基于機制砂混凝土收縮試驗的隧道襯砌環(huán)向開裂原因探討

傅蕾，張學民，王立川,4，侯國強，衛(wèi)敏，高祥，牛公卻尚

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.中鐵十七局集團 第一工程有限公司，山東 青島 266018；3.中國鐵路成都局集團有限公司 工程質(zhì)量監(jiān)督站，四川 成都 610081；4.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222；5.長沙房產(chǎn)(集團)有限公司，湖南 長沙 410011)

廣泛應用于基礎設施建設中的混凝土(以下簡稱:砼)是一種抗拉強度偏低的準脆性材料，當原材料、配合比、施工工藝及養(yǎng)護條件控制不當時，易出現(xiàn)開裂(裂損，裂縫)現(xiàn)象[1]，鐵路隧道襯砌開裂將直接影響其耐久性并可能影響其使用功能。不少學者針對隧道砼襯砌開裂機理及防治技術開展了大量研究。隧道砼襯砌開裂據(jù)動因可分為荷載裂縫與非荷載裂縫[2]，其中荷載裂縫表現(xiàn)為由外力作用導致襯砌出現(xiàn)的各種形態(tài)的裂縫，而非荷載裂縫大多以環(huán)向裂縫為主，由襯砌砼自身變形產(chǎn)生拉應力，當其大于砼抗拉強度時發(fā)生開裂，是隧道砼襯砌常見裂縫形式之一。XU等[3]通過現(xiàn)場調(diào)查和相似模型試驗等方式分析隧道襯砌開裂特征。謝立廣等[4]分析了隧道襯砌環(huán)向裂縫成因并提出了預防建議。王家赫等[5]分析了696座鐵路隧道襯砌砼溫度裂縫產(chǎn)生原因并提出防治措施。長期持續(xù)的大規(guī)模基礎設施建設致使我國大陸河砂資源日益緊缺，國家倡導的綠色發(fā)展理念的推廣踐行，共同催生了近年來機制砂在隧道工程中大量應用，同時機制砂砼襯砌的抗裂性能也引起了業(yè)界關注。因缺少科學合理的標準規(guī)范指導與管控，機制砂性能指標離散性大等問題較普遍存在?！豆窓C制砂高性能砼技術規(guī)程》(T/CECS GK50?30?2018)涵蓋了從設計到施工中機制砂原材料控制、砼力學性能、收縮徐變性能等性能要求及配合比設計[6]；國鐵集團立項編制的《鐵路機制砂場建設技術規(guī)程》(Q/CR 9570—2020)也已頒布，但側(cè)重于統(tǒng)一機制砂場建設與規(guī)范機制砂生產(chǎn)[7]，作者開展本研究時，該規(guī)程尚未頒布。相關行業(yè)雖已逐步將機制砂列入相應技術標準，但側(cè)重于機制砂生產(chǎn)、質(zhì)量控制檢驗等方面[8]，鮮見針對鐵路工程中機制砂砼物理力學性能及耐久性等控制指標給出明確規(guī)定。機制砂具有表面粗糙、棱角分明、石粉含量大、“兩頭大中間小”的級配特點，對砼性能有不容忽視的影響[9?11]。SHANMUGAVADIVU等[12]以機制砂作為細骨料對砼抗拉強度、彈性模量和砂漿收縮性能進行了研究。范德科等[13]對比分析了石粉含量對機制砂砼工作性能、抗壓強度、氯離子滲透性及收縮性能等影響；ZHOU等[14]通過室內(nèi)試驗比較了天然砂、機制砂和石粉三者對高強砼和易性、抗壓強度、彈性模量、收縮徐變性能方面的差異，研究石粉含量與摻入粉煤灰對高強砼收縮性能的影響；李子成等[15]對比研究了不同石粉含量對機制砂砼收縮及強度的影響。高強機制砂砼性能研究方面，孫江濤等[16]采用尾礦與機制砂復配制備高強砼，并對其力學性能和耐久性進行探討；李銀斌等[17]通過大板開裂試驗對比研究了河砂砼與中高強度機制砂砼力學性能與靜彈性模量；李波等[18]以偏高嶺土、硅灰和粉煤灰為調(diào)節(jié)劑配制出C80高強機制砂砼，并研究其摻量對機制砂砼工作性能及力學性能的影響。隧道襯砌砼開裂由多種要素及其組合所致，特別是中高強度襯砌砼開裂尤為嚴重，側(cè)面反映高強度高性能砼在耐久性方面的潛在風險。綜上所述，現(xiàn)有研究主要集中于隧道襯砌開裂原因分析和機制砂砼室內(nèi)試驗研究，多數(shù)針對工程裂縫調(diào)研情況進行原因分析時缺乏試驗數(shù)據(jù)支撐的深入探討，部分試驗研究主要局限于機制砂高強砼力學性能方面，尚無基于機制砂砼收縮性能對隧道襯砌開裂的針對性研究。為此，本文針對新建敘(永)至畢(節(jié))鐵路隧道襯砌砼收縮開裂問題，介紹隧道襯砌裂縫情況，通過室內(nèi)與現(xiàn)場比對試驗開展機制砂對薄壁長條、單面養(yǎng)護的隧道襯砌砼收縮性能方面的試驗研究，綜合分析鐵路隧道襯砌砼收縮開裂發(fā)生機理，以期對機制砂規(guī)范使用、機制砂砼質(zhì)量控制和隧道襯砌環(huán)向開裂預防提供借鑒。

1 隧道襯砌開裂概述

新建敘畢鐵路系設計時速120 km的I級單線鐵路，某站前工程施工標正線全長約36.4 km，共設隧道8座29.7 km，隧道襯砌以C40砼為主。

通過標段內(nèi)襯砌砼已開裂5座隧道的排查，共發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫334條，其中環(huán)、縱向裂縫分別為251和83條，占比分別為75%和25%，以環(huán)向開裂為主，且對稱分布較多，部分裂縫現(xiàn)場取芯(如圖1所示)驗證了多數(shù)襯砌結(jié)構(gòu)截面已貫通。裂縫主要發(fā)生在襯砌一次施工長度(循環(huán))約12 m的砼襯砌縱向中間位置的左、右邊墻處，沿邊墻近豎向下寬上窄態(tài)分布多在2～4 m內(nèi)逐漸尖滅，縫寬0.1～1.0 mm，裂縫處均尚無滲水現(xiàn)象。

圖1 現(xiàn)場襯砌跨縫取芯Fig.1 Field joint coring in tunnel lining

通過分析襯砌裂縫形態(tài)及特征，初步判斷機制砂砼收縮過大是導致襯砌環(huán)向開裂的主因。為進一步探討機制砂砼收縮對襯砌環(huán)向開裂的影響，厘清襯砌砼強度等級、機制砂與河砂細骨料、養(yǎng)護條件等因素與襯砌砼收縮的關系，依托上述隧道工程所用原材料及砼配合比進行模筑砼力學性能與收縮試驗研究。

2 機制砂砼試驗

2.1 原材料

為確保試驗的可靠性與針對性，原材料均取自工程現(xiàn)場。

1)采用42.5R普通硅酸鹽水泥，標準稠度用水量26.8%，比表面積327 m2/kg，初凝時間201 min，終凝時間295 min。

2)采用粒徑5～31.5 mm碎石，表觀密度2 670 kg/m3，堆積密度1 650 kg/m3，緊密空隙率38%，級配合格。

3)據(jù)工程現(xiàn)場存在同時使用機制砂和河砂的情況，分別選擇代表性機制砂、河砂進行試驗比對設計。其中，機制砂采用級配合格、細度模數(shù)3.4的粗砂，河砂采用級配合格、細度模數(shù)2.8的中砂，兩者篩分曲線見圖2。

圖2 細骨料篩分曲線Fig.2 Sieving curves of fine aggregate

4)采用細度17.5%，燒失量4.89%，需水量比103%，游離氧化鈣含量0.46%的粉煤灰。

5)采用減水率為26%的聚羧酸鹽高效減水劑。

6)砼配合比。通過收集整理工程現(xiàn)場試驗資料，并對試驗原材料基本參數(shù)取樣篩分調(diào)研，確定不同強度等級砼配合比如表1。該表基本涵蓋鐵路隧道應用較廣泛的5種不同強度等級砼。

表1 各強度等級砼配合比Table 1 Concrete mix proportion of each strength grade

2.2 養(yǎng)護條件簡述

砼標準養(yǎng)護條件此不贅述。隧道地處滇東北亞熱帶季風氣候區(qū)內(nèi)，年最低氣溫不低于3.5℃；洞內(nèi)(現(xiàn)場)養(yǎng)護條件，是較差的施工通風條件下的洞內(nèi)濕度和溫度，未對洞內(nèi)環(huán)境濕度和溫度進行測定乃本研究缺憾之一。

2.3 力學性能試驗

2.3.1 試驗方法

通過試驗研究分析標準養(yǎng)護和隧道內(nèi)現(xiàn)場養(yǎng)護2種環(huán)境下，機制砂和合格河砂作為細骨料制備的不同強度等級模筑砼抗壓、抗拉、抗折強度指標的差異。

利用表1確定的C20～C40砼配合比，按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行試驗，其中砼抗壓、抗拉試驗采用150 mm×150 mm×150 mm立方體試件，抗折試驗采用100 mm×100 mm×400 mm長方體試件。

2.3.2 試驗結(jié)果

圖3～5分別為2種養(yǎng)護條件、不同強度等級的機制砂砼和河砂砼抗壓強度、(劈裂)抗拉強度、抗折強度試驗結(jié)果。

1)立方體抗壓強度

由圖3可知，在2種養(yǎng)護條件、配合比參數(shù)一致情況下，采用機制砂、河砂制備的砼抗壓強度均滿足設計要求，且與強度等級具有較好的線性相關性。同等養(yǎng)護條件下，相同強度等級機制砂砼抗壓強度比河砂砼高約2%～4%；同等養(yǎng)護條件下，砼強度等級由C20提高至C40，機制砂與河砂砼的抗壓強度值均提高74%～80%，且隨強度等級的提高增幅降低。標準養(yǎng)護比隧道內(nèi)自然養(yǎng)護條件下，各強度等級砼抗壓強度均提高約15%。

2)抗拉強度

不同工況下機制砂和河砂砼劈裂抗拉強度試驗結(jié)果，相同強度等級機制砂砼抗拉強度比河砂砼平均高約2%。標準養(yǎng)護比隧道內(nèi)養(yǎng)護條件下，各強度等級砼抗拉強度值均明顯提高約30%；同等養(yǎng)護條件下，C40機制砂與河砂砼的抗拉強度值均較C20提高約20%。對比圖3和圖4知，抗拉強度隨強度等級的提升率，明顯小于對應強度等級的抗壓強度提升率。

圖3 2種養(yǎng)護條件下砼抗壓強度Fig.3 Compressive strength of concrete under two curing conditions

圖4 2種養(yǎng)護條件下砼抗拉強度Fig.4 Tensile strength of concrete under two curing conditions

3)抗折強度

由圖5可見，在同等養(yǎng)護條件下，相同強度等級機制砂砼抗折強度均比河砂砼高約4%～10%。標準養(yǎng)護比隧道內(nèi)養(yǎng)護條件下，各等級砼抗折強度明顯提高約20%。在同等養(yǎng)護條件下，C40機制砂與河砂砼的抗折強度值均較C20提高約30%，相對抗壓強度的增長率而言，抗折強度隨強度等級提高的增幅較小。

圖5 2種養(yǎng)護條件下砼抗折強度Fig.5 Flexural strength of concrete under two curing conditions

2.3.3 結(jié)果簡析

結(jié)合既有研究成果，分析相同強度等級配合比的機制砂砼的力學指標均接近并略優(yōu)于河砂砼的主要原因為：機制砂顆粒表面粗糙，其摩擦力高于河砂，減少砼流動的同時卻提高了漿體與骨料之間的黏結(jié)力，與水泥漿有較高握裹力；機制砂中的石粉有效填充骨料間空隙，降低孔隙率，密實砼結(jié)構(gòu)；此外石粉中的活性SiO2和Al2O3參與水化反應，增強了砼界面黏結(jié)作用，使得其力學性能提升。

2.4 收縮性試驗

2.4.1 試驗方法

基于隧道襯砌砼在成型后體積收縮變形造成環(huán)向開裂的情況，據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082—2009)開展收縮試驗，對比研究了不同養(yǎng)護條件下機制砂、河砂作為細骨料的不同強度等級模筑砼抗收縮性能。試件采用100 mm×100 mm×515 mm長方體試件(見圖6)，養(yǎng)護條件同樣考慮標準養(yǎng)護和隧道內(nèi)自然養(yǎng)護，且試驗覆蓋了自砼試件成型至達到28 d強度全程收縮率。

圖6 砼收縮測試Fig.6 Shrinkage test of concrete

需說明的是，試驗按上述規(guī)范要求只測量最長邊方向的漸行收縮率，未進行3個方向上收縮率差異比對，系本試驗至憾。

2.4.2 試驗結(jié)果

圖7和圖8分別為不同養(yǎng)護條件、不同強度等級的砼自然收縮率隨齡期的變化曲線。圖9給出了自然養(yǎng)護和標準養(yǎng)護條件下砼的收縮率差值。

圖7 標準養(yǎng)護砼自然收縮率Fig.7 Natural shrinkage rate of standard curing concrete

圖8 隧道洞內(nèi)養(yǎng)護砼自然收縮率Fig.8 Natural shrinkage rate of concrete cured in tunnel

1)細骨料與砼收縮性關系

由圖7知，在標準養(yǎng)護條件下，相同強度等級機制砂砼自然收縮率比河砂砼高約24%；由圖8知，在洞內(nèi)養(yǎng)護條件下，相同強度等級機制砂砼自然收縮率比河砂砼高約35%，可見機制砂砼的收縮變形性能明顯高于河砂砼。

2)強度等級與砼收縮性關系

相同條件下，砼收縮率均隨著強度等級的增加而增大，由圖8可見隧道內(nèi)養(yǎng)護條件下C20，C25，C30，C35，C40機制砂砼28 d自然收縮率分 別 為481×10?6，513×10?6，547×10?6，582×10?6，620×10?6。

3)養(yǎng)護與對砼收縮性關系

由圖9知，機制砂砼試件在自然養(yǎng)護與標準養(yǎng)護條件下的收縮率差值為20×10?6～171×10?6，河砂砼試件在自然養(yǎng)護與標準養(yǎng)護條件下的收縮率差值為10×10?6～144×10?6。

圖9 自然養(yǎng)護與標準養(yǎng)護砼收縮率差值Fig.9 Shrinkage difference between natural curing and standard curing of concrete

2.4.3 結(jié)果簡析

1)由圖2細骨料篩分曲線知，機制砂中的部分石粉粒徑接近水泥粒徑，在早期水泥水化反應中發(fā)揮了晶核作用，可加速反應，且自身也參與水泥水化，增大了早期水化熱，加大砼自由收縮；石粉還提高了砼的保水性，降低可遷移水的數(shù)量，易造成毛細管負壓，使?jié){體收縮。

2)高強度等級砼的水泥用量相對較大，增大了早期水化熱，加劇了砼的自由收縮；隨著砼強度等級提高，其水膠比變低，砼內(nèi)部自由水減少，也直接影響收縮速率。

3)合格拌制砼的拌和物顆粒間充滿水，砼澆筑后如養(yǎng)護不足，表面失水的速率超過內(nèi)部水分向表面遷移的速率，則會造成毛細管中產(chǎn)生負壓，使?jié){體產(chǎn)生收縮。因此，加強養(yǎng)護對抑制砼收縮變形有著至關重要的作用。

3 襯砌砼環(huán)向開裂原因初步探討

隧道襯砌開裂的原因系多要素及其組合所致，應據(jù)其所處部位、形態(tài)、密集度、單一與組合、結(jié)構(gòu)性、貫通性及其程度、穩(wěn)定性等關鍵要素綜合分析，甚至需要驗證才能找準原因和(或)動因，寔乃復雜的系統(tǒng)性工作，此非本文研究內(nèi)容。

雖然隧道襯砌環(huán)向開裂對襯砌承載能力的影響可忽略，但在(高壓)富水地層中，襯砌砼環(huán)向開裂引起的滲漏水對供電、軌道、運行列車十分有害，甚至可能引起供電中斷停車事故，消除襯砌砼環(huán)向開裂十分必要。環(huán)向開裂成因相對簡單，主因包括但不限于襯砌砼內(nèi)溫度梯度及應力、砼收縮、施工和養(yǎng)護、基礎差異沉降、施工與沉降和結(jié)構(gòu)縫設置不當、地質(zhì)界面差異性形變壓力、偶然性荷載等因素。經(jīng)對敘畢鐵路5座隧道地質(zhì)條件的綜合分析，可排除地質(zhì)界面差異性形變壓力的存在；經(jīng)部分抽樣鉆孔研判，可排除基礎差異沉降對環(huán)向裂縫發(fā)生的貢獻；經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研和排查，進一步排除了施工、基礎(差異)沉降、結(jié)構(gòu)縫設置不當和偶然性荷載等的影響。機制砂襯砌砼環(huán)向開裂的主要原因簡析如下。

1)溫度梯度及其應力影響

隧道襯砌施工和膠凝環(huán)境溫差過大導致砼內(nèi)部和表面間形成溫度梯度而產(chǎn)生應力，這已是業(yè)內(nèi)的共識。特別是機制砂中的石粉含量過高，加速了水化反應使早期水化熱較大，從而增加了襯砌溫度裂縫的發(fā)生概率。

2)砼收縮影響

圖9試驗結(jié)果表明，自然養(yǎng)護條件下砼收縮率均比標準養(yǎng)護條件時大，且差別隨齡期增加而增大，養(yǎng)護條件對砼收縮變形有著至關重要的作用。

結(jié)合圖2細骨料篩分曲線及表1所示高強度等級砼配合比可知，襯砌砼水灰比較小、自由水較少，細骨料含量高的機制砂加劇砼收縮變形導致水化反應劇烈，引起砼收縮變形加劇，在防水層外初支與模板約束下產(chǎn)生較高或高應力，易造成襯砌砼收縮開裂。

3)施工和養(yǎng)護影響

結(jié)合襯砌施工工藝可知，拱墻整體式臺車系當代交通隧道襯砌施工的主流施工模式，邊墻澆筑速度明顯高于拱部。墻部砼為速度較快的整體順序澆筑，邊墻砼的溫度梯度及其應力、砼收縮影響明顯；拱部砼為速度較慢甚至偶有中斷的薄狀分層澆筑，先澆砼早期收縮和水化熱劇烈反應已部分完成，砼收縮和溫度梯度及其應力影響降低，且存在形成間歇縫風險較高。由此導致襯砌環(huán)向裂縫呈現(xiàn)邊墻多拱頂少、拱部間歇縫較普遍存在的現(xiàn)象。

隧道襯砌砼水化反應釋放大量熱量后，砼內(nèi)水分蒸發(fā)過快，砼內(nèi)部與表面間形成溫度梯度，產(chǎn)生應力；僅對拆模襯砌實施極短期內(nèi)的無規(guī)律噴(灑)水養(yǎng)護，乃實際施工中的普遍現(xiàn)象，襯砌拆模后基本處于近不養(yǎng)護狀態(tài)，這進一步加劇了其溫度梯度及其應力的影響，致使襯砌開裂。

不同養(yǎng)護條件下試驗結(jié)果表明，標準養(yǎng)護條件下的砼力學性能相比隧道內(nèi)自然養(yǎng)護條件提高了約15%～30%。主要原因是標準養(yǎng)護條件下砼可降低甚至避免表面水分蒸發(fā)和損失，砼水化作用充分。但據(jù)圖7和圖8可知，砼收縮速率普遍隨齡期增長而降低，且砼早期收縮速率最大。加強砼的早期養(yǎng)護從而降低砼離析及表面過快失水，是有效提高其力學性能同時降低砼(特別是機制砂砼)早期收縮開裂幾率的有效且實用措施。

4 結(jié)論與建議

(1)結(jié)論

1)相同強度等級配合比參數(shù)條件下，機制砂砼的力學性能指標不同程度地高于河砂砼，抗壓、抗拉、抗折增幅依次為3%(2%～4%)，2%(?1%～6%)，7%(4%～10%)，且隨著砼強度等級的提高，抗拉、抗折指標增幅顯著下降。

2)相同強度等級的機制砂砼抗收縮變形性能低于河砂砼，自然收縮率增幅提高約24%～35%；相同條件下砼收縮率均隨強度等級的提高而增大，且砼收縮速率隨齡期增長而逐漸減小。

3)標準養(yǎng)護比隧道內(nèi)自然養(yǎng)護條件下，機制砂(河砂)砼的抗壓、抗拉、抗折指標分別提高約17%(16%)，28%(29%)，20%(25%)，收 縮 率 則 降低約41%(52%)。

4)高性能機制砂砼收縮率偏大是鐵路隧道襯砌環(huán)向開裂主要原因之一，不養(yǎng)護或養(yǎng)護措施不到位加劇了襯砌砼開裂的程度。

(2)建議

1)著力研究機制砂砼、尤其是高性能機制砂砼的抗收縮開裂的設計和施工措施，是推廣應用機制砂必須解決的技術問題。

2)必要適宜的襯砌砼養(yǎng)護可減少砼內(nèi)水分蒸發(fā)、降低水化熱產(chǎn)生的溫差，對砼力學指標的提高和降減收縮十分有利，將隧道襯砌砼的養(yǎng)護作為獨立工序十分必要。