高速公路隧道用洞渣混凝土耐久性研究与应用

随着我国基础建设的大力推进，混凝土作为应用广泛的建筑材料，其结构的耐久性问题也越来越受到重视，但混凝土结构耐久性的研究大多集中在工业、民用建筑和桥梁结构中，关于隧道混凝土耐久性的研究非常欠缺。为此，通过对部分既有高速公路隧道混凝土耐久性的调查，发现隧道所处的环境条件和地上结构不同：隧道内空气质量较差，汽车尾气等有害气体浓度较高,对混凝土的腐蚀性较大，在围岩条件差、昼夜温差大和地下水发育的部位，病害更加严重，我国既有高速公路隧道耐久性普遍不足，运营后易出现不同程度的病害，其中比较常见的破坏形式有硫酸盐侵蚀、冻融破坏、氯离子渗透。

鉴于目前河砂资源匮乏，机制砂替代天然砂已成为混凝土行业可持续发展的一种趋势，而隧道内的洞渣正好可以就地取材，破碎生产为粗骨料和机制砂。机制砂的材料特性与天然砂有较大的区别，最显著的区别在于机制砂中含有大量粒径小于0.075?mm的颗粒，称为石粉，但与天然砂中小于0.075?mm的颗粒不同，天然砂中细小颗粒对混凝土的和易性、强度、耐久性都有不利影响，而石粉来源于母岩，其物理性质与母岩相同，通过不同石粉含量对比试验对隧道混凝土耐久性进行研究，以为隧道混凝土的应用提供 参考。

1试验概况

1.1原材料选用

1.1.1水泥和粉煤灰

水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积342m ² /kg，碱含量0.42%；粉煤灰采用质量等级优良的 F类I级粉煤灰；矿粉采用S?95级矿粉，比表面积442m ² /kg，碱含量0.85%，氯离子含量0.019%。

1.1.2骨料

粗骨料产自某高速公路隧道洞渣，粒径为10~20mm和5~10mm双级配，比例为8∶2，10~20mm碎石含泥量0.3%，泥块含量0.1%，针片状3.0%，压碎指标8%，5~10mm碎石含泥量0.2%，泥块含量0.1%，针片状4.0%，坚固性3%，洞渣母岩强度78.6MPa。

细骨料采用天然砂与机制砂混合配置的方式，比例为1∶1，天然砂选用II区中砂，细度模数2.7，含泥量1.0%，泥块含量0.2?%，机制砂为洞渣破碎制 成，细度模数3.0，选用不同石粉含量作对比试验。

1.1.3外加剂

减水剂采用标准型聚羧酸系高性能减水剂，减水率33%，28d收缩率比98%，泌水率比0%；引气剂密度1.009g/cm ³ ，含固量1.85%，pH值6.5，含气量4.8%。

1.2配合比设计

选取不同水胶比、不同砂率、不同机制砂石粉含量进行混凝土配合比试配，检测混凝土的和易性、抗硫酸盐侵蚀、抗冻融、氯离子渗透等性能进行分析。

2试验方法及分析

2.1抗硫酸盐侵蚀

试验依据GB/T50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，按上述配比制作100mm×100mm×100mm混凝土试件， 每组3块，同时制作抗压强度对比试件，养护至26d从标养室取出，擦干表面水分，并在（80±5）℃烘箱中烘干48h，烘干冷却后在5?%Na ₂ SO ₄ 溶液中进行干湿循环试验，整个过程自动进行，在循环150次时，将试块取出测试抗压强度，试验结果如图1~图3所示。

图1不同水胶比的混凝土抗压强度耐蚀系数

图2不同砂率的混凝土抗压强度耐蚀系数

图3不同石粉含量的混凝土抗压强度耐蚀系数

结果分析：本试验以抗压强度耐蚀系数表征混凝土抗腐蚀性能，图1为不同水胶比的混凝土抗压强度耐蚀系数，由图1可以看出，水胶比为0.32时混凝土抗压强度耐蚀系数高于水胶比0.42时的系数，这是因为水胶比会直接影响混凝土浆体的致密程度，水胶比越低，混凝土浆体越致密，渗透性会越低，好的致密性将会有效提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。不同砂率时的混凝土抗压强度耐蚀系数如图2所示。

由图2可以看出，随着砂率的降低，抗压强度耐蚀系数也随之降低，这是由于随着砂率的降低，混凝土填充密实所需要的浆体越多，导致浆体不足，致密性降低，混凝土抗硫酸盐侵蚀性能也随之降低。图3是用不同石粉含量的机制砂代替天然砂时的混凝土抗压强度耐蚀系数，由图3可以看出，掺入部分含有石粉的机制砂可以提高混凝土抗压强度耐蚀系数，这是因为掺入含有石粉的机制砂可以用石粉充当致密所需的浆体，所以混凝土致密性会更好，但是由试验S1–10可以看出，当机制砂石粉含量超过10%达到15%时，抗压强度耐蚀系数降低，混凝土抗压强度也出现降低现象，说明石粉含量达到一定值时，会起到一定的反作用，使混凝土抗硫酸盐侵蚀性能降低。

2.2抗氯离子渗透

氯离子渗透性能是反映混凝土抵抗外界有害介质侵入能力的一个重要指标，氯离子渗透主要是通过混凝土内部空隙从周围环境渗向混凝土内部，从而导致混凝土耐久性降低。对于氯离子渗透性能通常用电通量法试验。

此试验采用直径100±1mm、高度50±2mm的圆柱体试件，试件表面处理干净，不得含有钢筋等导电材料，本次试验在56d进行，室内温度保持在20~25℃，试验结果如图4~图6所示。

图4不同水胶比的混凝土电通量

图5不同砂率的混凝土电通量

图6不同石粉含量的混凝土电通量

结果分析：图4是不同水胶比的混凝土电通量结果，由图4可以看出，水胶比从0.42降到0.32时，电通量也随之降低明显，这是由于降低水胶比，混凝土内部空隙减少，外部环境有害介质难以侵入，从而提高混凝土抗氯离子渗透性能。

图5为不同砂率时的电通量结果，通过对比得出，随着砂率的降低，电通量反而随之增大，随着砂率的降低混凝土内部空隙可能会相应地增多，降低混凝土的渗透性，导致有害介质渗入，降低了混凝土抗氯离子渗透性。

图6中不同石粉含量的机制砂也对电通量试验起到一定的影响，可以看出，随着石粉含量的增加，电通量降低，氯离子渗透性发生变化，但是石粉含量超过一定量时，随着石粉含量的不断增加，会使混凝土抗压强度降低，因此应将石粉含量控制在合理的范围内，从而达到力学性能和抗氯离子渗透性能良好的 效果。

2.3?抗冻性能

抗冻性能也是混凝土耐久性的一个重要方面，依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐 久性能试验方法标准》，由表1配合比制作100mm× 100mm×400mm混凝土试件，并采用快冻法，对比在300次冻融循环下混凝土的质量损失率和相对动弹性模量，表征混凝土的抗冻性能，试验结果如图7~图9。

图7不同水胶比的抗冻性能

图8不同砂率的抗冻性能 

图9不同石粉含量的抗冻性能

结果分析：由图7相对动弹性模量和质量损失率的变化情况可以看出，水胶比越大，抗冻性能越差，这是由于水胶比不同，混凝土密实程度、内部孔隙结构也会不同，水胶比越大，混凝土在硬化过程中蒸发 掉的水分越多，就会产生更多的孔隙，这样孔隙之间相互连通，使混凝土渗透性增大，最容易导致冻融 破坏。

从图8可以看出，随着砂率的减小，混凝土抗冻性能也随之降低，由于降低砂率会使混凝土保水性下降，泌水通道增加，因而使混凝土内部连通孔隙的数量增多，降低混凝土的抗冻性能。

从图9可以看出，混凝土的抗冻性能随着机制砂石粉含量的增加而提高，由于石粉含量的增多，提高了混凝土的密实性，因此抗冻性能有所提高，但是当石粉含量超过10?%达到15?%时，混凝土质量损失率较大，因此在实际中应合理控制机制砂石粉含量。

3结论

（1）水胶比是影响混凝土耐久性的一项重要指标。较低的水胶比可以提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子渗透和抗冻性能。

（2）砂率控制在合理范围内对耐久性也起到了一定的影响，良好的砂率（40?%~45?%）可有效改善混凝土的耐久性。

（3）含有一定量石粉的机制砂的使用可有效提高混凝土的耐久性，但石粉含量应控制在一定的范围内，从试验可以看出，石粉含量在10?%以内，机制砂的使用可以提高混凝土的耐久性，但是石粉含量超过10?%后，力学性能和耐久性会起到一定的副作用。

（4）建议根据施工特点对隧道衬砌混凝土进行相应条件的养护，以达到提高耐久性的目的。