郝迎軍

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018）

1 引言

目前，鐵路隧道襯砌混凝土存在混凝土開裂、強度離散性過大等現(xiàn)象，質(zhì)量問題比較突出。這一現(xiàn)狀的出現(xiàn)，跟目前混凝土養(yǎng)護工藝的不成熟、對養(yǎng)護工作的重視程度不足有著密切聯(lián)系?；炷琉B(yǎng)護不夠及時、養(yǎng)護不到位等因素不僅嚴重影響了水泥顆粒的水化進度，也影響了礦物摻合料火山灰效應的發(fā)揮，造成了混凝土單位體積膠凝材料用量雖然很高，但其強度和耐久性能卻并不理想。因此通過研究隧道襯砌混凝土養(yǎng)護的工藝原理，分析養(yǎng)護效果的影響因素，找到最佳的養(yǎng)護工藝方法等這一系列工作迫在眉睫。

2 工藝現(xiàn)狀

隧道襯砌混凝土的分類，養(yǎng)護從工藝上可分為三類，分別是灑水養(yǎng)護、噴霧養(yǎng)護和養(yǎng)護劑養(yǎng)護。灑水養(yǎng)護是指采用水管或噴頭將養(yǎng)護水直接噴灑到混凝土表面進行養(yǎng)護，可由人工或噴灑臺車進行作業(yè)。噴霧養(yǎng)護是指利用霧化設備，將養(yǎng)護水進行霧化，再對混凝土進行養(yǎng)護的方式。

程磊[1]依托在建鐵路隧道工程，利用室內(nèi)實驗結果，結合高巖溫隧道襯砌養(yǎng)護特點，對現(xiàn)場的混凝土施工進行了指導。李享濤等[2]針對新建京張鐵路長城車站的特點，提出了新型養(yǎng)護措施，即采用自粘式保濕養(yǎng)護膜與充氣式氣模相結合的方式。楊劍等[3]通過智能控制技術，分析了混凝土的水化熱等參數(shù)，并對環(huán)境的溫度和濕度進行監(jiān)測，自動控制養(yǎng)護過程的用水量和噴淋頻率，實現(xiàn)了養(yǎng)護施工的智能化目的。劉榮進等[4]在對養(yǎng)護發(fā)展現(xiàn)狀研究的基礎上，分析了內(nèi)養(yǎng)護的機理，并對常見的內(nèi)養(yǎng)護材料進行了分類，總結了目前存在的問題，最后展望了未來的發(fā)展方向。王慶石等[5]基于對不同環(huán)境溫度進行養(yǎng)護的含氣混凝土，研究了混凝土主要性能參數(shù)，如抗壓強度等與孔結構之間的關系。丁鐘等[6]介紹了一種新養(yǎng)護技術，比傳統(tǒng)的包覆灑水、養(yǎng)護劑養(yǎng)護等方法，在提高混凝土外觀質(zhì)量和表面密實度、增強混凝土抗壓強度、降低表面透水率和孔隙率等方面的優(yōu)點。同時，還有一些關于養(yǎng)護工藝和裝備等方面的研究[7-11]，以及養(yǎng)護對早期開裂可能造成的影響[12]。

國內(nèi)部分客專對隧道襯砌混凝土采用的霧炮養(yǎng)護屬于噴霧養(yǎng)護，它通過霧炮車噴射水霧對混凝土進行養(yǎng)護。霧炮車主要由車載裝置和噴霧系統(tǒng)構成，它靈活機動，水霧射程遠，能多角度、全方位的噴霧作業(yè)。養(yǎng)護劑養(yǎng)護是指通過將養(yǎng)護材料噴灑在混凝土的表面，養(yǎng)護材料接觸空氣一段時間后，形成一層隔離薄膜，使混凝土表面與空氣隔絕，減少水分從混凝土內(nèi)部通過表面遷移到空氣中，從而利用混凝土中的拌和水完成水泥顆粒的水化過程，達到養(yǎng)護目的的一種方式。幾種養(yǎng)護方式見圖1。

人工灑水養(yǎng)護對設備要求低，但灑水頻率和灑水量、持續(xù)時間存在主觀性。噴霧臺車由于是在隧道內(nèi)的非封閉空間進行，大量的養(yǎng)護水噴出時滯留、損失在了空氣中。雖然養(yǎng)護劑能在混凝土的表面形成一層較完整的具有隔離作用的薄膜，但是在噴涂效果上難以做到均勻的理想狀態(tài)；同時，隨著有機物的不斷揮發(fā)，由于不可避免的不均勻噴涂，就會在噴涂較薄的區(qū)域形成薄弱區(qū)域，這些薄弱區(qū)域的混凝土會發(fā)生內(nèi)外部水分遷移和蒸發(fā)損失。

圖1 養(yǎng)護方式

3 工藝原理

3.1 混凝土養(yǎng)護

水泥混凝土是指將水、骨料和水泥拌和后，經(jīng)過水化反應后而硬化形成的人造石。水泥是一種水硬性膠結材料，在水的參與下生成新的膠凝化合物，然后慢慢硬化成水泥石，這一過程稱為水化作用。但是，混凝土澆筑完成后，由于混凝土與空氣存在的濕度差，混凝土內(nèi)部的水分要通過表面，向外界環(huán)境蒸發(fā)遷移，從而影響混凝土自身水化所需要的水分。為了混凝土水化反應得以正常進行，混凝土澆筑完畢以后，需要在一個相當長的時間內(nèi)，維持一個有利于水泥水化反應的溫濕度環(huán)境?；炷恋酿B(yǎng)護就是為創(chuàng)造一個有利于水泥水化反應的而采取的養(yǎng)護措施。此外，較高質(zhì)量的混凝土還要求在硬化初期就有良好的養(yǎng)護條件。

3.2 養(yǎng)護效果的影響因素

3.2.1 養(yǎng)護溫度

養(yǎng)護溫度是影響混凝土性能最重要的因素之一。由于高溫可以加速水泥的水化反應劇烈程度，因此養(yǎng)護溫度越高，混凝土的強度增長越快。已有研究表明，存在某一溫度臨界值，當溫度低于該值時，水泥的水化反應基本停止，因此當環(huán)境溫度低于該值時，混凝土的強度就不再增加。當溫度低于0℃時，混凝土會因內(nèi)部的水分結冰而發(fā)生冰凍損傷。另外，也并不是養(yǎng)護溫度越高，越對混凝土的強度增長有益，這是因為早期過高的環(huán)境溫度會造成后期混凝土強度增長緩慢，甚至不增長。

3.2.2 養(yǎng)護濕度

水泥的水化程度對混凝土一系列力學性能和耐久性能有重要影響。毛細管中自由水的存在是水泥水化的重要前提條件。隨著水泥水化反應的不斷進行，水化產(chǎn)物逐漸填充毛細空隙，在這一過程中，毛細空隙中的水壓力不斷增大，不斷增加的水壓力推動水分遷移到混凝土表面，當環(huán)境十分干燥時，出現(xiàn)了早期的水分大量蒸發(fā)。水分的快速蒸發(fā)會使毛細空隙內(nèi)反應物的溶解度降低到飽和水平以下，從而使水泥的正常水化反應受到阻礙。當混凝土表面水分的蒸發(fā)速率大于通過毛細孔水分遷移的速率時，混凝土就會出現(xiàn)塑性收縮和開裂，造成一系列混凝土質(zhì)量問題。

3.2.3 養(yǎng)護時間

水泥熟料由不同的礦物成分組成，不同的礦物成分的水化速率存在顯著差異。針對普通硅酸鹽水泥，按照水化速率的快慢，具有如下規(guī)律:

鋁酸三鈣＞鐵鋁酸四鈣＞硅酸三鈣＞硅酸二鈣若按照水化產(chǎn)物的強度比較，則具有以下規(guī)律:硅酸二鈣＞硅酸三鈣＞鐵鋁酸四鈣＞鋁酸三鈣由上可知，水泥的不同礦物成分及其所占比例對水泥的凝結時間、早期強度以及后期強度均有重要影響。由于水泥的水化反應會持續(xù)相當長一段時間，在水泥的硬化整個過程中，前期和后期的養(yǎng)護都非常重要、缺一不可。

此外，養(yǎng)護時間是影響混凝土性能的另一重要因素?；炷翉姸鹊脑黾邮窃跍囟炔粩嘧兓酿B(yǎng)護環(huán)境中實現(xiàn)的。一般條件下，混凝土的強度總體上隨著養(yǎng)護齡期的增加而增長。但在不同階段，增長速度有所不同，早期強度隨齡期增長較快?；炷? d強度可以達到28 d強度的50%左右，7 d強度可以達到28 d強度的67%左右，28 d之后的強度增長逐漸緩慢。

4 工藝試驗

4.1 不同養(yǎng)護工藝下的室內(nèi)試驗

(1）原材料及配合比(見表1）

①水泥:采用北京某公司P.O42.5水泥。

②粉煤灰:采用某電廠的Ⅱ級粉煤灰，F(xiàn)類。

③細骨料:采用靈壽浩越中砂。

④粗骨料:采用某碎石場生產(chǎn)的三級配碎石(5～10 mm和10～20 mm，16～31.5 mm）。

⑤減水劑:采用山西某混凝土外加劑公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑。

⑥水:采用榆社縣白北村地下水。

表1 C40二襯混凝土配合比 kg/m3

(2）試件的成型與養(yǎng)護

制作試件尺寸為15 cm×15 cm×15 cm，按照上述配合比配置混凝土。試件在混凝土振實臺上振動后抹平，放置在拌和間，通過空調(diào)將拌和間的溫度控制在(20±5）℃的范圍內(nèi)，放置24 h后拆模、編號。制作的配合比試件數(shù)量與養(yǎng)護方式如下:

①制作標準養(yǎng)護試件15組，用于測試3 d強度、7 d強度和28 d強度，各類強度均為5組?；炷猎嚰跇藴署B(yǎng)護間進行養(yǎng)護，溫度(20±2）℃，濕度≥95%。

②制作灑水養(yǎng)護試件15組，用于測試3 d強度、7 d強度和28 d強度，各類強度均為5組?；炷猎嚰胖迷跍囟葹?20±2）℃的房間內(nèi)，灑水養(yǎng)護。

③噴霧養(yǎng)護試件15組，用于測試3 d強度、7 d強度和28 d強度，各類強度均為5組。混凝土試件在水泥養(yǎng)護箱內(nèi)進行養(yǎng)護，溫度(20±2）℃，濕度≥90%。

④養(yǎng)護劑養(yǎng)護試件5組，試件標號為YHJ-1、YHJ-2、YHJ-3、YHJ-4、YHJ-5。 養(yǎng)護劑采用北京某公司生產(chǎn)的HY-10型混凝土養(yǎng)護劑。混凝土試件放置在空房間，空調(diào)控制溫度(20±2）℃。濕度為樣品間自然濕度。

⑤半自然養(yǎng)護時間15組，用于測試3 d強度、7 d強度和28 d強度，各類強度均為5組?；炷猎嚰胖迷诳辗块g，空調(diào)控制溫度(20±2）℃。濕度為樣品間自然濕度。

為了盡量降低環(huán)境溫度不同而引起的對混凝土養(yǎng)護效果的影響，試件所處的環(huán)境溫度均設置為(20±2）℃。

(3）各種養(yǎng)護工藝下混凝土強度統(tǒng)計與比較(見表2～表4）

表2 不同養(yǎng)護工藝下混凝土3d強度

表3 不同養(yǎng)護工藝下混凝土7d強度

綜合3、7、28 d 的強度結果看，標養(yǎng)、灑水、噴霧養(yǎng)護的強度接近，灑水和噴霧養(yǎng)護試件強度略低于標養(yǎng)試件強度，但沒有明顯的強度損失，說明灑水、噴霧養(yǎng)護也可以作為有效的養(yǎng)護手段。但養(yǎng)護劑養(yǎng)護試件相較標養(yǎng)試件強度會有損失，28 d損失達到5.6%。在相同的溫度條件下，試件如果沒有進行養(yǎng)護，強度相較標養(yǎng)試件會有較大損失，28 d損失達到13.6%。

從上述分析我們基本可以總結出:灑水與噴霧兩種養(yǎng)護方式對于混凝土屬于比較有效的養(yǎng)護方式，養(yǎng)護劑養(yǎng)護對混凝土強度會有一定的損失，混凝土拆模后如果不進行養(yǎng)護對其強度發(fā)展十分不利。

4.2 噴淋與噴霧養(yǎng)護比較研究

為驗證噴淋養(yǎng)護對混凝土強度的影響，對C35的二襯混凝土試件(室內(nèi)配合比，機制砂）進行了兩項試驗，第一項試驗是采用噴霧養(yǎng)護(養(yǎng)護溫度為(20±2）℃，相對濕度為95%以上），第二項試驗是采用噴淋養(yǎng)護(環(huán)境溫度控制在(20±2）℃），然后測試3、7、10、14、28 d 等不同齡期混凝土的回彈強度與抗壓強度，測試結果見表5、表6。

表5 回彈強度對比

表6 抗壓強度對比

試驗結果表明:

(1）噴霧養(yǎng)護混凝土試件各齡期的回彈強度均明顯高于噴淋養(yǎng)護試件強度。

(2）噴淋養(yǎng)護和噴霧養(yǎng)護混凝土試件的3、7、10、14、28 d的回彈強度均明顯低于其抗壓強度。

(3）從28 d2回彈強度來看，在長時間的潮濕環(huán)境下，混凝土表層會吸水軟化，降低了表層硬度，但干燥后表層硬度又會回升。

(4）將 3 d、7 d、10 d、14 d、28 d1 回彈強度與28 d2回彈強度比較會發(fā)現(xiàn)，導致強度降低的主要因素是由噴淋養(yǎng)護引起的表層混凝土軟化，其次是鈣離子的流失。但軟化造成的表層強度降低是可以逆轉(zhuǎn)的，鈣離子流失造成的表層強度降低不可逆轉(zhuǎn)。

4.3 養(yǎng)護應用實例

(1）隧道拱頂布管自動噴淋養(yǎng)護工藝，是在隧道襯砌臺車已成型襯砌端(后端）一定范圍內(nèi)的拱頂正中吊掛噴淋養(yǎng)護管，如圖2所示。噴淋養(yǎng)護管跟隨臺車移動工作，通過自動控制系統(tǒng)(由配電系統(tǒng)、雙延時時間繼電器、液位計、補水電磁閥、液壓泵站及油缸換向電磁閥等組成）控制水泵向噴淋養(yǎng)護管內(nèi)供水。利用隧道內(nèi)高壓供水來提供水源，可根據(jù)隧道內(nèi)溫度和濕度等信息自動感應識別環(huán)境，伴隨環(huán)境適宜性適時預警預報，可實現(xiàn)隧道襯砌混凝土全天候環(huán)境下全自動適時噴淋養(yǎng)護。

圖2 隧道自動噴淋養(yǎng)護布置

(2）隧道拱頂布管雙流體養(yǎng)護工藝，是為了提高養(yǎng)護空氣中濕度，充分利用霧化氣、水混合作用，達到養(yǎng)護效果。系統(tǒng)采用自動和手動控制兩種轉(zhuǎn)換模式，自動控制可實現(xiàn)頻率型間斷控制，手動模式下可實現(xiàn)分段分區(qū)獨立控制，如圖3所示。

圖3 隧道雙流體養(yǎng)護布置

(3）噴霧養(yǎng)護系統(tǒng)工藝，如圖4所示。該系統(tǒng)采用氣、水霧化混合原理，利用壓縮空氣把養(yǎng)護水打散，變成約5～10 μm的水霧顆粒，水霧顆粒小自身重量輕，易于大量聚集并漂浮在空氣中，形成白色霧形效果，并隨氣流彌散到隧道內(nèi)各個區(qū)域，該噴霧系統(tǒng)不會造成積水現(xiàn)象。由于其顆粒極小，能夠使隧道內(nèi)空氣環(huán)境的濕度在短時間內(nèi)快速增長?？啥ㄖ谱詣涌刂疲瑹o需人值守。

圖4 噴霧養(yǎng)護臺車示意

5 結論

(1）針對襯砌混凝土，由于拆模前被臺車封閉支撐，無法進行有效養(yǎng)護，因此在拆模后應立即進行養(yǎng)護。

(2）以強度作為養(yǎng)護效果的評價標準，從養(yǎng)護效果的優(yōu)劣上講，標準養(yǎng)護條件下的強度最高，半自然養(yǎng)護條件下最低。噴霧養(yǎng)護、噴淋養(yǎng)護和養(yǎng)護劑養(yǎng)護居中，并依次降低。

(3）因標準養(yǎng)護在隧道內(nèi)無法達到穩(wěn)定的理想條件，灑水養(yǎng)護因存在人工異等主觀不確定性，因此推薦噴霧養(yǎng)護(非霧炮車）和噴淋養(yǎng)護作為隧道襯砌養(yǎng)護的主要手段。

(4）噴淋養(yǎng)護會造成混凝土表面強度降低，因此，建議采用回彈法作為檢測混凝土強度的主要手段時應引起格外注意。

(5）隧道拱頂布管自動噴淋養(yǎng)護、隧道拱頂布管雙流體養(yǎng)護、噴霧養(yǎng)護系統(tǒng)等幾種新型養(yǎng)護工藝有其科學合理性，值得推廣應用。