張付軍，曾魯平

（1.甘肅長達路業(yè)有限責任公司，甘肅 蘭州730000；2.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京211103）

0 引言

近年來，隧道工程作為地下工程的構筑物形式之一，隨著西北基礎建設的推進以及西南部高鐵工程建設開展得到了廣泛應用，尤其是在西南山脈縱橫的復雜地形中，隧道工程具有有效保護生態(tài)環(huán)境，縮短運行總里程，節(jié)省交通運輸時間等優(yōu)點。而噴射混凝土作為隧道初期襯砌結構的重要組成材料，直接與復雜圍巖緊密接觸，為后續(xù)防水板作業(yè)及二襯施工提供第一層保障，與錨桿、鋼架結構共同組成特殊結構約束圍巖變形[1-2]。受制于西北地區(qū)特殊的隧道侵蝕服役環(huán)境影響，噴射混凝土容易發(fā)生硫酸鹽侵蝕、碳化損傷及凍融破壞[3-5]。

為探究西北冬季特殊干燥寒冷環(huán)境下噴射混凝土的服役性能影響規(guī)律，本文選取武都至九寨溝高速公路的控制性工程之一——高樓山隧道洞口作為研究對象。高樓山隧道主線長12.34 km，最大埋深1680 m。沿線地形、地質條件復雜，崩塌、滑坡及泥石流等不良地質發(fā)育，隧道全段服役環(huán)境較為復雜，其中尤以隧道洞口段冬季低溫可達－7.4℃，屬于典型干燥低溫服役環(huán)境[6]。為提高隧道結構在冬季環(huán)境的設計服役壽命，武九高速公路全線隧道噴射混凝土均采用無堿速凝劑材料和大型機械臂濕噴設備作業(yè)。目前少有研究涉及濕噴法噴射混凝土在西北地區(qū)冬季特殊干燥寒冷環(huán)境下的服役力學強度及耐久性能影響研究。因此，本文對比室內(nèi)標準養(yǎng)護條件，采用噴射大板法成型工藝及服役實體的噴射混凝土耐久性檢測等方法，探究了高樓山隧道洞口低溫干燥養(yǎng)護環(huán)境下噴射混凝土力學性能及耐久性能劣化發(fā)展規(guī)律，為西北地區(qū)冬季環(huán)境噴射混凝土服役耐久性能提升提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：成縣祁連山P·O42.5水泥，密度3.05 g/cm3，比表面積358 m2/kg；粗集料：甘肅大家礦業(yè)5～10 mm粒徑花崗巖碎石，表觀密度2750 kg/m3，針片狀顆粒含量5.3%；細集料：武都區(qū)外納甘溝子砂廠的河砂，細度模數(shù)2.75，表觀密度2588 kg/m3，含泥量1.5%；無堿速凝劑：SBT－N（Ⅱ）液體速凝劑（無堿型），主要性能指標符合GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》要求；減水劑：聚羧酸類液體減水劑，減水率23%，固含量24.85%。

1.2 試驗配合比

試驗采用C25噴射混凝土配合比設計，對比室內(nèi)模筑成型方式，設置噴射大板成型方式及隧道同環(huán)境養(yǎng)護2種因素（見表1），所用施工標段為高樓山隧道試驗二標段（武都縣方向），隧道口養(yǎng)護環(huán)境平均相對濕度37%，平均溫度4℃，最低溫度－5℃，而標準養(yǎng)護環(huán)境相對濕度大于95%，溫度（20±1）℃，試驗編號分別記為C0、S0及S1。

表1 高樓山隧道C25噴射混凝土配合比及成型、養(yǎng)護方式

1.3 試驗方法

室內(nèi)標準養(yǎng)護試件采用模筑成型，取工程拌合站拌和好的混凝土物料置于立方體模具中，并進行充分振搗；噴射混凝土試件采用噴射大板法濕法噴射成型，噴射時將試模立于墻角并與地面形成65°～70°夾角，考慮噴射沖擊及回彈損失，噴射距離控制在（1.5±0.2）m，噴射風壓控制在（0.8±0.2）MPa。試件經(jīng)表面抹平處理后按表1養(yǎng)護方式養(yǎng)護24 h后，切割出相應尺寸規(guī)格的混凝土試件進行耐久性試驗，強度試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體試件，混凝土試件的強度試驗按照GB/T 50081—2019《混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

混凝土試件的耐久性試驗按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行，其中凍融試驗采用快凍法并記錄試件的動彈性模量變化情況，對比隧道口低溫干燥養(yǎng)護條件，同時進行噴射混凝土實體襯砌結構碳化深度測試，具體做法為：在隧道側墻部位對成型24 h后的混凝土表面打磨拋光處理后進行噴水養(yǎng)護，達到測試齡期時對處理表面進行鉆孔（見圖1），然后噴涂1%質量濃度的酚酞酒精溶液，采用海創(chuàng)HC－TH01型數(shù)顯碳化深度測量儀記錄鉆孔處的碳化深度，測試結果取15～20個鉆孔點的碳化深度算術平均值。為減少混凝土早期硬化強度偏低對干燥收縮初始長度值的影響，混凝土干燥收縮試驗在養(yǎng)護7 d后進行。

圖1 高樓山特長隧道的噴射混凝土實體結構碳化深度測試

微觀測試樣品：取碳化試驗28 d后混凝土試件的表層5 mm以下小塊樣品，將處理后的試件表面進行打磨并在（45±1）℃真空干燥箱中干燥7 d，置于掃描電子顯微鏡下觀察分析，以評價隧道特殊低溫干燥環(huán)境下噴射混凝土的碳化劣化行為。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土力學性能

與傳統(tǒng)干法相比，濕法噴射混凝土在控制混凝土水灰比及保障噴射質量上優(yōu)勢明顯，近年來在重大地下工程及高速鐵路工程得到廣泛推廣。在核心促凝材料選擇上，綠色無堿型液體速凝劑也成為濕法噴射混凝土首選，旨在降低有堿速凝組分帶來的堿骨料反應及后期強度損失[7]。對比標準養(yǎng)護環(huán)境，探究了濕法噴射成型方式及隧道口低溫干燥環(huán)境對噴射混凝土力學強度（1、7、14、28、90 d）的影響規(guī)律，結果見圖2。

圖2 冬季低溫干燥養(yǎng)護條件下噴射混凝土的力學強度

由圖2可見，在相同標準養(yǎng)護環(huán)境下，采用濕法噴射工藝時噴射混凝土的后期力學強度有所下降，這與早期速凝結構及噴射工藝降低了混凝土后期結構致密性有關[4]，同配比模筑混凝土28 d抗壓強度高于40.0 MPa，而濕法噴射混凝土僅高于35.0 MPa。對比標準養(yǎng)護環(huán)境，在隧道低溫干燥養(yǎng)護方式對噴射混凝土的早、后期力學強度影響較為明顯，1 d抗壓強度同比下降約4.0 MPa，說明低溫環(huán)境削弱了噴射混凝土早期水化作用；且當噴射混凝土長期處于低溫環(huán)境時，28 d齡期后強度不再增長，即隧道低溫干燥養(yǎng)護會造成混凝土后期強度受低溫損傷作用而下降[8]。

2.2 混凝土耐久性能

混凝土力學強度測試結果表明，噴射混凝土后期服役性能受冬季低溫環(huán)境明顯影響，而高樓山隧道地處西北甘肅地區(qū)，氣候干燥且冬季低溫可達到0℃以下，存在凍融破壞、抗碳化侵蝕的耐久性能隱患，其次，低溫條件下混凝土的溫降收縮及干燥收縮更易受到影響。對比室內(nèi)標準養(yǎng)護環(huán)境下，探究了冬季低溫干燥環(huán)境對噴射混凝土抗凍性能、干燥收縮性能及碳化行為的影響。

2.2.1 抗凍融破壞性能（見圖3）

圖3 冬季低溫干燥養(yǎng)護環(huán)境下噴射混凝土相對動彈模量隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律

由圖3可知，養(yǎng)護環(huán)境方式對噴射混凝土抗凍性能影響較為明顯。在相同室內(nèi)標準養(yǎng)護方式下，噴射混凝土的抗凍性能要略低于同配比模筑混凝土，這可能與噴射混凝土致密性下降有關[9]。當噴射混凝土在隧道低溫干燥養(yǎng)護環(huán)境下養(yǎng)護至凍融試驗測試齡期時，由于混凝土自身已受到一定的凍害作用，造成噴射混凝土的抗凍性能進一步下降，凍融極限次數(shù)低于200次，且相對動彈模量更小于標準養(yǎng)護方式下的噴射混凝土體系，表明噴射混凝土在冬季施工時仍需要做一定的保溫措施，以降低環(huán)境凍害影響。

2.2.2 干燥收縮性能

噴射混凝土作為與隧道巖層直接接觸的第一層結構材料，當材料自身收縮變形較大時會造成結構整體變形而發(fā)生開裂，進一步促進巖層中侵蝕性介質如水、硫酸鹽及碳酸鹽進入噴射混凝土層及二襯模筑混凝土層，加劇隧道支護結構耐久性侵蝕風險。干燥收縮性能作為混凝土長期收縮性能的重要評價方式，故本節(jié)探究了不同養(yǎng)護方式，尤其是低溫干燥環(huán)境條件下噴射混凝土的干燥收縮性能，結果見圖4。

圖4 冬季低溫干燥養(yǎng)護環(huán)境下噴射混凝土的干燥收縮性能

與普通C30混凝土相比，C25噴射混凝土基于滿足噴射工作性及泵送性的考慮，在配合比設計上往往采用較高的水灰比及大砂率（≥50%），因此，同配合比下的模筑混凝土C0體系表現(xiàn)出較強的干燥收縮傾向（如圖4所示）。受噴射工藝影響，噴射混凝土的后期干燥收縮要高于同配比下的模筑混凝土，28 d干縮微應變接近500 με，這可能與噴射成型下的硬化孔結構特性有關[4]。對比標準養(yǎng)護條件，采用低溫干燥的隧道同環(huán)境養(yǎng)護造成的噴射混凝土整體干燥收縮微應變隨養(yǎng)護齡期發(fā)展迅速，測試齡期7 d后即達到400 με以上，這可能與干燥環(huán)境下混凝土受內(nèi)外水分梯度影響有關，造成混凝土逐步向外界環(huán)境失水導致自身干燥收縮傾向變大。

2.2.3 碳化損傷作用

碳化作用是指混凝土中的堿性水化產(chǎn)物，如氫氧化鈣或鈣礬石等在受到外界侵蝕酸性介質二氧化碳的作用下，發(fā)生體積膨脹性的化學反應，造成水化產(chǎn)物轉變或破壞的同時降低混凝土中堿含量，導致鋼筋保護層能力下降而鋼筋發(fā)生脫鈍等危害。本節(jié)對比同隧道環(huán)境下的實體噴射混凝土，探究了養(yǎng)護方式對噴射混凝土碳化損傷的規(guī)律，同時設置了同配比的模筑混凝土作為空白對比，結果見圖5。

圖5 對比實體噴射混凝土碳化深度隨碳化齡期的變化規(guī)律

由圖5可見，對于噴射混凝土S0體系，較高的膠凝材料用量為硬化混凝土結構中提供更多的氫氧化鈣反應物，但噴射工藝及速凝硬化過程造成了噴射混凝土內(nèi)部存在較多孔隙[4]，綜合影響下整體碳化深度較同配比模筑混凝土C0體系有所提高，噴射混凝土體系噴射后實體結構的碳化深度隨齡期的變化規(guī)律表明，受干燥環(huán)境及隧道內(nèi)二氧化碳濃度影響，實體噴層結構的碳化作用在28 d強度形成過程中已逐漸發(fā)生，形成一定的碳化深度基礎，進而造成同隧道養(yǎng)護條件下的S1體系碳化深度更高于標準養(yǎng)護條件下的S0體系。根據(jù)現(xiàn)有文獻[10]對混凝土碳化模型的歸納總結，對噴射混凝土試件及實體噴層結構的碳化規(guī)律進行分析擬合，結果見表2。

表2 噴射混凝土及實體噴層結構的碳化深度Xc與碳化齡期t的擬合曲線

碳化速率系數(shù)在一定條件可反映混凝土構件在外界二氧化碳侵蝕介質作用下的抗碳化性能。表2表明，在低溫干燥養(yǎng)護條件下，噴射混凝土的抗碳化性能進一步降低，明顯低于標準養(yǎng)護下的S0體系。擬合相關系數(shù)均接近1，表明噴射混凝土的碳化深度發(fā)展規(guī)律同樣遵循拋物線擬合方程。但對于實體噴層結構，其碳化深度與強度養(yǎng)護齡期成正比關系，側面說明了混凝土在形成28 d強度過程中，噴射混凝土硬化早期容易受到服役環(huán)境、埋深及施工環(huán)境中的二氧化碳或碳酸鹽介質侵蝕，形成一定的早期碳化深度。

為進一步揭示不同養(yǎng)護方式下的噴射混凝土碳化損傷作用，采用SEM分析了快速碳化試驗28 d后噴射混凝土在碳化損傷作用下的微觀結構形貌以及內(nèi)部的碳化作用產(chǎn)物，結果見圖6及圖7。

圖6 快速碳化28 d作用下噴射混凝土的微觀結構形貌

圖7 噴射混凝土內(nèi)部碳化產(chǎn)物碳酸鈣的生長形貌

圖6表明，在碳化作用下混凝土的微觀損傷情況受養(yǎng)護環(huán)境及成型工藝影響較為明顯，對比模筑體系，噴射混凝土在噴射成型后試件內(nèi)部存在較多孔隙結構，為二氧化碳侵蝕提供了較多的侵蝕通道，造成碳化侵蝕加劇。對比標準養(yǎng)護條件，低溫干燥環(huán)境下的噴射混凝土內(nèi)部在碳化侵蝕下形成了較大的裂縫，并在裂縫處附近產(chǎn)生了較多的碳化反應物質（見圖7）。

結合能譜中鈣與碳元素的質量比情況，對圖6局部標注點進行進一步放大，觀察噴射混凝土內(nèi)部碳化產(chǎn)物碳酸鈣的形成形貌（見圖7）。對于模筑C0體系，水化產(chǎn)物結構表面形成了一層較為致密的碳酸鈣產(chǎn)物，呈現(xiàn)細針狀，而對于標準養(yǎng)護下的噴射混凝土S0體系，針柱狀的碳酸鈣產(chǎn)物沿著內(nèi)部孔隙通道進行生長，數(shù)量明顯多于模筑體系。而采用低溫干燥養(yǎng)護28 d后的噴射混凝土，進一步碳化作用后碳酸鈣產(chǎn)物尺寸更大，多在8～10 μm，且呈現(xiàn)片狀堆積現(xiàn)象。結合S1體系噴射混凝土的力學強度及抗凍性下降等宏觀性能結果，說明噴射混凝土在低溫干燥養(yǎng)護后耐久承載力有所下降，形成了一定的結構缺陷，而在進一步碳化作用后碳化產(chǎn)物碳酸鈣容易富集生長在結構缺陷或裂縫處，促使碳化損傷加劇。

3 結論

（1）與模筑混凝土相比，噴射混凝土的力學強度易受噴射工藝及養(yǎng)護條件影響。相比較標準養(yǎng)護環(huán)境下的噴射混凝土，西北地區(qū)隧道噴射混凝土受冬季低溫干燥養(yǎng)護環(huán)境影響，早期抗壓強度明顯下降，1 d強度下降約4.0 MPa且后期強度增長緩慢。

（2）低溫干燥養(yǎng)護環(huán)境會造成噴射混凝土的早期干燥收縮傾向增大，體系7 d干燥收縮微應變大于400 με，同時造成噴射混凝土長期抗凍性明顯下降，快凍法循環(huán)次數(shù)小于200次。

（3）西北地區(qū)噴射混凝土實體結構受服役環(huán)境、埋深及施工環(huán)境影響碳化作用開始較早，強度齡期達28 d時噴層結構的碳化深度在4.0 mm左右，低溫干燥養(yǎng)護條件加劇了噴射混凝土的碳化損傷程度，碳化產(chǎn)物碳酸鈣易富集在結構缺陷處，以片狀堆積形式生長。