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隧道主体结构 混凝土耐久性探讨 王海彦 ：西南交通大学土木工程学院，博士研 究生，四川 成都 ，6 1 0 0 5 1 宓荣三 ：石 家庄铁路职业技术学院，副教授 ，河北 石家庄，0 5 0 0 4 1 龚仑 ：西南交通大学土木工程学院，讲师，四川 成都 ，6 1 0 0 3 1 摘要：论述混凝土碳化 混凝土冻融破坏、腐 蚀性介 质 侵蚀 等影 响 隧道 主体 结构 混 凝土耐 久 性 的主要 因素。隧道主体结构混凝土的劣化与混凝 土设计、施工，混凝土原材料及配合比、环境影 响有关。通过对影响混凝土耐久性 的因素分析 ， 提 出在 水 泥和矿 物掺 和 料选 择 、 混凝土 配合 比 设 计、混凝土浇筑温度和振捣 、二次衬砌混凝土合 理 拆模 时 间 ，选 用合理 养护 方法 、表 面处理 和 防 护方 面的工程措施 ；提 出将提 高混凝土耐久性的 技 术途 径和 添加 纤 维素 纤 维增加 二 次衬 砌韧 性 来 提 高混凝土的抗 裂性作 为隧道主体混凝土结构耐 久性 的研 究方 向。 关键词 ：隧道 ；主体 结构 ；混凝土耐 久性 ；工程 措 施 混 凝 土 结 构 应 用 量 大 面 广 ， 尤 其 是 在 交 通 建 设 高 速 发 展 时 期 ，世 界各 国往往 重建设轻维 护 ，设 计标 准低 ，质量 问题 比较突 出 ，当进人稳 步发 展时期 ，耐久 性问题凸显。目前 ，我国铁路隧道病害较为普遍。2 0 0 9 年对 宝成 、成 昆 、达成线 既有 铁路 隧道 和部分高速公 路 隧道 进行调查 ，主要病害有 衬砌结构 开裂 、化学腐蚀 ， 因质量 缺 陷 和 同岩松 动 发 生落 拱 、底 部 翻浆 冒泥 、漏 水 、衬 砌混凝土剥 落等 。这些 病害说 明隧道结构混凝 土 一 7 6 一 的性 质在逐渐 劣化和发展 ，严重时将 演变为潜在 的安全 事 故隐患 。调查 中发现有 些隧道T 程修建和使用年 限不 长 ，但病害 非常严重 ，主要 原 因是施 工质量存在缺 陷 ； 维修 管理滞后 导致混凝 土结 构 因环境 影响及外力作用 产 生 劣化 ；设计标 准低 ，许 多隧道工程设计 没有 系统考 虑 耐久 性问题 。 1 影 向 混凝土耐久性的因素 隧道 主体结构混凝 土耐 久性是 指在一定环境 作用和 预期维护 与使用条件下 ，隧道 主体 结构在预定 的期 限 内 能维持其最 低性能要求 的功能 。这 一功能不仅仅包 括结 构的安全性 ，而且更 多地体现在适 用性上 。影 响隧道主 体结构 混凝 土耐久性 的 因素很 多 ，主要表现 在以下几个 方 面 。 1 1 混凝土的碳化 混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，所有与空气 接触 的混凝 土表面都处 在碳化过程 中 。这是 由于空气 中 二氧化碳与 水泥石 中的碱 性物质相 互作用使其成分 、组 织 和性能发 生变化 ，导致使 用机能 下降的一种复杂 的物 二 j毫 琶 基 C H V E S ER A L WAY S 2 81 1 0 2 理化学过程 。混凝土碳化 本身对混 凝土并无 破坏作用 ， 主要危害是 由于混凝土碱 性降低 导致在高 碱环境下 钢筋 表面形成 的致 密氧化膜 和钝化膜遭 到破坏 ，混凝土 失去 对钢筋的保护作用，致使混凝土中的钢筋锈蚀 。同时， 混 凝土的碳化 也会加剧混 凝土 的收缩 ，可 能导致混凝 土 J 现裂缝和结构 破坏 。因此 ，混凝 土的碳化 与混凝 土结 构 的耐久性密切相 关 ，是衡 量钢筋 混凝 土结构 可靠度 的 重 要指标 。由于车辆排放 污气 ，隧道 内的空 气 中含有不 同浓 度的二氧化碳 ，致使混凝 土结构 发生碳化 。碳化对 素混凝 土衬砌结构 耐久性影 响甚微 ，在设 计 隧道 主体结 构耐久 性时可不考 虑 ；而 对钢筋混凝 土结构衬 砌影 响较 大 ，在设计 隧道 主体结构耐久性 时必 须考虑” ， 。 1 2 混凝土的冻融破坏 目前 ，绝大 部 分 隧道 主 体结 构 混 凝 土是 由水 泥 和 粗 、细骨 料组成 的毛细多孔体 。在拌制 混凝土 时 ，为 了 得到必要 的和易性 ，加 入 的拌 和用水要多 于水泥 的水化 水 ，这部分 多余 的水便 以游离水 的形式滞 留于混凝 土 中 形 成连通 的毛细孑 L ，并 占有一定 的体积 ，还有一些水 泥 水 化后形成胶凝 孔 。在寒 区隧道 中 ，毛细孔 的 自由水 是 导 致混凝土遭 受冻害 的主要 因素 ，水结冰后 体积膨胀 ， 混凝 土 内部结构 受到破坏 。当混凝 土处于饱水状 态 时 ， 毛细孔 中的水结 冰 ，胶凝孔 中的水处 于过冷状态 ，使胶 凝孔 中的水 向毛 细孔 中冰 的界 面渗透 ，导致 毛细孔 中产 生渗透压力 。胶凝孑 L 中的水 向毛细孔渗 透使毛细孔 中冰 的体积进一步膨 胀 。当处于饱水状 态 的混凝 土受冻 时 ， 其毛细孔壁 同时承受膨胀 和渗透压 力 ，当压 力超过 混凝 土抗拉 强度时 ，混凝土开 裂 。在反 复冻融循环 后 ，混凝 土 中的裂缝会互相 贯通 ，其 强度也会逐 渐降低 ，甚至完 全丧失 ，由表及里受到破坏 。 1 3 腐蚀性介质的侵蚀 隧 道 主体 结构 处 于 地 下 ，一 般 围岩 体 内地 下水 较 发育 ，水质成 分复杂多 变 。因此 ，隧道 主体 结构混凝 土 劣化的主要原因是受到围岩体 中地下水的侵蚀 ，地下水 中主要 的腐 蚀物有硫 酸盐 、氯 盐和镁盐 ，其侵 蚀机理如 下 。 ( 1 )软 水溶 析 。混凝 土有 一定 的抗水 能 力 ，但 在 压力 水 或 流动水 的作 用 下 ，一 些 组成( 如 c a( O H )， 等 )按溶解度 的大小 ，依 次逐渐被 水溶解 ，产生溶 出性 侵蚀 ，破坏混凝土。隧道主体结构混凝土承受其背后地 CHI NES E RA WAY S 201 1 0 2 二 下水 压 力 ，地 下 水 不 断地 迁 移 ，容 易产 生 溶 卅性 侵 蚀 ( 溶析 )。 ( 2)硫 酸 盐 侵 蚀 。溶 液 中 的硫 酸 镁 、硫 酸 钠 、 硫 酸 钾 等 化 合 物 与 水 泥 水 化 反 应 生 成 的 C a( 0H )： 反 应 生 成 石 膏 ( 二 水 硫 酸 钙 )，在 流 动 的 水 中 不 断 进 行 反 应 ， 在 不 流 动 的 水 中 达 到 化 学 平 衡 后 ， 部 分 S 0 以 石 膏 析 出 。硫 酸 钙 与 水 泥 熟 料 矿 物 C A水 化 生 成 的水 化 铝 酸 钙 C AH 和 单 硫 型 水 化 硫 铝 酸 钙 ( 3 C a O A I 0 C a S O 1 8 H O)可 反应生 成三硫型水 化硫 铝酸钙 ( 俗称钙 矾石 )。钙矾石 的溶解度极 低 ，沉 淀结 晶 出来 的 晶体长 大 ，其 结 晶压 导致 混 凝 土膨 胀 开 裂 。因此 ，硫酸 盐侵蚀 的根 源是 其溶 液与 水泥 中C A矿 物 的水化生成物 H C a S O 反应形成钙矾石 的膨胀 。 1 4 混凝土碱集料反应 碱集 料 反 应 是 指混 凝 土 集料 中 的某 些活 性 矿 物 与 混凝 土微孔 中的碱溶 液所产生 的化学反 应 。碱 主要 来于 水 泥熟料 、外加 剂 ，集 料 中活 性材料 主要 是S i O ， 和硅酸 盐 、碳酸盐 等。 混凝 土碱 集料 反应 分为碱 一 硅 、碱 一 碳 酸盐和碱 一 硅 酸盐 反应 ，其 中碱 一 硅 反应 最 为常见 。碱 集料 反应产 生 的凝胶 遇水 膨胀 ，在混凝 土 内部产 生较大 的膨胀应力 ， 从 而引起混 凝土开 裂 。混凝 土集料 在混凝土 中呈均匀分 布 ，因此裂 缝首先 在混凝土 表面无 序 、大量 产生 ，随后 将加 速腐蚀性 介质 的侵蚀破坏 作用而使 混凝土耐 久性迅 速降低。引起碱集料反应的3 个条件 ：一是混凝土中掺 入 了一 定数量 的碱性物 质 ，或者 混凝土处 于有利 于碱渗 入 的环境 ；二是集 料 中有 一定数量 的碱活性 骨料 ( 如含 S i O 的骨料 )；三是 潮湿 环境 ，可提供反 应物 吸水膨胀 所需要的水分。在干燥条件下，碱集料反应难以发生。 混凝 土发生碱 集料反应 破坏 的特征 ：外 观特征 主要是表 面裂缝 、变形 和渗 出物 ，内部特 征主要是 内部凝胶 、反 应环 、活性碱一集料 、内部裂缝 、碱含量等。混凝土结 构发生碱 集料反应 出现裂缝 后 ，空气 、水 、二氧化碳 等 侵入 ，加 快 了混凝 土碳化 和钢筋锈蚀 速度 ，而钢 筋锈蚀 产 物的铁锈 体积大 于钢筋原 有体积 ，会使裂缝 扩大 。在 寒冷 地区 ，混凝 土 出现裂缝后 会使冻融 破坏加速 ，造成 混凝土工程 的综 合性破坏 】 。 1 5 其他因素 隧道主体结构混凝土劣化的原因除了混凝土碳化、 一 7 7 冻融破坏 、碱集料反应和受到外界腐蚀性介质的侵蚀 外 ，还与混凝 土的设计 、施T ，混凝 土的原材料 和配合 比 ，以及环境变化有关 。 ( 1 )施工影 响 。隧道 _T程 施工 质量 直接影 响混凝 土 的耐久性 。施 工时 ，混凝 土密实性达 到设计 要求 ，耐 久性就好 ，若施工 质量差 ，混凝 土有麻 面 、蜂 窝 、裂纹 等缺陷，给腐蚀溶液提供了侵蚀通道 ，导致混凝土劣 化 ，降低耐久性 。 ( 2)混凝 土原材 料 。水泥 和矿 物掺和料 直 接影 响 混凝 土的耐久性 。水 泥是混凝 土 中最主要 的原材料 ，混 凝土的性能很大程度上取决于水泥的性能与用量，例如 调整水泥 熟料的矿物组 成是改善水 泥抗硫酸盐 侵蚀 的主 要措施 。降低水 泥熟 料 中铝酸 钙并相应增加 铁铝酸钙 含量 ，可 提高水泥抗硫 酸盐能力 。胶凝材 的颗 粒级配和 表面形状对 混凝土拌 和物 的和易 性影响很大 ，进而影响 硬化混凝 土 的密实性 。颗粒级 配好 的胶凝材 配制 的混凝 土密实性 好 ；反之 配制的混凝 土孔隙率大 ，影 响混凝土 的耐久性 。合理掺人 矿物掺和料 一般来说有利 于改善混 凝土的耐久性。 ( 3)混 凝土 配合 比。混凝 土配合 比直接 关 系到其 密实性 ，恰 当的配合 比既有利于施 工 ，又能满 足混凝土 性能要求 ，耐久性也 很好 ；反之 导致硬化混凝 土孔 隙率 很高 ，不 能满足耐久 性要求 。如水灰 比过 高 ，孔隙率也 高 ，水灰 比过小 ，混 凝土拌 和物的工作性差 ，施工不方 便 ，导致硬化混凝土质量下降， 现麻面、蜂窝 、裂纹 等 ，影响耐久性 。 ( 4)环境 影响 。隧道 主体 结构 处在地 下 ，不 同地 区隧道 内温度 、湿度差异很 大 ， 随季节变化而变化 。 隧道主体结构混凝土时常受到地下水作用，而地下水的 成 分含量千差 万别 。因此 ，混凝 土的侵 蚀劣化是化 学和 物理 作用 。 由于 隧道 内温 度 、湿 度 变化 ，出现 干湿 交 替 、冻融循 环等现象 ，出现盐结 晶并产生结 晶压 力 ，水 凝 成冰体积膨 胀并产生膨 胀压力 ，加 速或导致混 凝土的 破 坏。 2 工程措施 导致混凝土劣化是 由于混凝土密实度差 ，其 内部有 充足的水分和侵入了其他有害物质。满足混凝土耐久性 要求 ，必 须降低 昆 凝 土 的孔 隙率 ，特别是 降低毛细孔 的 一 7 8一 孔 隙率 ，使 混凝土有 足够 的密实性 并不 出现有害 裂缝 ， 能够抵抗水 分和侵蚀性介 质 的渗入 。隧道主体结构 混凝 土受侵蚀作用较为复杂 ，外界条件无法改变。因此 ，改 善 隧道主体结构 混凝土 的耐 久性必须注 重施 工工艺和原 材料 的选择 。 2 1 原材料的选择 ( 1 )水泥 的选 择 。水泥 类材料 的强 度和 工程性 能 是通 过水泥砂浆 的凝结和 硬化形成 。水 泥石一旦受损 ， 混凝 土的耐久性 被破坏 。因此 选择水泥应 结合工程具体 情 况 和 沣意 水泥 品种 的性 能 ，选 择碱 含量 小 、水 化热 低 、干缩性小 、耐热性 、抗水 性 、抗腐蚀 性 、抗冻性能 好 的水 泥 。水泥 强度不是决定 混凝土强度 和性能 的唯一 标准 ，较低标号 的水泥也可以配制高标号混凝土 。因 此 ，选 择水泥强 度时 ，需考 虑工程性能 ，有时工程性能 比强度更重要 。 ( 2)矿 物掺 和料 的选择 。矿 物掺 和料 的选择应 考 虑其 碱活性 ，防止碱集料 反应造成 的危 害 。矿物掺 和料 应具有 很强 的耐 蚀性和很好 的吸水性 ，掺和料表面亲水 性要好 。 同时选 择合理 的颗粒 级配和形状 ，改善混凝土 拌合 物的和易性 ，提高混凝 土密实度 。大量研究表 明 ， 掺入粉煤 灰 、矿 渣 、硅灰等掺 和料能有效 改善混凝土性 能 ，改善 混 凝 土 内孔结 构 ，填 充 内部 空 隙 ，提 高密 实 度 。 工程实践经 验表 明 ，混凝土 的干燥 收缩不是 隧道 主 体 结构混凝 土产生大量 裂缝 的主要 原因 ，水化热 和温度 变 化是造成 混凝 土开裂 的主要原 因。因此 ，防止混凝 土 裂 缝 ，提 高其耐久性 ，应 降低其水化 热 。降低混凝 土水 化热可采 用降低新拌 混凝 土温度 的方法 ，加入一 定 比例 的粉煤灰 可提高混凝 土的黏聚性 ，同时产生 的胶 凝反应 对混凝 土有养护作 用 ，改善抗 裂性能 ，减 少收缩 ，延缓 早期强度 发展率 。混凝土掺人 大量掺和料 可抑制碱集料 反应 ，是提高混凝土耐久性 的有效措施 。 2 2 混凝土配合 比设计 以降低混凝 土水胶 比 、不 片面强调水 泥的高强 和早 强为选用原则。减小水胶 比是改善混凝 土耐久性 的重要方 法 ，当前一些大体积混凝土结构一般采用低水胶比的碾压 混凝土。同时 ，还应强调混凝土组分中粗骨料 、细骨料的 均质性和稳定性，较好的骨料粒形 ( 针片状较少 ) 和合理 的级配。水泥与高效减水剂必须做相容性实验。 磊曼 CH N ES ER A L W A) ， S 2 01 1 0 2 在高软岩地 层 中修建 隧道时 ，采用喷射 活性粉末 混 凝土单层衬砌取代复合式衬砌，可提高隧道的承载与防 水 能力和 隧道 主体结构 的耐久性 。采 用喷射 活性粉末混 凝 土单层衬砌 时 ，应掺入一 定量 的钢钎 维 、掺 和料和减 水剂，严格控制水灰比、砂的细度模数和石子的粒径 ， 配 合 比应根据试 验确定 。掺入钢纤维 后 ，混凝 土 的各项 力 学性能有一定 改善 ，抗压 强度没有 明显提 高 ，但抗拉 强度 、抗裂性能 和抗渗水压 力强度 明显 提高 ，增 加 了混 凝土 的密实性 、耐久性 和质量稳定性 。 2 3 混凝土浇筑温度和振 捣 混凝 土的入模温度 应控制在 2 5 o = 以下 ，施工 过程 中 要预测混 凝土温度 与拉应力 的变化 ，提 出混凝土 温度控 制值 ，并 在施丁养 护过程 中实 际测定关键 截面 巾部温度 和表面约5 c m处 的表层温度 。 振捣 直接影 响混凝 土 的质量 和强度 。振捣不好 可造 成混凝土空 隙率增大 、密实性差 、收缩大 ，并 诱发 出现 裂缝 ，施丁 中应 采取有效 措施 。浇筑混凝土 时 ，应采用 高频振捣器振 实 ，遵循“ 快插 、慢拔 ” 的原则 ，且垂 直 点振 ，不得平拉 ，当拌合物的坍落度低于1 6 0 mm时 ， 应 加密振 点 。每 一振点 的捣 固延续 时间宜 为2 03 0 s ， 混凝土 应不再沉落 和出现气泡 ，表面呈 现浮浆 ，防止过 振 、漏振 。 2 4 二次衬砌混凝土合理拆模时间 隧道初期 支护变形 稳定前施 T的二次衬 砌 ，拆模 时 混凝 土强度应达到设计 的1 0 0 ，隧道初期变形 稳定后施 工的二 次衬砌 ，拆模 时混 凝土 强度 应达 到5 MP a 以上 ， 并应保证其表 面及棱角不受 损伤 。 2 5 选用合理的养护方法 由于我国 山岭 隧道分部地 域较广 ，隧道 内环境 条件 差异较 大 ，建 议在 隧道 内二次衬 砌混凝 土养生 时 ，采 用 密闭衬砌表 面养生技术 。 由于养护 台车 的造 价太高 ，建 议 我 国采取较 为简易 的汽雾 养生 台架 设备 ，台架的两 端 设充 气膜 ，台架 内侧 安装保 温隔热材 料 。当隧道 内温度 高于标 准值 时 ，在养 护 台车上 每隔一定 间距 安装若 干喷 雾嘴进行 喷雾降温 、保湿养生 ；当隧道 内温度低 于标准 值时 ，采用 安装在养 护台车 内桑 拿电炉进行 加热升 温 ， 同时开启安 装在 电炉 上喷淋 嘴进 行喷水 ，用 产生 的蒸汽 进行保 湿养 生。 二次衬砌混凝土采用汽雾养生 ，促进了混凝土持 C HI NE S ER AI L W AY s 2 01 1 0 2 篡 续 充分 的水 化反应 ，使混凝 土表面 的细部构 造得 以致 密 化，控制温度开裂的发生 ，降低了混凝土的干燥收缩开 裂 ，同时增进 了混凝土初期 和长期强度 的增长 。 2 6 表面处理和防护 隧道 主体结构 混凝土表 面处理 和 防护可 采用表 面涂 层材料 ，但其选择更为重要 。表面涂层材料可有效提高 隧道混凝土 结构 的耐久性 ，工程应用 中不仅要 求其提高 耐 久性 ，而且要求 在环境温 度和湿度 变化条件 下应具有 抗 老化 的能 力 。建议 采用 刚性 与柔性表 面涂层材料 对混 凝 土表面进 行 防护 处理 。刚性 表面涂层 材料 为面层 ，柔 性 表面涂层 材料为底层 ，刚性 与柔性 复合 表面涂层 是有 效增强 隧道主体结构混凝土耐久性 的方 法之一 。 3 结束语 目前 ，应 高度 重 视 隧 道 主体 结 构混 凝 土 耐 久性 问 题 ，高 速铁路 隧道主体结 构混凝土 要求6 0 年免维护 。提 高混凝土结构的耐久性 ，延长其使用寿命 ，应大量采用 新 技术 、新成果 和新材料 。改善 隧道主体结 构混凝土 的 耐久性 ，将 提高混凝 土 的抗 渗性和抗 裂性作 为提高其耐 久 性 的主要 技术途 径 ；通过 采用复合 胶凝材料 、降低水 胶 比和减少 用水量 ，在混凝 土中添加纤 维素纤维 增加二 次衬砌韧性来显著提高混凝土的抗裂性 ，这是隧道主体 混凝土结构耐久 性的研 究方 向 。 参考文献 唐 国荣 隧道混凝 土结构耐 久性 的环 境影 响 因素 及 措施对 策【 J J 铁道标 准设计 ，2 0 0 6 ( 1 1 ) 【 2 】倪文彪 影响钢 筋 混凝土结 构物耐 久性 的主要 因素 及对 策【 J J 华 东公路 ，2 0 0 5 ( 2 ) 5 】刘新 荣，祝云 华 ，李 晓红 ，等 隧道钢 纤维喷射 混 凝土单层衬砌试验研究 J 岩土力学，2 0 0 9 4 刘加 华 ，钱春 香 ，王镝 ，等 考虑 施工 因素影响 某 城 市超 长隧 道主 体 混 凝土 耐 久 性初 探 J 施 工技 术 ，2 0 0 5 ( 增 刊) 5 】中禄坤 影响隧道衬砌结构耐久性的主要 因素 四川建 筑，2 0 0 7 ( 2 ) 责任编辑葛化一 收稿 日期2 O 1 O 一1 0 2 0 7 9