魏豪杰 童建軍 朱龍 楊迪 葉雷 黃越 蔡延山

【摘 要】?隨著交通工程的快速發(fā)展，西藏、云南、新疆、四川等高地熱高熱水地區(qū)出現(xiàn)了越來越多的高地溫隧道。高地溫環(huán)境下噴射混凝土存在“先天性”劣化，其耐久性能不容忽視。本文通過實驗探究了噴射混凝土在不同養(yǎng)護溫度和不同碳化齡期下的抗碳化性能，并給出了高溫變溫養(yǎng)護條件下隧道噴射混凝土碳化深度的預測公式。實驗結(jié)果表明：高溫養(yǎng)護的噴射混凝土碳化深度比標準養(yǎng)護的噴射混凝土更深，且碳化速率隨養(yǎng)護溫度的升高而增大，因而其抗碳化性能明顯降低。碳化反應生成碳酸鈣使噴射混凝土密實度增加，其力學性能隨碳化齡期逐漸增強。

【關鍵詞】噴射混凝土; 碳化; 耐久性; 力學性能

1 噴射混凝土的碳化耐久性

噴射混凝土作為隧道工程施工中重要的一類混凝土，主要有支撐、填充和保護作用[1]。在混凝土施工中，混凝土自身耐久性高低將直接影響到工程整體建設質(zhì)量，而噴射混凝土所處工程環(huán)境多數(shù)較為惡劣，服役期間將不可避免的遭受各種環(huán)境因素的長期作用，其耐久性問題也非常突出。目前，越來越多高地溫隧道的出現(xiàn)，使得人們越發(fā)重視高溫變溫環(huán)境下對噴射混凝土的耐久性的影響。

在隧道開挖過程中，由于隧道內(nèi)環(huán)境較為封閉，其熱能無法迅速逸出，通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明，圍巖溫度會在5～7天內(nèi)急劇降低，在隨后的時間內(nèi)緩慢降低[2]。而在高溫變溫的養(yǎng)護環(huán)境下會導致噴射混凝土的力學性能下降以及使混凝土水化反應過早結(jié)束，微觀結(jié)構(gòu)孔隙和微裂縫多，形成連通的通道，而導致碳化深度大，碳化速率快[3-4]。碳化會降低混凝土堿度，破壞混凝土鈍化膜，引起鋼筋銹蝕，導致混凝土會開裂、剝落，嚴重影響耐久性[5]。同時碳化還會增加混凝土的密實性[6]。

目前國內(nèi)外專家學者針對噴射混凝土碳化耐久性問題開展了多方面研究。張曉麗通過對混凝土碳化的深入研究，探究出混凝土碳化的影響因素和控制措施[7]。馬宏望、俞燕飛、梁超鋒等對比分析了現(xiàn)有荷載和加速碳化耦合的試驗裝置和方法，綜述了在不同狀態(tài)應力作用下，混凝土內(nèi)部因素以及外部環(huán)境因素對混凝土碳化性能的影響[8]。李健通過養(yǎng)護28d和84d不同礦渣摻量粉煤灰基地聚物混凝土的快速碳化試驗，探究出混凝土碳化耐久性與養(yǎng)護齡期和礦渣摻量的關系[9]。

以上文獻針對混凝土碳化做了部分研究，但卻鮮有針對高地溫隧道噴射混凝土碳化耐久性能的研究，因此，為了能給高地溫環(huán)境下的支護結(jié)構(gòu)安全設計提供依據(jù)，有必要對高地溫環(huán)境下噴射混凝土碳化耐久性能進行更加深入的研究。本文采用快速碳化法[10]，以碳化深度，抗壓強度和劈裂抗拉強度作為指標，探究不同初始養(yǎng)護溫度下噴射混凝土的耐久性及力學性能的變化規(guī)律。

2 材料及試驗方法

2.1 原材料

普通硅酸鹽水泥（P.O42.5，密度3.15 g/cm3），二級粉煤灰，砂粒直徑在0.35～0.25 mm之間，細度模數(shù)為2.1，礫石直徑為2～10 mm之間。低堿液體速凝劑的初始凝固時間為2 min 30 s，最終凝固時間為8 min 10 s。噴射混凝土配合比見表1。

2.2 試件制作

本試驗噴射混凝土均來自成都地鐵十七號線二期土建8工區(qū)高洪村站施工現(xiàn)場，采用大板法噴射形成，大板規(guī)格為450 mm×350 mm×120 mm，首先將脫模劑均勻涂抹在大板模具中，開始在施工現(xiàn)場噴射混凝土（圖1），隨后將試塊運回實驗室進行高溫變溫養(yǎng)護工作。

待28天的高溫變溫養(yǎng)護完成后，將大板進行拆模，對每組大板試塊做好標記后進行混凝土切割工作。本實驗需采用300 mm×100 mm×100 mm的棱柱體試件和100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，一組包括3個樣品，其中棱柱體試件測試碳化深度，立方體試件測試力學性能。

2.3 試件養(yǎng)護

高溫變溫養(yǎng)護采用HX/HS-010L恒溫恒濕養(yǎng)護箱（圖2），將試件置入恒溫恒濕試驗箱，開展高溫變溫養(yǎng)護。設置初始養(yǎng)護溫度T0（40 ℃、60 ℃），養(yǎng)護濕度保持在55 %。在養(yǎng)護的0～5天內(nèi)，從初始養(yǎng)護溫度T0開始，每4 h等幅降溫，調(diào)幅為（T0-28）/（6×5） ℃。5天后溫度降至28 ℃，隨后保持28 ℃養(yǎng)護至28天。同時作為對照，一組試件在標準狀況下恒溫養(yǎng)護28天，溫度為20 ℃，濕度保持在95 %。

2.4 試驗方法

高溫變溫養(yǎng)護條件下隧道噴射混凝土抗碳化耐久性能試驗包括快速碳化試驗、抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗。

2.4.1 快速碳化試驗

為保證實驗進度和實驗結(jié)果的可實用性，采用加速碳化的試驗方法[11]。本試驗使用TH-80型碳化試驗箱，箱內(nèi)的二氧化碳濃度保持在（20±3） %，相對濕度控制在（70±5） %，溫度應控制在（20±2） ℃的范圍內(nèi)，并設置了三組碳化齡期分別為7天、14天、28天。

棱柱體試件除了300 mm×100 mm的一個面外，其他各面都用加熱的石蠟密封。立方體試件除了一個表面外其他各面也用同樣的方式密封。碳化時間到了7天、14天和28天時，分別取出試件，破型測定碳化深度。將棱柱體試件放置在壓力試驗機上采取劈裂法進行破型。隨后將切除所得的試件部分刷去斷面上殘存的粉末，噴上濃度為1 %的酚酞酒精溶液。約經(jīng)30 s后，開始測量碳化深度，如圖3所示。按原先標劃的每10 mm一個測量點用鋼板尺測出各點碳化深度，并求平均值。

2.4.2 力學試驗

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，取出經(jīng)過加速碳化試驗的立方體試件，利用CSS-WAW600DL電液伺服萬能試驗機進行不同碳化齡期的劈裂抗拉和抗壓試驗。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳化深度分析

相同配合比的噴射混凝土隨著初始養(yǎng)護溫度的不同和碳化時間的不同，其碳化深度也呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，混凝土碳化深度的變化規(guī)律曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出，同碳化齡期，噴射混凝土的碳化深度隨初始養(yǎng)護溫度的升高而增加;同初始養(yǎng)護溫度，噴射混凝土的碳化深度隨著碳化齡期的延長而增加;噴射混凝土在碳化試驗的0～7天和14～28天的碳化深度增長速率較快，在7～14天內(nèi)的增長速率較慢。碳化深度和養(yǎng)護條件存在必然的內(nèi)在關系。高溫養(yǎng)護使噴射混凝土水化反應過早結(jié)束，微孔隙和微裂縫較多，形成連通的通道，CO2可以迅速滲入噴射混凝土內(nèi)部與堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應，所以碳化深度大，碳化速率快。由于碳化會導致埋入混凝土的鋼筋表面的鈍化膜消失，引起鋼筋銹蝕，導致混凝土剝落，從而噴射混凝土的耐久性能降低。所以養(yǎng)護溫度越高的噴射混凝土耐久性能越差。

根據(jù)菲克第一定律，噴射混凝土的抗碳化性能由碳化系數(shù)K來表征，其計算公式如下：

3.2 力學強度分析

噴射混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度隨初始養(yǎng)護溫度和碳化時間的規(guī)律變化如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6中可以看出，噴射混凝土的抗壓、劈裂抗拉強度都隨著碳化時間的延長而增強;且噴射混凝土的抗拉、劈裂抗壓強度都隨著初始養(yǎng)護溫度的升高而降低;噴射混凝土的抗壓強度在碳化14～28天時增長幅度有所增加;噴射混凝土的劈裂抗拉強度在碳化14～28天時的增長幅度有所減弱。但是高溫養(yǎng)護的噴射混凝土強度都低于標準養(yǎng)護的噴射混凝土。其原因是碳化時間越長，碳化反應生成的CaCO3等碳化產(chǎn)物越多，碳酸鈣會填充噴射混凝土的孔隙，使其結(jié)構(gòu)更加致密，導致混凝土的硬度增加，從而使混凝土的力學性能有所增強。但碳化后期可能會產(chǎn)生收縮裂縫，而劈裂抗拉強度對此更加敏感，所以在14～28天出現(xiàn)了劈裂抗拉強度增長緩慢的現(xiàn)象。盡管碳化使得噴射混凝土的力學性能有所增強，但會對其耐久性能產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)論

（1）噴射混凝土的碳化深度與養(yǎng)護溫度有關，噴射混凝土的碳化深度隨初始養(yǎng)護溫度的升高而增加，其抗碳化性能隨之降低。

（2）碳化后由于新生成的碳化產(chǎn)物填充微裂縫和孔隙，噴射混凝土的力學性能隨碳化深度的增加而增強。

（3）高溫養(yǎng)護會導致噴射混凝土力學性能劣化，雖然在碳化過程中力學強度會提高，但始終低于標準養(yǎng)護的噴射混凝土。

參考文獻

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