膨脹劑在隧道襯砌混凝土中的應(yīng)用研究

摘要: 膨脹水泥混凝土不僅能起到良好的防水作用而且能防止由于混凝土各種收縮產(chǎn)生的裂縫, 其在隧道襯砌工程中的使用已逐步顯示出不可替代的作用。文章以浙江省臺縉高速公路蒼嶺隧道Ⅳ類圍巖襯砌為例, 闡述了膨脹劑在隧道襯砌混凝土中的作用機理以及對混凝土的影響及施工中的質(zhì)量控制等。

關(guān)鍵詞: 膨脹劑; 隧道; 混凝土; 應(yīng)用

中圖分類號: U455 文獻標識碼: B

　　混凝土在澆注硬化過程中, 由于化學(xué)收縮、冷縮、干縮等原因會引起體積的收縮, 其收縮值大約為自身體積的0.04%~0.06%, 從而導(dǎo)致混凝土開裂、滲漏及鋼筋銹蝕等缺陷, 給混凝土體積穩(wěn)定性、耐久性帶來很大危害?，F(xiàn)代高速公路建設(shè)對隧道襯砌防水和混凝土外觀質(zhì)量要求非常高, 而摻普通防水劑雖然能保證襯砌的防水效果, 但對于控制混凝土的外觀收縮裂縫起不到作用, 而采用膨脹劑配制襯砌混凝土, 不僅能達到良好的抗?jié)B防水效果, 且由于其膨脹作用抵消了混凝土的收縮變形, 從內(nèi)在作用機理上防止了混凝土收縮裂縫的出現(xiàn), 具有良好的使用效果。現(xiàn)在越來越多的隧道襯砌采用膨脹劑作為外加劑, 如浙江省高速公路建設(shè)中設(shè)計單位已明確規(guī)定隧道襯砌混凝土采用膨脹水泥混凝土, 可見其在隧道襯砌混凝土中具有良好的使用效果和廣闊的應(yīng)用前景。

1 膨脹劑作用機理

　　混凝土膨脹劑是指與水泥、水拌和后經(jīng)水化反應(yīng)生成鈣礬石、鈣礬石和氫氧化鈣或氫氧化鈣, 使混凝土產(chǎn)生膨脹的外加劑。根據(jù)其膨脹源分為硫鋁酸鈣型、硫鋁酸鈣—氧化鈣型和氧化鈣型3 種。由于各類膨脹劑自身的成份對混凝土后期的影響不同,有的應(yīng)用亦受到限制。目前使用的膨脹劑大多為硫鋁酸鈣型膨脹劑。本文主要針對此種膨脹劑進行闡述。硫鋁酸鹽膨脹劑的主要組分為: C4A3S、CaSO4及CaO, 它們與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 形成三硫型水化硫酸鈣結(jié)晶體—鈣礬石( 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) , 它們基本按下列化學(xué)反應(yīng)方程式進行。

　　3CaO·Al2O3+Ca(OH) 2+12H2O=4CaO·Al2O3·13H2O4CaO·Al2O3·13H2O +3 (CaSO4·2H2O) +14H2O =3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH) 22KAl2O3(SO4) 2(OH) 6+13Ca(OH) 2+5CaSO4+78H2O=3( 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) +2KOH

　　由于鈣礬石與水泥的其他水化產(chǎn)物C—S—H、氫氧化鈣等相比, 密度較小, 所以膨脹劑在水化過程中都要生成大于自身體積的水化產(chǎn)物, 硫鋁酸鹽系膨脹劑在生成鈣礬石后體積約為自身體積的145%, 它是一種針棒狀的晶體, 隨著水泥石結(jié)構(gòu)的形成過程它逐步的在水泥石結(jié)構(gòu)中搭接延伸, 有效地堵塞了空隙和切斷了毛細管通路, 是結(jié)構(gòu)進一步更加致密, 提高了混凝土的抗?jié)B標號, 同時也使混凝土中產(chǎn)生適度的體積膨脹, 抵消了混凝土各種收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力, 避免了混凝土外觀出現(xiàn)收縮裂縫。

　　其他種類的防水劑大部分是通過引入一定數(shù)量的微氣泡隔斷毛細管孔道或產(chǎn)生一些憎水因子而達到防水抗?jié)B的目的, 不具備膨脹劑的微膨脹功能。

2 膨脹劑在隧道襯砌中的作用分析

　　以浙江省臺縉高速公路蒼嶺隧道Ⅳ類圍巖襯砌為例, 襯砌臺車12m, 襯砌半徑5.55m, 襯砌厚度30cm, 混凝土強度等級C25, E7 取20GPa, μ=0.2,膨脹劑7d 水中限制膨脹率0.03%。為簡化分析假定混凝土為線彈性各向同性, 選用Solid65 單元進行有限元分析。分析模型的受力狀況考慮如下: 混凝土因各種收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)須大于混凝土的抗拉強度, 因為假設(shè)混凝土為線彈性, 此時把相應(yīng)的拉應(yīng)力反轉(zhuǎn)作用于襯砌結(jié)構(gòu)各單元節(jié)點, 并根據(jù)實際情況施以約束條件。經(jīng)有限元分析的變形量和膨脹劑的限制膨脹量比較, 從宏觀上解釋了限制混凝土裂縫的產(chǎn)生原因。分析以混凝土7d 時為例, 且主要以隧道襯砌縱向變形( 即環(huán)向裂縫的限制) 研究為主。混凝土抗拉強度一般為抗壓強度的1/10~1/20, 本處取為3.0MPa。有限元分析結(jié)果見圖1。

　　可見每板襯砌由于混 凝土的各種收縮產(chǎn)生的變形約為1.13mm, 而每板襯砌膨脹混凝土產(chǎn)生的限制膨脹約為3.6mm, 超出收縮產(chǎn)生的變形, 從而使混凝土更加致密, 同時也可能產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力, 對混凝土的抗?jié)B性能和外觀都起到了良好的效果。從微觀或局部來說, 由于混凝土并非完全線彈性材料,外力作用下會產(chǎn)生非均勻的應(yīng)力分布, 致使某些部位的收縮位移較大, 而膨脹混凝土產(chǎn)生的限制膨脹力完全能消除這種不均勻性帶來的影響。上述主要針對環(huán)向裂縫的限制進行分析, 對于縱向裂縫, 在隧道中由于混凝土自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力而使其不易出現(xiàn), 僅在拱部附近可能產(chǎn)生, 此時膨脹混凝土的膨脹作用也完全能限制這種裂縫的產(chǎn)生。3 膨脹劑對混凝土的影響及施工中的質(zhì)量控制

3.1 膨脹劑對混凝土的影響

3.1.1 流動度

　　對于摻入膨脹劑的新拌混凝土比普通混凝土的流動度有所降低, 塌落度損失也較大, 原因是水泥水化的同時, 膨脹劑也迅速水化生成鈣礬石或氫氧化鈣, 與水泥發(fā)生爭水現(xiàn)象, 因此塌落度減小的同時, 塌落度的損失卻越大。為解決上述問題, 現(xiàn)在隧道襯砌都采用復(fù)合膨脹劑, 即摻入一定量與膨脹劑和水泥都適應(yīng)的高效減水劑以提高混凝土的塌落度和延緩塌落度損失。

3.1.2 泌水率

　　摻膨脹劑時混凝土的泌水率比不摻時要低些。這是由于早期膨脹而水化比較充分的原因, 但總的影響不十分明顯。

3.1.3

　　含氣量各種膨脹劑并無引氣性, 因而加入混凝土后,含氣量不受影響, 對于復(fù)合了減水劑的膨脹劑, 會由于減水作用而引入部分含氣量。

3.1.4 凝結(jié)時間

　　凝結(jié)時間要比普通混凝土縮短一些。這主要是因為膨脹劑早期生成了鈣礬石加快了水化速度, 因此混凝土凝結(jié)時間略有縮短。對凝結(jié)時間的影響還和使用溫度有關(guān), 夏季施工則影響明顯, 冬季施工則影響不大。

3.1.5 鋼筋銹蝕

　　各種膨脹劑的原材料中不含氯離子, 且膨脹劑本身含有一定的堿性, 其pH 值與水泥相當, 因此對鋼筋沒有銹蝕作用, 也不影響對鋼筋的握裹力。

3.1.6 強度影響

　　在限制的情況下, 摻膨脹劑取代等量水泥對混凝土強度( 包括抗壓及抗折強度) 無明顯不利影響。早期強度會比不加時稍有提高, 而28d 強度會略有降低。但在養(yǎng)護條件好的情況下, 后期強度會因為混凝土內(nèi)部的密實性增加而提高。對復(fù)合了減水劑的復(fù)合膨脹劑則強度及其他相關(guān)性能都會相應(yīng)提高。

3.1.7 抗?jié)B性及抗凍性

　　抗?jié)B性的大小和混凝土的密實性有直接關(guān)系,如前所述, 膨脹劑在補償收縮的同時提高了混凝土的密實性, 從而大大降低了混凝土的滲透系數(shù), 提高了混凝土的抗?jié)B標號, 抗凍性能也有所提高, 增加了混凝土的耐久性。本隧道通過對襯砌混凝土抗?jié)B性的試驗, 抗?jié)B標號都在S12 以上。

3.1.8 堿骨料反應(yīng)

　　從目前使用的硫鋁酸鹽系膨脹劑來看, 由于大多數(shù)是以明礬石作為膨脹組分, 而明礬石中K2O 和Na2O 含量可達2%~4%。膨脹劑由于摻量大, 應(yīng)當控制含堿量。目前膨脹劑正朝著低摻量、低含堿量及高性能方向發(fā)展, 且由于膨脹劑是內(nèi)摻, 可取代等量水泥, 因此它的堿含量只要不超過所使用的水泥中的堿含量, 就應(yīng)該沒有問題。

3.2 膨脹劑應(yīng)用中的質(zhì)量控制

3.2.1 混凝土的拌制

　　要求計量準確, 摻量應(yīng)該通過試驗確定。摻量的變化對膨脹的效果、膨脹時間均有影響。對于某些低標號混凝土摻加膨脹劑后倒出現(xiàn)裂縫, 主要是由于膨脹劑摻量大, 混凝土早期強度太低, 沒有限制條件, 混凝土因膨脹作用而破壞。另外, 對摻加膨脹劑的混凝土應(yīng)加強攪拌, 攪拌時間應(yīng)適當延長1~2min。

3.2.2 注意對膨脹劑和水泥的選用

　　不同的水泥及水泥用量對膨脹劑的膨脹率影響是不一樣的。膨脹率隨混凝土中Al2O3、SO3 的增加而增長。水泥用量大, 膨脹率就高, 或反之; 水泥標號低則膨脹率大, 水泥標號高則膨脹率低。因此在混凝土配合比設(shè)計中要考慮上述因素。膨脹劑的細度也影響其膨脹性能。因為其細度直接影響膨脹劑在混凝土中的溶解度, 從而影響其生成鈣礬石的時間和數(shù)量, 改變膨脹作用在水泥不同強度下發(fā)生的時間, 就會影響膨脹率和自應(yīng)力值。因此對每批進場的膨脹劑要加強檢驗, 確保其質(zhì)量的穩(wěn)定性。

3.2.3 膨脹水泥混凝土的養(yǎng)護

　　養(yǎng)護條件對摻膨脹劑的混凝土非常重要。膨脹劑的膨脹作用主要發(fā)生在混凝土澆注的初期, 一般在14d 后就趨于穩(wěn)定。而混凝土澆注的初期也是水泥水化的重要階段, 兩者之間就有爭水現(xiàn)象。如果養(yǎng)護不好就有可能出現(xiàn): 或者硫鋁酸鈣水化不充分形不成足夠的膨脹值, 或者膨脹率大于水泥水化速度而影響了強度的發(fā)展, 甚至膨脹力被尚有塑性的混凝土吸收。一般在拆模后應(yīng)立即進行養(yǎng)護, 養(yǎng)護期為14d, 比普通混凝土養(yǎng)護期要長。膨脹劑防止裂縫不是萬能的, 必須與諸多條件配合才能奏效, 其中養(yǎng)護不好是最容易出現(xiàn)的問題, 尤其是在炎熱或干燥的空氣, 所以必須控制好混凝土的養(yǎng)護。

3.2.4 膨脹劑的貯存控制

　　貯存期不能太長, 應(yīng)注意不能使膨脹劑受潮結(jié)塊。因為經(jīng)過高溫煅燒后, 含有一些水泥熟料成份的膨脹劑, 都容易遇水受潮發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石而失去活性。

3.2.5 相關(guān)工序施作的時間控制

　　膨脹作用的發(fā)揮受矮邊墻、相鄰襯砌施作的影響。矮邊墻應(yīng)提前施作以保證該段襯砌時具有足夠的強度; 相鄰襯砌也要及時跟進已施作的襯砌, 只有這樣才能形成限制條件, 使膨脹水泥混凝土的作用得到充分發(fā)揮。工序的良好銜接和時間控制是膨脹作用發(fā)揮的一個重要因素。

4 結(jié)語

　　膨脹水泥混凝土不僅能起到良好的防水作用而且能防止由于混凝土各種收縮產(chǎn)生的裂縫, 其在隧道襯砌工程中的使用已逐步顯示出不可替代的作用相信隨著我國公路建設(shè)的發(fā)展, 越來越多的隧道將采用膨脹水泥混凝土進行襯砌。對膨脹水泥混凝土作用機理、膨脹劑對混凝土的影響及施工中的質(zhì)量控制等方面的技術(shù)進行研究非常必要。