼的养护作为独立工序十分必要。