中铁二十局集团第四工程有限公司      程建平

摘  要：本文通过分析影响混凝土耐久性化学反应机理及特征，根据渝怀线11标段两座瓦斯隧道施工实际，论述该工程抗渗防腐混凝土从原材料及配合比选定到混凝土生产的全过程。

关键词：铁路隧道    瓦斯    抗渗防腐混凝土

1、前言

混凝土结构在建成后不长时间，就会因各种化学的、物理的原因而出现过早的破坏，使结构耐久性大大降低，从而造成巨大损失。工程技术工作者研究发现，影响混凝土耐久性的化学反应主要有以下几种类型：

表1    影响混凝土耐久性化学反应的主要类型

2、工程概况

渝(重庆)—怀(怀化)铁路白沙沱三号隧道全长761 m，乌江峡谷地貌，洞身为灰岩夹页岩及煤层、煤线，灰岩溶蚀严重。洞身煤层埋深40 m，为瓦斯风化带，不具突出危险，系瓦斯隧道。洞身位于岩溶水垂直循环带，地下水具硫酸盐中等侵蚀(据现场对隧道内环境水质化验分析结果，PH值为4.7，SO2-4为850mg/L)和溶出性弱侵蚀，设计衬砌拱墙采用耐腐蚀混凝土。

白沙沱四号隧道全长2118 m，低中山剥蚀、侵蚀地貌，自然坡度大于40。。上覆第四系全新统坡残积(Q4dl+el)砂粘土、碎石土，下伏基岩为灰岩、硅质灰岩夹煤层及页岩、砂岩页岩。隧道穿越金子山向斜和桐麻湾背斜，洞身位于岩溶水垂直循环带。隧道雨季涌水量2052 m3/d，旱季涌水量612 m3/d。隧道四次穿越煤层，煤系地层共1040 m占隧全长的49%，其中煤层地段两段长435 m，具高瓦斯煤，具突出威胁。考虑防瓦斯逸出及个别地段裂隙水具溶出性侵蚀，设计根据不同地质条件衬砌拱墙采用了气密性混凝土和耐腐蚀混凝土。

两座隧道衬砌工程数量见表2。

表2    隧道衬砌圬工设计数量表

按照ISO9001：2000标准以及集团公司有关要求，我们对高性能混凝土所使用的外掺料进行招标，对初审合格的NF型防腐剂、气密剂和Q/TKCU01—2002型高性能混凝土专用辅料(简称“辅料”),进行了技术经济对比。

3.1 物理及化学性能试验对比

3.1.1 耐腐蚀混凝土

混凝土遭受侵蚀破坏主要是通过外界介质的渗透产生的。目前，国内设计大都以抗渗等级作为考察混凝土耐久性的重要指标。为了更进一步了解外加剂的防腐蚀性能，保证混凝土的耐久性，将两种外掺料进行抗渗等级和渗透性试验。按SD105—82标准试验方法，将恒定水压提高到1.2Mpa，恒压24小时(T)后，做劈裂试验，并测量六个试件的渗透高度，取其平均值，计算公式：

式中：K—渗透系数；

D—平均渗透高度（cm）；

H—恒定水压(取1.2Mpa)，折算成厘米水柱为12×10×100=12000cm；

T—恒压时间，为24h，800s；

m—试件混凝土吸水率，近似取0.03%。

计算得：K=0.145×10-12×D2

抗渗等级和渗透性试验结果列表3。

表3    抗渗性能对比试验

表4    水泥胶砂28d、90d、360d耐腐蚀试验结果

3.1.2 气密性混凝土

根据设计要求，将辅料加硅灰和NF型气密剂进行抗渗等级和透气性试验，试验结果列表5。

表5    抗渗性能、透气性能对比试验

3.2 理论分析

3.2.1 防腐分析

Q/TKCU01—2002型辅料，以Ⅱ级粉煤灰与硅灰为基料，复合外加剂为原料，经科学遴选配方均化而成。

① 粉煤灰效应从化学角度能稳定Ca(OH)2，从物理角度可细化毛细孔，减少含硫酸盐介质的渗透。所以它能有效地对硫酸盐侵蚀起免疫效应，提高抗化学侵蚀能力；

② 粉煤灰依靠活性效应拦截能与活性骨料反应的碱性物质，从而缓解抑制碱-骨料反应；

③ 硅灰的比表面积为20000m2／kg，是普通硅酸盐水泥的50倍以上，因此它能很好地填充在水泥颗粒空隙之中，使混凝土更致密；

④ 硅灰与游离Ca(OH)2结合，形成稳定的硅酸钙水化物具有较高的强度；

⑤ 复合外加剂能降低水灰比，改善混凝土工作性，减少混凝土泌水后形成的毛细通道及孔洞。

因此，辅料在混凝土中的种种效应，能增加混凝土致密度和强度，阻止外界化学介质对混凝土的渗透性侵蚀。

3.2.2 气密性分析

气密性混凝土就是在一定的压力和条件下气体透过混凝土的透气系数不大于10－11cm/s的混凝土。普通混凝土硬化后形成多孔隙结构(毛细孔、凝胶孔等)，且存在大量的界面裂缝和砂浆裂缝，这些孔隙和裂缝相互贯通，是透气的主要途径。

在混凝土中将辅料与硅灰双掺，作为气密性混凝土外掺料时，具备以下特性： 

① 硅灰是高活性混合材料，它与水泥水化反应产物Ca(OH)2的二次反应可降低Ca(OH)2在浆集界面的定向排列程度，缩小了比较宽大的多孔区，促进水泥的C3S和C2S的水化反应，使毛细孔得到充分填充；

② 硅灰与Ca(OH)2二次反应产物C—S—H凝胶直接不断地填入毛细孔，使混凝土中各种尺寸的孔缝被隔断，使气体渗透受阻；

③ 部分未参与水化的硅灰作为微细组分能很好地填充水泥颗粒空隙之中，使混凝土更致密，从而极大提高混凝土的气密性；

④ 粉煤灰具有相当的活性，与硅灰双掺时表面更具活性化。粉煤灰对提高混凝土拌合物的保水性及减小混凝土硬化收缩方面起了硅灰的补充作用，抑制了某些孔缝的产生，也能有效地提高混凝土的气密性；

⑤ 复合外加剂能降低水灰比，改善混凝土工作性，减少混凝土泌水后形成的毛细通道及孔洞。

可见，硅灰与辅料双掺在混凝土中的叠加效应，能增加混凝土致密度和强度，从而可阻止瓦斯泄漏，达到阻气的目的。

从上述可以看出，辅料比NF型耐腐蚀剂和气密剂具更好的质量效果，而且NF型防腐剂的单价是辅料单价近乎6倍，因此，认为Q/TKCU01-2002型辅料作为白沙沱三号、四号瓦斯隧道抗渗防腐混凝土的外掺料是科学、经济的。

4、施工应用

4.1 原材料(见表6)

4.2 混凝土配合比设计

根据JGJ55—2000普通混凝土配合比设计规程及GBJ146—90粉煤灰混凝土应用规程，掺辅料耐腐蚀混凝土配合比设计计算步骤如下：

⑴ 配制强度：

ƒcu,O≥ƒcu,k+1.5σ

式中      ƒcu,o—混凝土施工配制强度(Mpa)；

      ƒcu,k—混凝土立方体试件抗压强度标准值(Mpa)；

       σ—混凝土强度标准差（MPa）。

表6    原材料技术参数

式中      aa、ab—粗骨料回归系数，碎石时αa＝0.46，αb＝0.07；

             ƒce—水泥28天强度实测值（MPa）；

⑶ 根据骨料最大粒径及坍落度(泵送混凝土取13～15cm)选用用水量(WO)；

⑷ 确定基准配合比水泥用量(CO)及砂率(QS)；

⑸ 辅料掺量采用超量取代法，辅料及水泥用量按下式计算：

              F = CO·ƒ (%)

              Ft = K·F

              Fe = (K—1)·F

              C = CO—F

式中   F—辅料用量， ƒ (%)—辅料取代水泥率，Ft—辅料总掺量，Fe—辅料超量部分重量，K—超量系数。

⑹ 辅料混凝土用水量(W)计算：

              W=WO/CO·(C+F)

⑺ 计算砂(SO)、石(G)料用量：

              SO = VA×QS·γS

                           G = VA·(1—QS)·γg

式中   γS、γg—表观密度；

VA—砂和石料的总体积：VA=1000（1－α）VP；

α—混凝土含气量（%）

VP—水泥和辅料浆体体积   VP = C/γC+F/γf+W

γC—水泥表观密度

γf—辅料表观密度

⑻ 辅料超量部分的体积在砂中扣除同体积的砂重：S = SO- Fe/γf·γS。

⑼ 确定掺辅料混凝土各材料C、Ft、S、G、W的用量。

⑽ 气密性混凝土硅灰取代５％水泥量。

⑾ 理论配合比选定如表7。

表7    理论配合比选定结果

4.3.1 投料及搅拌

① 计量

现场采用HP800C自动计量配料机，称量偏差为：水泥、掺和料和水±2%，粗、细骨料±3%。

② 投料及搅拌

高性能混凝土的投料顺序和搅拌时间，既和传统的投料搅拌方法有别，又不同于国内外目前正广泛应用的分次投料工艺，其搅拌时间比普通混凝土的搅拌时间多0.5～1min。应用这种投料搅拌工艺能有效地预防粉煤灰遇水粘结成团，确保搅拌均匀。

首先投入水泥＋辅料＋砂，干拌1～1.5min至颜色均匀，然后加(石＋水)湿拌1.5～2min，至均匀一致后即成混凝土拌和物。

4.3.2 运输及浇捣

① 运输

采用电瓶车牵引JCGY6型混凝土输送车2台运输，确保在运输过程中混凝土不离析。

② 浇捣

采用HBT60B混凝土输送泵，浇注入混凝土衬砌台车。首先浇注3～5cm厚同强度等级砂浆，再浇注混凝土，层厚不大于50cm，并振捣密实。台车两侧对称浇注，以避免受压不均而导致台车变形。

采用插入式振动器振捣，由于该混凝土稠度高、粘性强、流动性稍差，振动棒拔出后容易留有孔隙，因此应采用斜向振捣，不宜垂直振捣。

4.3.3 脱模及养生

① 脱模

浇注完成后，混凝土已开始水化发热，混凝土终凝后2～3h，可拆掉堵头模板。终凝后24h，即可实施拆模。

② 养生

拆模后即时进行喷雾养生。因洞内气温及湿度比较恒定，现场每天喷雾2次，养生时间不少于7天。

5、经济及社会效益

5.1 经济效益

白沙沱三号、四号隧道衬砌完工后，根据施工配合比及工程数量，我们进行了计算和对比（见表８），仅采用辅料代替NF型气密剂和NF型耐腐蚀剂，就节约材料费近230万元。而且合理的配合比设计，保证了混凝土的可泵性，提高了衬砌进度、降低了劳动强度，降低施工直接成本。

表8    掺和料经济比较

该两座隧道衬砌完工后，共抽检耐腐蚀混凝土抗压试件396组，抗渗试件组，其抗压强度的平均值24.8 MPa，抗渗等级均在P10以上，最高达P14，抗压、抗渗达到设计要求；共抽检气密性混凝土抗压试件342组，抗渗试件73组，其抗压强度的平均值25.1Mpa，抗渗等级均在P12以上，最高达P16，透气系数全部小于1×10－12cm/s，达到设计要求；经使用AJW－1型甲烷测定仪测定，隧道顶部瓦斯含量为0.0%。

该两座隧道衬砌经渝怀总指组织的雷达无损检测仪检测，混凝土内部密实，空洞缺陷长度不足6m。并因不渗不漏、内实外光而被渝怀总指在2003年11月评为优质样板工程。

6、结论

通过我们在白沙沱三号、四号隧道，从原材料选定到配合比设计，以及施工过程的控制及效果检验，认为，采用Q/TKCU01—2002型高性能混凝土专用辅料代替NF型防腐剂和气密剂经济、科学，而且易于操作和质量控制。但通过别的隧道分析来看，辅料在膨胀岩以及地应力较大的地质条件下不宜采用，而且，使用辅料的混凝土应严格掌握拆模时间，以避免衬砌出现裂纹。

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