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1、1隧道抗渗防腐混凝土研究与应用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在实际施工中，常会碰到抗渗防腐混凝土施工，目前该方面的资料多偏重理论，比较适用于试验及研究。但
2、对于直接从事施工的技术人员来讲，如何结合现场原材料供应以及设备等条件，合理设计满足结构强度以及耐久性要求，并节约成本的抗渗防腐混凝土配合比，才是最主要的目的。本文根据渝怀线 11 标段两座瓦斯隧道施工实际，简述该工程抗渗防腐混凝土的生产过程。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类型硫酸盐侵蚀碳酸水侵蚀氯盐侵蚀碱骨料反应反应机理 SO42-nH2O+Ca(HO)2CaSO42
3、H2O+xOH-+y H2O3CaSO42H2O+3CaOAl2O36H2O+19H2O3CaOAl2O33CaSO431H2O雨季产生上述反应，生成的水化硫铝酸三钙含有大量结晶水，体积膨胀到反应前 2.5 倍以上，从而形成化学破坏；旱季硫酸盐水分蒸发，在内部形成芒硝(Na2SO410H2O)结晶沉淀的膨胀，导致物理性破坏。空气中含有游离 CO2形成的重碳酸盐与水泥中的 Ca(HO)2在 CO2有充足补给的情况下生成的Ca(HCO3)2极易溶于水，并随水流失，并使混凝土碱度降低。该现象称为“碳化” 。Ca(HO)2+MgCl2CaCl2+Mg(HO)2CaCl2极易溶于水，并随水流失；Mg(H
4、O)2比 Ca(HO)2胶结力更差；氯离子坏钝化膜使钢筋表面锐化；降低了混凝土碱度。xSiO2+Na2O+nH2ONa2OxSiO2nH2O有碱与硅酸的反应(AAR)、碱碳酸盐骨料反应(ACR)、碱-硅酸盐骨料反应(ASR)等三种。反应生成类似水玻璃状的产物，体积膨胀。破坏特征混凝土表面产生不规则裂纹，由表及里；芒硝结晶沉淀的膨胀，混凝土表面会呈现一层“白霜” 。混凝土水泥石结构酥松而溃散；钢筋锈蚀。混凝土结构酥松溃散；钢筋锈蚀；使混凝土产生顺筋裂纹。混凝土在少钢筋的部位产生网状裂缝；多钢筋的部位出现顺筋开裂。2质化验分析结果，PH 值为 4.7，SO2-4为 850mg/L)和溶出性弱侵蚀，
5、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
6、衬砌圬工设计数量表3、外掺料选定按照 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/TKCU012002 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 SD10582 标准试验方法，将恒定水压提高到 1.2Mpa，恒压 24 小时(
7、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 1210100=12000cm；T恒压时间，为 24h，86400s；m试件混凝土吸水率，近似取 0.03%。C20 气 密 性 混 凝 土C20 耐 腐 蚀 混 凝 土C15 普通混凝土工程数量 m3NF 型气密剂 kgm3NF 型耐腐蚀剂 kgm3白沙沱三号隧道11162217659586白沙沱四号隧道1620263187891281779961032合 计16202631878202903956551618备 注渗透系数 K11
8、0-11 cm/s抗渗等级不低于 P8铺底及填充scmTHDmK/223计算得：K=0.14510-12D2抗渗等级和渗透性试验结果列表 3。表 3 抗渗性能对比试验根据 GB749-65、GB2420-81 标准，制成 101060(mm)水泥胶砂试件，在 50的水中养护 7 天后，分别在 20的清水与饱和 Na2SO3溶液中养护 28 天，分别测试其抗折与抗压强度比（F6）来确定抗硫酸钠化学腐蚀的能力。标准规定用于抗硫酸盐侵蚀 F60.80，为抗腐蚀性能好，否则为抗腐蚀性能差。耐腐蚀性能试验结果列表 4。表 4 水泥胶砂 28d、90d、360d 耐腐蚀试验结果从表 3、4 可以看出，辅料
9、的抗渗性能和耐腐蚀性能均好于 NF 型防腐剂。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、透气性能对比试验从上表可以看出掺加辅料的混凝土抗渗性能和透气性能均优于掺加 NF 型气密剂的混凝土。3.2 理论分析3.2.1 防腐分析Q/TKCU012002 型辅料，以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。 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； 粉煤灰依靠活性效应拦截能与活性骨料
10、反应的碱性物质，从而缓解抑制碱-骨料反应； 硅灰的比表面积为 20000m2kg，是普通硅酸盐水泥的 50 倍以上，因此它能很好编号外掺料名称强度等级渗透高度 D(cm)渗透性 K(cm/s)抗渗等级1NF 型防腐剂C2012.52.261011P92Q/TKCU01-2002 型辅料C203.51.781012P13抗折(淡水)抗折(饱和 Na2SO3溶液)耐腐蚀系数胶砂比 水灰比外掺料名称掺量%养护条件 28d 90d 360d28d90d360d28d90d90d360d1： 2.50.457.9 9.8 12.57.28.79.80.91 0.89 0.781： 2.50.41NF 耐
11、腐蚀剂58.4 11.5 13.57.810.511.90.93 0.91 0.881： 2.50.36Q/TKCU01-2002 型辅料26标养 1d、50水温养护 7d8.6 11.9 14.08.412.214.50.98 1.03 1.04注： 水泥为重庆江津产地维牌 P.O32.5 水泥； 材料选定时，仅以 28d 和 90d 为判定依据。编号外掺料名称强度等级透气系数 K1011cm/s 抗渗等级1NF 型气密剂C200.561011P142Q/TKCU012002 型辅料硅灰C200.941013P29注：水泥为重庆江津产地维牌 P.O32.5 水泥。4地填充在水泥颗粒空隙之中，
12、使混凝土更致密； 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； 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1011cm/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： 硅灰是高活性混合材料，
13、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； 硅灰与 Ca(OH)2二次反应产物 CSH 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； 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； 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； 复合外
14、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 JGJ552000 普通混凝土配合比设计规程及 GBJ14690 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
15、如下： 配制强度：5cu,Ocu,k+1.645式中 cu,o混凝土施工配制强度(Mpa)；cu,k混凝土立方体试件抗压强度标准值(Mpa)；混凝土强度标准差（MPa） 。表 6 原材料技术参数 混凝土水灰比计算：式中 aa、ab粗骨料回归系数，碎石时 a0.46，b0.07；ce水泥 28 天强度实测值（MPa） ； 根据骨料最大粒径及坍落度(泵送混凝土取 1315cm)选用用水量(WO)； 确定基准配合比水泥用量(CO)及砂率(QS)； 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 (%)Ft = KFFe = (K1)FC = COF式中 F辅料用量， (%)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。 辅料混凝土用水量(W)计算：W=WO/CO(C+F) 计算砂(SO)、石(G)料用量：SO = VAQSSG = VA(1QS)g式中 S、g表观密度；细度模数堆积密度表观密度含泥量压碎指标石粉含量有机质含量机制砂 3.21560 kg/m32700 kg/m30.3195.0用比色法浅于标准色含泥量堆积密度表观密度压碎值针片状含量坚固性指标粗骨料 0.71450 kg/m32710 kg/m38.09.04.5531.5mm 连续级配混凝土抗压强度比减水率表观密度需水量比SO3含量细度(45m筛子，筛
