瓦斯隧道高性能氣密性混凝土的配制及應(yīng)用

楊育紅

(中鐵二局集團(tuán)有限公司工程測(cè)試中心，四川 成都 610031)

1 概述

新建涪秀鐵路黃草二線隧道穿越武隆縣黃草鄉(xiāng)和彭水縣高谷鎮(zhèn)，位于既有渝懷線右側(cè)，兩線線間距5～122 m。隧道最大埋深約736 m，起訖里程YDK204+045—YDK211+176，個(gè)別區(qū)段瓦斯涌出量達(dá)1.416 m3/min，屬于高瓦斯隧道。

根據(jù)TB 10120—2002《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》[1]與TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[2]的要求，瓦斯隧道襯砌混凝土須摻入一定量的氣密劑，按氣密性混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)，而目前國家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都沒有相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)來判定氣密劑的質(zhì)量，這樣就難以保證氣密性混凝土的性能，易給工程埋下質(zhì)量隱患。同時(shí)，隧址區(qū)只有特細(xì)砂，且因環(huán)保要求不允許開采，符合要求的河砂只能從千里之外的洞庭湖采購，成本太高，給氣密性混凝土的配制帶來困難。

本文結(jié)合該工程，借鑒類似瓦斯隧道施工成功經(jīng)驗(yàn)，采用人工砂代替河砂，在混凝土中摻入礦物摻合料、氣密劑等技術(shù)對(duì)高性能氣密性混凝土的配制進(jìn)行研究，以提高氣密性混凝土的性能和瓦斯隧道襯砌混凝土的整體質(zhì)量，達(dá)到封閉瓦斯、防水的目的。

2 高性能氣密性混凝土試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 高性能氣密性混凝土技術(shù)要求

傳統(tǒng)的氣密性混凝土一般按抗?jié)B混凝土的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。其主要技術(shù)要求[3]：水灰比不大于0.55，抗壓強(qiáng)度等級(jí)不低于C20、抗?jié)B等級(jí)不低于S8，透氣系數(shù)<1×10-11cm/s。隨著聚羧酸減水劑及性能更好的氣密劑在工程中的應(yīng)用，氣密性混凝土的高性能得以實(shí)現(xiàn)。其主要技術(shù)要求[2,4]：坍落度160～200 mm，坍落度1 h經(jīng)時(shí)變化量不超過20 mm；入模含氣量不宜大于2%；混凝土具有良好的抗裂性能；混凝土電通量<1 200 C；混凝土抗?jié)B等級(jí)≥P10；透氣系數(shù)<1×10-11cm/s；混凝土具有良好的耐久性，有害物質(zhì)不超過規(guī)定值(混凝土最大堿含量≤3 kg/m3、Cl-含量≤0.1%、SO3含量≤4.0%)。

2.2 原材料的選擇

新建涪秀鐵路黃草二線隧道襯砌氣密性混凝土有C30,C35和C40 3個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，而早期的氣密性混凝土強(qiáng)度等級(jí)大多為C20與C25，為確保混凝土的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足要求，應(yīng)優(yōu)選混凝土原材料，并嚴(yán)格控制其質(zhì)量。

水泥選用重慶國茂水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1。粉煤灰選用重慶國浩永固電廠建材公司出產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要技術(shù)性能指標(biāo)見表2。細(xì)骨料選用彭水高谷鎮(zhèn)白巖腳采石場(chǎng)的人工砂，嚴(yán)格控制其石粉含量不超過7%和細(xì)度模數(shù)不小于2.7,主要技術(shù)性能指標(biāo)見表3。細(xì)骨料篩分試驗(yàn)結(jié)果見表4。粗骨料選用彭水高谷鎮(zhèn)白巖腳采石場(chǎng)的碎石，采用5～10 mm、10～25 mm 兩粒級(jí)按2∶8比例摻配組成5～25 mm連續(xù)級(jí)配，主要技術(shù)性能指標(biāo)見表5。粗骨料篩分試驗(yàn)結(jié)果見表6。減水劑選用重慶三圣特種建材公司生產(chǎn)的PCA-R聚羧酸減水劑(緩凝型),主要技術(shù)性能指標(biāo)見表7。

氣密劑選用重慶三圣特種建材公司生產(chǎn)的混凝土防腐氣密劑。TB 10120—2002中4.2.6條第4款只明確“氣密劑為硅灰、粉煤灰及高效減水劑的復(fù)合劑”[1]。為保證這種復(fù)合材料及氣密性混凝土的質(zhì)量，參考摻合料與減水劑國家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定了勻質(zhì)性指標(biāo)、抗壓強(qiáng)度比、透氣系數(shù)等7個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目，并按相應(yīng)的檢測(cè)方法對(duì)所采用的防腐氣密劑進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表8。

表1 P.O 42.5水泥主要技術(shù)性能指標(biāo)

表2 粉煤灰主要技術(shù)性能指標(biāo)

表3 細(xì)骨料主要技術(shù)性能指標(biāo)

表4 細(xì)骨料篩分試驗(yàn)結(jié)果

表5 粗骨料主要技術(shù)性能指標(biāo)

表6 粗骨料篩分試驗(yàn)結(jié)果

表7 減水劑主要技術(shù)性能指標(biāo)

2.3 高性能氣密性混凝土的配制技術(shù)

2.3.1 氣密性混凝土的氣密機(jī)理

混凝土是一種復(fù)合材料,內(nèi)部有固相、液相與氣相，存在不同形態(tài)、尺寸的孔。這些孔按孔徑大小分為凝膠孔(40?～102?)、過渡孔(102?～103?)、毛細(xì)孔(103?～104?)和大孔(>104?)。按孔結(jié)構(gòu)特征又分為封閉孔與連通孔，這些孔多數(shù)是透氣通道。同時(shí)，混凝土中還存在大量的界面裂縫，這些裂縫連通成網(wǎng)，是更大的透氣途徑。在混凝土中摻入適量的高性能減水劑、礦物摻合料與氣密劑，利用高性能減水劑的高分散作用與潤滑作用，使膠凝材料水化更加充分，混凝土流動(dòng)性提高，從而可降低水膠比與用水量，使硬化混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻、致密。利用礦物摻合料、氣密劑的二次水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物填充在毛細(xì)孔、凝膠孔中，可增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性能，從而達(dá)到封閉氣體、抗水滲透的目的[9-10]。

表8 氣密劑主要技術(shù)性能指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 氣密性混凝土配制方案

氣密性混凝土的氣密機(jī)理表明，合理的配合比是確?；炷恋臍饷苄耘c高性能的關(guān)鍵，因此必須嚴(yán)格控制配合比設(shè)計(jì)時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)。實(shí)際研究過程中，項(xiàng)目組確定了下列配制方案：

1)在混凝土中摻入聚羧酸減水劑，通過減水劑的高減水率與高分散性的特點(diǎn)，降低混凝土的水膠比，使混凝土內(nèi)部更加致密。

2)在混凝土中摻入適量優(yōu)質(zhì)粉煤灰與氣密劑，不僅改善混凝土的和易性，提高混凝土的抗裂能力，而且利用其活性和微粒填隙作用，改善硬化混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，降低混凝土的孔隙率，減小水、氣體滲透的通道。

3)在董家山瓦斯隧道氣密性混凝土研究成果的基礎(chǔ)上，優(yōu)化混凝土配合比，實(shí)現(xiàn)高性能與氣密性。

2.3.3 配合比設(shè)計(jì)

水膠比是控制混凝土密實(shí)性的主要因素。原董家山瓦斯隧道氣密性混凝土的研究成果表明：當(dāng)水膠比由0.55降低至0.49時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度從33.1 MPa提高到37.4 MPa，混凝土的透氣系數(shù)從0.88×10-11cm/s 逐漸降低至0.60×10-11cm/s[11]。TB 10424—2010規(guī)定，混凝土的水膠比不宜超過0.45,否則混凝土的透氣系數(shù)難以滿足設(shè)計(jì)要求。

氣密劑摻量對(duì)混凝土的透氣系數(shù)影響較大。當(dāng)氣密劑摻量從4%增至8%時(shí)，混凝土的透氣系數(shù)從1.12×10-11cm/s逐漸降低至0.50×10-11cm/s[11]。其最佳摻量須通過多次試驗(yàn)確定。

砂率對(duì)混凝土拌合物及硬化混凝土的性能有很大影響。在一定范圍內(nèi)混凝土的透氣系數(shù)隨著砂率的增大而逐漸降低。配制氣密性混凝土砂率宜不小于36%，在滿足混凝土其他性能指標(biāo)的條件下盡可能選擇較大砂率，以提高混凝土的氣密性[12]。

基于以上分析，結(jié)合選用的原材料，經(jīng)設(shè)計(jì)得到3種配合比(以C30為例)，見表9。

表9 C30氣密性混凝土設(shè)計(jì)配合比

3 氣密性混凝土性能

按照表9中的配合比配制混凝土，然后測(cè)試各項(xiàng)性能。相應(yīng)的技術(shù)性能指標(biāo)見表10。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)比選，確定表9中2號(hào)配合比為最終的施工配合比。進(jìn)一步測(cè)試其他技術(shù)性能指標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足高性能氣密性混凝土的技術(shù)要求。C30氣密性混凝土耐久性能指標(biāo)見表11。

表10 C30氣密性混凝土拌合物性能及力學(xué)性能指標(biāo)

表11 C30氣密性混凝土耐久性能指標(biāo)

4 工程應(yīng)用

按選定的2號(hào)配合比在黃草二線隧道進(jìn)行氣密性混凝土施工，混凝土拌合物性能良好，對(duì)完成的17模襯砌混凝土進(jìn)行抽檢，其透氣系數(shù)、電通量等指標(biāo)均滿足高性能氣密性混凝土的技術(shù)要求。抽檢結(jié)果見表12。

混凝土施工完成后，項(xiàng)目組采用瓦檢儀進(jìn)行了檢測(cè)，未檢測(cè)到有瓦斯溢出，目測(cè)也未發(fā)現(xiàn)有滲水現(xiàn)象，表明氣密性混凝土內(nèi)部密實(shí)，施工質(zhì)量滿足要求，實(shí)現(xiàn)了封閉瓦斯的目的。

表12 黃草二線隧道C30高性能氣密性混凝土抽檢結(jié)果

5 結(jié)論與建議

1)針對(duì)新建涪秀鐵路黃草二線高瓦斯隧道襯砌混凝土，采用摻入適量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰、氣密劑與聚羧酸減水劑的方式，配制出高性能氣密性混凝土，滿足了高瓦斯隧道對(duì)氣密性的要求。

2)合理的配合比是確?；炷翚饷苄缘年P(guān)鍵，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土水膠比、砂率，同時(shí)應(yīng)摻入足量的摻合料與氣密劑。

3)施工過程中應(yīng)加強(qiáng)原材料檢測(cè)、混凝土振搗、養(yǎng)護(hù)等過程控制，采用人工砂時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制其石粉含量，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，混凝土澆注完成應(yīng)保溫保濕連續(xù)養(yǎng)護(hù)至少28 d，方可保證混凝土的透氣系數(shù)滿足設(shè)計(jì)配合比的要求。

4)建議國家與行業(yè)盡快制定氣密劑這種復(fù)合型材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而明確其檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能有效控制氣密劑的質(zhì)量，提高氣密性混凝土的性能，進(jìn)而提高實(shí)體質(zhì)量，將瓦斯等有害氣體徹底封閉，杜絕安全事故的發(fā)生。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB 10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2002.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB 10424—2010 鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

[3]中華人民共和國交通部.JTJ 042—94 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1994.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB 10005—2010 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

[5]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì).JC/T 1011—2006混凝土抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑[S].北京：中國建材工業(yè)出版社，2006.

[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 176—2008 混凝土外加劑 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 8077—2012 混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[8]中華人民共和國交通部.JT/T 537—2004 鋼筋混凝土阻銹劑[S].北京：人民交通出版社，2004.

[9]楊育紅,肖立波.氣密性混凝土在瓦斯隧道中的試驗(yàn)研究與應(yīng)用[J].四川建材，2010,36(2):14-16.

[10]王興平，華鎣山隧道瓦斯防治與氣密性混凝土的應(yīng)用[J].公路，1999(11)：38-46.

[11]肖立波.瓦斯隧道氣密性混凝土配合比設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑,2011，51(7):156-159.

[12]中國鐵路總公司.Q/CR 9207—2017 鐵路混凝土工程施工技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2017.