瓦斯隧道气密性混凝土配合比设计.pdf

l 56 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i ng 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 1 5 6 0 4 瓦斯隧道气密性 混凝 土配合 比设计 肖立 波 ( 中铁 二局 工程测试 中心 ， 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘 要 ： 分析 了气 密性混 凝 土的作 用原理 ， 阐述 了混凝 土 透 气 系数 的测 试 原 理及 方 法 ， 着 重介 绍 了配合 比 的正 交试 验 方案及 选 定过 程 ， 为 类似 工程提 供借 鉴 。 关键 词 ： 瓦斯 隧道 气 密性 混 凝 土 配合 比 设 计研 究 中 图分 类号 ： U 4 5 4文 献标 识码 ： B 自上世纪 9 0年代开始 ， 国内在公路 、 铁路等瓦斯 隧道工程中， 开始研究使用气密性混凝 土防止 瓦斯突 出技 术 。其 中在 华蓥 山公 路 隧道 、 上 清河铁 路 隧道 、 渝 遂路大学城( 梨树湾 ) 隧道均成功地运用 了该技术 ， 即 利用在t 昆 凝土中添加矿物掺 和料 、 外加 剂等配制气密 性混凝土 ， 实际应用效果很好 ， 能够达到封 闭瓦斯 、 防 水及防腐的 目的。另一方面， 随着我 国铁路、 公路建设 的迅 速发展 ， 其 中通过 煤 层 的高 瓦 斯 隧 道 工 程 会 越来 越多 ， 气密性混凝土试配设计及施工技术在近年还会 有 很 大 的发展 。本 文 着重 介绍 用正 交试 验方 法 选定 气 密性 混凝 土配 合 比的过 程 。 1 气密性 混凝土的技术要 求 水灰( 胶 ) 比是控制混凝土 密实性的主要 因素 ， 有 关试验资料表 明， 水泥浆孑 L 隙率超 过 2 0 3 0 时 ， 硬化后 的水泥浆渗透系数将 急剧变 大， 因此水灰 比的 控制 ， 对混凝土的抗渗性有着极其重要的作用。 目前 ， 对于气密性混凝土 的水灰 比限值 尚未 明确 界定 ， 根据 公路隧道施工技 术规范( J T J 0 4 2 9 4) 关于抗渗 混 凝 土 的规 定及 瓦斯 隧道 施 工 相 关 试 验 资料 ， 气 密 性 混 凝土的水灰 比应不 大于 0 5 5 ， 坍落度宜控制在 1 6 0 2 0 0 m m范围， 抗压强度等级不低 于 C 2 0 、 抗渗等级不 低 于 P 8 ， 透 气 系数 K1 X 1 0 c m s 。 有关资料表 明， 混凝土对瓦斯的气密性 和对空气 的气密性 大体属 于 同一 数量级 ( 瓦斯包 括烃 类气体 ( 甲烷等) 、 C O 、 C O、 H S等在内的有害气体 ， 甲烷含量 约 占 8 0 ) ， 所以可 以采用测定混凝 土对空气 的气密 性来间接评估对瓦斯的气密性 。对于测定方法及评估 指标 ， 目前常用的有定压法和变压法。定压法是保持 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 1 - 1 7； 修回 日期 ： 2 0 1 1 - 0 3 - 1 6 作者简 介： 肖立波 ( 1 9 7 4 一)， 男 ， 四川 资阳人 ， 工程师。 工作压力不变 ， 测定一定量 流体透过试件需要的时间 或在一定时问内流体透过试件的数量作为气密性衡量 指标 ， 按前苏联及 日本的测试装置 ， 气密性采用透气系 数即在定压条件下 ， 以气体在单位时间内， 于单位面积 上 的渗 流量 表示 。 2气 密性混凝土原材料 实测指标 1 ) 水泥 四川 I 亚 东 水 泥 公 司 生 产 的 “ 洋 房 ” 牌 P 0 4 2 5 R 水 泥 ， 实测 2 8 d抗 压 强 度 为 4 4 7 MP a ， 所 检 指 标均 满 足 G B 1 7 5 -2 0 0 7标准要求。 2 ) 粗 骨料 周 家镇石 子 ， 规 格 52 0 m m 和 1 6 0 3 1 5 m m 两级配的碎石， 掺配 比例为 2 0 ： 8 0 ， 掺 配后级配满 足 5 0 3 1 5 mm 连 续 级 配 要 求 ， 含 泥 量 为 0 5 ， 针 片状含量 为 7 2 。所 检指 标均 符 合 G B T 1 4 6 8 5 - 2 0 0 1 标 准 中 类标 准 。 3 ) 细 骨料 细骨料对混凝土的气 密性影 响很大 ， 含 细粉过多 会 增 大混凝 土 的 收缩 ， 对 细 骨 料 的级 配及 粉尘 含 量 必 须严 格控 制 ， 选 用 彭 州 河 砂 ， 细 度 模 数 为 2 8 ， 实 测 含 泥量 为 2 0 。所检 指标 均符 合 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1中 类 砂 标准 。 4 ) 磨细矿渣粉 成都混凝土新建材有 限公司生产的 $ 7 5级磨细矿 渣粉 ， 试验检测结果见表 1 。 5 ) 气 密剂 四川眉山永江工贸有 限责任公 司生产 的 F O S型 气密性防腐剂 ， 厂家推荐掺量 4 8 ， 减水率约 为 1 6 ， 试验检测结果见表 2 ， 另对钢筋无腐蚀作用 。 6 ) 拌合用水 饮用水 ， 满足混凝土拌合用水标准 。 2 0 1 1年第 7期 瓦斯隧道气密性混凝土配合 比设计 1 5 7 表 1 S 7 5级磨细矿渣粉检测 结果 表 2气密性防腐剂检测 结果 3 气 密性混凝土设计 3 1 设 计依 据 普通混凝土配合 比设计规程 J G J 5 5 2 O 0 0 ； 铁 路瓦斯隧道技术规范 T B 1 0 1 2 0 -2 0 0 2 ； 公路隧道施 工技术规范) J T J 0 4 2 -9 4 。 3 2设计 原 理 在混凝土中掺入适量的矿物外掺料 、 气密性防腐 剂等材料 ， 这样配制 的混凝土即为气密性混凝土 。气 密性混凝土正是利用矿物外掺料 、 气密性防腐 剂的活 性和微粒填隙机能 ， 改善硬化混凝土微观和亚微观结 构 ， 使混凝 土中的空隙率降低 ， 孔结构细化并减少贯通 性毛细孔数量 ； 从 而提高其密实度 、 抗渗性 和耐腐蚀 性 ， 达到封闭瓦斯 、 防水及防腐的 目的。 3 3 设 计 思路 1 ) 在进行配合 比设计 前先对拟用原 材料进行筛 选鉴定试验 ， 确保配合比所用原材料的质量； 2 ) 配合 比设计采用 L q ( 3 ) 正交设计方案 ， 通过正 交试验成果分析各方 面影响 因素 ， 最后确定一个最佳 的配合 比。 3 4配合比设计参数确定 1 ) 试 配强 度 。 = ( 抗 压强 度标 准值 )+ 1 6 4 5 =3 3 2 MP a ( 设计混凝土等级为 C 2 5 ； 为标准 差 ， 取 5 0 MP a 。 ) 2 ) 水胶 比 W C= 。 。 + 。O t 6 = 0 5 9 ( 其 中： 。 、 O t b为 回 归 系数 ， 。为 0 4 6 ，O 为 0 0 7； 为水 泥实测 2 8 d抗 压强 度 ) 。 为满足混凝土抗 渗等级及气密性能要求 ， 基准水 胶 比 确定 为 0 5 2 ， 选 用 0 0 3间 隔分 别 试 配 0 5 2 ， 0 4 9 ， 0 5 5三个配合比。 3 ) 砂 率 为满 足混 凝 土 的可 泵 性 ， 砂 率选 用 45 。 4 ) 单方用水量 根据 J G J 5 5 -2 o o o 普通混凝土 配合 比设计规程 混凝 土用水量按坍落度及粗集料规 格查表及多次试拌 ， 最终确定掺加气密剂后用水量为 1 8 5 k g m 。 5 ) 外加剂及外掺料掺量 F O S型气 密性防腐 剂选用厂家推荐 的掺量范围内的三个掺量 ： 4 ， 6 ， 8 ， 采用 内掺等量取代水泥 ； $ 7 5级磨细矿渣粉选 用 1 6 ， 1 8 ， 2 0 三个 掺量 ， 采 用 内掺等 量取 代水 泥 。 3 5确定 正 交试验 方 案 采用 L 。 ( 3 ) 正交试验方案 ， 选用水胶 比( A) 、 气 密剂掺量( B ) 、 矿粉掺量( C) 三个因素 ， 因素水平表见 表 3 ， 相应 的正交试验方案见表 4 。 表 3因素水平 试验 号水胶 比( A)气密剂掺量 ( B )矿粉掺量( C ) D空列 4 气密性混凝土拌合及透气 系数试验操作要点 4 1 气 密 性混凝 土 拌合 试验混凝土的拌合采用 S J D - 6 0型强制式搅拌机 进行两次投料搅拌。先加水泥、 矿粉、 气密剂和砂干拌 1 5 rai n ， 达到搅拌料颜色均匀后 ， 再加入石子及水搅 拌 2 0 mi n ， 经验证搅拌效果较好 ， 拌合物均匀无 离析 现 象 。 l 5 8 铁道建筑 4 2透气 系数 测试 4 2 1 试 件制 作 试件为上 口直径 1 7 5 m m、 下 口直径 1 8 5 m m、 高 1 5 0 mm的截头圆锥形试件 ， 成型方法及使用试模均同 抗渗混凝 土试件。一 组试件 为 6个。试 件成 型静 置 2 4 h后拆模 ， 用 钢丝 刷将上 下端 面 的水 泥膜 刷 除干 净 ， 移至标 准养护室养护 至 2 8 d龄期 ， 然后 在室 内 自 然气干 1 4 2 8 d ， 使试件湿度与大气充分平衡。 4 2 2 测试 装置 气密性试验采用 的是下进气法测试 ， 测试装置 由 天津建筑仪器 厂生产 的 HP 4 0型 自动加 压抗 渗仪改 装而成 。即在原抗渗仪基础上增加 空压机和气压计 ， 将抗渗仪的储水罐改为储气罐 ， 气 压计用带有刻度 的 “ u” 形透 明玻 璃 管装 入适 量 的水 ， 空压 机 、 储 气 罐 和抗 渗仪之间用高压风管连接 ， 抗渗仪和气压计之 间用软 胶 管 连接 。 4 2 3试 件 测 试 在测试之前 ， 先将试件侧面杂物清除干净 ， 再裹上 加热 后 的石 蜡 。然后 将 试 件 放 到预 热 至 5 5 q C左 右 的 试 模 中 ， 将 试 件带 模 一起 小 头 朝 下 迅 速 放 到 压 力 试 验 机的承载板上 ， 并在试件上放一个 4 , 1 7 5 m m事先准备 好 的承 压 钢 板 ， 缓 慢 加 压 至 2 5 k N稳 压 4 m i n后 将 压 力慢慢降低至零 ， 如试件 已基本稳定 ， 将试件连同试模 一 起 取 下 。检查 试件 与试 模 之 间 的密 封 质 量 ， 方 法 是 将试件 ( 模) 安装到测试仪上 ， 在试件与试模间涂抹少 量 的肥 皂水 ， 然后 开气 阀加压 到 0 6 M P a ， 检查 是否 有 气泡从试件 四周冒出。检验合格后 ， 即可进行试验 。 测试 步骤 ： 1 ) 在抗渗仪上安装好测试试件。 2 ) 打开气阀 ， 将气压控制在 0 3 M P a ， 稳压 6 h 。 3 ) 将气压计的软管与顶盖 的出气管连通， 开始测 读透气量 ， 然后每 间隔 3 0 mi n测读一次 ， 直至连续两 次 的透气 量 读数 差不 大 于平 均 值 的 1 0 时为 止 ， 取 两 次透气量平均值作为该试件的 0 5 h透气量。若透气 量很大 ， 也可以按透气量达到某一 固定值 时所需要的 时 间控 制 ， 连续 两次 的时间差也 应控制 在平均值 的 1 0 以内， 取其平均值作为该试件 的透气时间， 计算 出 该测试压力下单位 时间 的透气量 。然后继续 提高压 力 ， 稳 压 6 h后 ， 继续 测试 。 4 ) 在测试过程中如发现透气量突然增大时， 应卸 压后重新检查密封情况 ， 必要时需重新测定。 4 2 4 透 气 系数 计算 以混凝 土在 一定 压 力 、 一定 时 间 内 的透 气 总 量 计 算其透气系数 K， 以 来评定混凝土的气密性 ， 在每组 试件的透气量 q的结果中舍去最大和最小值 ， 按下式 计算透气 系数 K值 ： K = 2 L P ： y ( P 一P ) ( Q I A)1 0 式中， P 。 为施压一侧气体压力( MP a ) ； P 为透气压力 ( M P a ) ； P为单位时间透气量 ( c m s ) ， P = ( L 一 L ) A T ( ,r r d 4 )( 为测试时间差 ， d为气压计 玻璃管直径 ) ； 7 。 为空气重度 ， 取 1 2 0 51 0 N c m ； A为透气面积( c m ) ； L为试件厚度 ( e m) 。 5正交试验结果分析 经正交试验， 各配合 比混凝 土物理及力学性能指 标见表 5 。 表 5 L 。 ( 3 ) 正交试验结果汇总 注 ： 和易 性 描 述 项 ， 19号 均 加 “ 和 易 性 良好 ”。 正交成 果 趋势 图如 图 1 所 示 。 经过 分析 ， 得 出 以下结论 ： 1 ) 随着水 胶 比 的 降 低 ， 混 凝 土抗 压 强 度 增 大 ， 混 凝土透气系数降低 ； 2 ) 矿粉的掺量变化对混凝土 的强度及 透气 系数 影 响很 ， J 、 ； 3 ) 气密剂 的掺量对强度及透气系数影响较大 ， 随 着掺量的增大 ， 混凝土抗压强度和透气系数均降低 ， 而 气密剂的掺量为最低时混凝土的流动性稍差 。 综合以上分析 ， 考虑混凝土强度、 透气 系数和和易 性 因素 ， 经过多次试拌 ， 最终确定 A 3 B 2 C 1配比为选用 2 0 1 1 年第 7期 瓦斯 隧道气密性混凝土配合 比设计 1 5 9 40 o 茎 意 0 皆3 2 0 28 o 2 4 o 主 疆 勺 _e 0 1 6 1 8 2O 矿粉掺 量， ( a ) 矿粉掺量与强度关系 L 、 4 6 8 气密剂掺量， ( C ) 气密剂掺量与 强度 关系 、 、 4 O 0 羔 遗 3 6 0 鹭3 2 0 勺28 O 2 4 O 萼 。 兰 1 0 辍 0 。 0 2 0 砉 0 慕 。 O 、 0 49 0 52 0 55 水胶 比 ( b ) 水胶比与强度 关系 一 一 p 一 水胶比 ( d ) 水胶比与透气系数关系 气密剂掺量 矿粉掺量 ( e ) 气密剂掺量与透气系数关系 ( f 矿粉掺量与透气系数关系 图 1 正交试验成果趋 势 的最佳理论配合比。 公路董家山隧道工地现场进行气密性混凝 土施工 ， 经 6 应用验证 检测， 各方面指标均满足要求。试验指标汇总见 衣O o 采用 选定 的 A 3 B 2 C 1 配 合 比在 四川都 江 堰 至汶 川 表 6现 场 取 样 试 验 结果 汇 总 7 结 语 1 ) 气密混凝土施工必须严把原材料质量关 ， 确保 原材 料质 量稳 定 。 2 ) 采 用 $ 7 5级 矿 粉 、 气 密 剂 ， 通 过 优 化 混 凝 土 配 合 比设计 ， 可 配制 出满 足要求 的气密性 混 凝土 。 3 ) 气密剂掺量是气密性混凝土设计 的关键 ， 本项 目所确定的 F O S型气密性防腐剂最佳掺量为 6 。 4 ) 气密混凝 土现场施 工时必须严格按规定 投料 顺序和搅拌时间进行拌制 ， 浇注时特别注意施工缝处 理 ， 加强混凝土的早期养护工作。 参 考 文 献 1 赵铁军 混凝 土渗透性 M 北京 ： 科 学出版社 ， 2 0 0 5 2 王永海 ， 柯 国炬 ， 李北星 ， 等 配制高性能粉煤灰 隧道混凝土 的正交试验研究 J 铁道建筑 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 5 2 5 5 3 王有德 ， 宋 平 兴 气 密 性混 凝土 配合 比设 计试 验技 术分 析 J 山西建筑 ， 2 0 0 3 ( 1 5 ) ： 5 0 5 1 4 中华人 民共 和 国铁 道部 T B 1 0 1 2 0 -2 0 0 2 铁 路瓦斯 隧道 技术规范 s 北京： 中国铁道出版社， 2 0 0 2 5 中华人 民共 和国建设 部 J G J 5 5 -2 0 0 0普通混凝 土配合 比 设计规程 s 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 1 ( 责任审编孟庆伶)