1、1隧道防蚀混凝土配合比设计探讨徐波 2中铁十一局武广客运专线 SDIV 标摘要：本文结合牛岭隧道工程对防腐蚀混凝土进行配合比设计和试验研究，详细阐述了防蚀混凝土配合比设计过程。关键词：隧道 混凝土耐久性 防蚀 电通量 配合比设计 Abstract： Combined with concrete Niuling tunnel projects, this paper presents the mix design and experimental study on anti-corrosion concrete, and the mix design procedures of it are a
2、lso stated. Keywords： tunnel, concrete durability, anti-corrosion, dielectric flux.1 前言随着我国交通建设的快速发展，隧道的建设也大量涌现。近年来隧道建设彰显突出的问题就是在复杂地质条件下隧道建设的安全和使用寿命问题。而混凝土的耐久性是影响隧道正常使用寿命的一个重要方面，混凝土的耐久性差主要表现为在侵蚀介质环境中混凝土受腐蚀而劣化，如地下水中 SO42-、Cl -、Mg 2+、H +等对混凝土的侵蚀。南方地区主要的腐蚀性离子是 SO42-，因此，南方地区隧道耐久性混凝土就是解决与具有硫酸盐等腐蚀性地下水接触的混
3、凝土的防腐蚀问题。在武广铁路 SDIV 标的牛岭隧道所在地区属低山深丘地貌，地形起伏较大，最大埋深约 510 米，隧道经过地段岩性主要为花岗岩、石英砂岩夹页岩局部夹硫铁矿，地下水和地表水对砼具中等溶出性侵蚀及中等硫酸型酸性侵蚀。设计文件提出，混凝土要求能抗腐蚀，其防蚀系数要求超过 0.8，抗渗等级大于P12。混凝土防腐蚀措施目前有两种方法，一是从结构上防腐，如设置防水层、止水带和钢筋防腐外涂等措施。二是从混凝土本身出发，设计出能直接抵挡腐蚀的防腐蚀混凝土。因此具有内防腐功能的混凝土的设计就显得特别重要，下面结合武广客运专线 SDIV 标隧道工程对防蚀混凝土配合比设计进行探讨。2、硫酸盐对混凝土
4、破坏机理2对于穿越特殊地质条件下的隧道用混凝土的防腐主要是防止地下水中含有SO42- 或 Cl-的盐或酸对混凝土的侵蚀，对于 Cl-会腐蚀混凝土中起支撑作用的钢筋，而硫酸盐通常会与混凝土中的水泥发生化学反应，使混凝土膨胀开裂甚至粉化而不能保持原有的性能，化学反应方程式为： OHNaCaSOHOSNa 2242242 8)(10 224343 )(14 OHCaCaSAlAlC 反应生成的钙矾石沉淀结晶出来，钙矾石晶体长大的结晶压导致混凝土膨胀开裂而使其结构破坏。当 SO42-浓度大于 1000PPm 时，还会有 Ca2SO4 2H2O结晶析出，Ca 2SO4 2H2O 使混凝土体积进一步增大，
5、使混凝土开裂破坏。如果溶液中还有 Mg2-的话，还会出现水化硅酸镁和石膏，水化硅酸镁没有胶凝作用，导致混凝土强度降低使其出现双重破坏。3 防蚀混凝土设计要求及设计思路3.1 设计要求隧道防蚀混凝土其实是高性能混凝土中的一种，它除了满足普通混凝土标准的要求，还必须满足 TB10210-2001、JGJ55-2000 、铁建设2005160 号、TZ214-2005、 TZ210-2005 等标准对隧道喷射、衬砌混凝土的规定。如防腐蚀和耐久性要求。铁建设2005160 号规定在化学侵蚀环境及氯离子侵蚀下的混凝土结构，混凝土的耐久性应满足表 1、表 2 的规定。表 1 化学侵蚀环境下混凝土的电通量（
6、库仑）表 2 Cl-环境下混凝土的电通量（库仑）设计使用年限级别 一(100 年) 二(60 年)、三（30 年)环境作用等级 L1 L2、L3 L1 L2、L3电通量（ 56d） ，C 1000 800 1500 10003.2 设计思路防蚀混凝土配合比设计主要特点是在满足强度、和易性的要求下，对其防蚀性能、耐久性能进行设计。而对于硫酸盐盐侵蚀来说，其主要是通过提高混设计使用年限级别 一(100 年) 二(60 年)、三（30 年)环境作用等级 H1、H2 H3、H4 H1、H2 H3、H4电通量（ 56d） ，C 1200 1000 1500 10003凝土的自身密实性和降低混凝土中的易腐
7、蚀的成分（氢氧化钙、铝酸三钙）等来达到防蚀效果和提高其耐久性的。4 防腐蚀混凝土配合比设计流程（1）主要参数指标：强度：对于用于隧道混凝土首先要考虑其抗压强度要满足设计要求。该工程要求的混凝土的抗压强度为 C25，C30 和 C35。工作性：隧道用混凝土一般采用泵送混凝土，而泵送混凝土的坍落度要求140220，并且坍落度经时损失不能太大,即要求能有 12 小时保塑功能。抗腐蚀性：设计规定防腐蚀系数 K0.8。耐久性：56d 电通量1000 库仑。含气量；在有冻融环境条件要求含气量在 4.0%左右，在冬温气候条件，含气量规定在 3.0%左右。抗开裂性：规范规定裂缝宽度0.02mm。在满足主要参数
8、指标的前提下，配合比尽可能经济。（2）主要试验项目：原材料检测、含气量及坍落度试验、1、28、56 天抗压强度试验、28 天抗渗试验，56 天电通量和防腐蚀系数试验。(3)设计流程防腐蚀混凝土配合比设计过程比普通混凝土更复杂，因为除了强度、工作性及经济性外还必须考虑混凝土的防腐蚀、耐久性和抗开裂性。图 1 是防腐蚀混凝土配合比设计流程图：4否是否是图 1 防腐蚀混凝土设计流程图 5 配合比设计5.1 原材料选用 经过反复试验，最后确定水泥选用广东粤秀 PO42.5；减水剂选用瑞士西卡的聚羧酸减水剂(掺量 1.1%),其减水率能达到 30%以上，在添加万分子之四葡萄糖酸钠后混凝土 2 小时坍落度
9、损失小于 2cm。防腐剂用的是重庆交通科研设计院研制的混凝土防腐蚀剂 LWS-F（掺量 6.0%-8.0%） 。5.2 设计与验证防腐性能实验参照国家标准 GB2420-81，防腐性能采用砂浆试件来测试，实验结果见表3。表 3 砂浆试件防腐性能结果C FA LWS-F C FA LWS-F C FA LWS-F C FA LWS-F配比/%100 0 0 80 20 0 70 30 0 70 30 8性能满足要求原材料检测 水及砂石检测外加剂检测水泥及掺合料检测根据工作性及强度要求计算配合比试 配强 度工作性电通量抗裂性确定配合比防蚀系数 K0.8防腐蚀实验556d 防蚀系数 K 1.08 1
10、.18 1.08 1.03注：C 为水泥；FA 为粉煤灰；LWS-F 为防腐剂从表 3 可以看出，不管是否掺加粉煤灰和防腐剂，其 56d 的防腐系数均大于 0.8，满足设计要求。但考虑到配合比中加了粉煤灰，可以改善混凝土拌合物的和易性，降低水泥水化过程中氢氧化钙的含量，降低混凝土内、外的温度差，提高混凝土的耐久性。因此，选用掺加粉煤灰而不掺加防腐剂作为防腐混凝土的胶凝材料。防腐混凝土配合比设计及验证首先按照普通混凝土配合比设计，在混凝土强度和工作性满足要求时进行下一步试验。为了比选及验证防腐混凝土配合比采用粉煤灰分别取代 20%和 30%水泥，防腐蚀剂分掺和不掺两种方案，水胶比设计由 0.34
11、0.42 变化（中间间隔为 0.02） 。实验结果见表 4：表 4 防腐混凝土实验结果表编号 水胶 比 C 用量(/m 3) F 用量(/m 3) LWS-F(/m 3) 28d 抗压强度(Mpa) 抗开裂性 56d 电通量(库仑)C-1 0.42 286 72 0 46.0 0.02mm 832.1C-2 0.42 286 72 28.6 49.0 0.02mm 755.3C-3 0.42 250 107 0 45.5 0.02mm 831.4C-4 0.42 250 107 28.6 48.5 0.02mm 754.2C-5 0.40 300 75 0 49.0 0.02mm 810.0C
12、-6 0.40 300 75 30 54.0 0.02mm 745.8C-7 0.40 262 112 0 50.0 0.02mm 812.3C-8 0.40 262 112 30 53.0 0.02mm 742.0C-9 0.38 316 79 0 54.0 0.02mm 799.5C-10 0.38 316 79 31.6 59.0 0.02mm 731.0C-11 0.38 276 118 0 53.8 0.02mm 798.0C-12 0.38 276 118 31.6 58.4 0.02mm 729.0C-13 0.36 333 83 0 57.2 0.02mm 678.0C-14
13、0.36 333 83 33.3 66.0 0.02mm 540.36C-15 0.36 292 125 0 58.1 0.02mm 677.0C-16 0.36 292 125 33.3 65.0 0.02mm 544.0C-17 0.34 353 88 0 63.2 0.02mm 630.5C-18 0.34 353 88 35.3 70.0 0.02mm 420.2C-19 0.34 309 133 0 64.0 0.02mm 631.0C-20 0.34 309 133 35.3 71.0 0.02mm 422.0注：防腐蚀剂 LWS-F 掺量为胶凝材料的 8%，混凝土工作性通过减水剂
14、及砂率进行调节，砂率范围：0.38-0.42 ；抗开裂 0.02mm 是指裂纹宽度。试验结果表明，30%粉煤灰取代比 20%取代的防腐蚀性高，电通量变化小，强度略有下降，大约低 25Mpa，成本降低，综合考虑选用 30%取代。掺加防腐蚀剂电通量有较大降低，胶凝材料的防蚀系数 K 值增加，强度增加35Mpa；说明掺加 8.0%的防腐蚀剂后混凝土的耐久性得到了提高，同时施工成本增加。在不掺防腐蚀剂情况下，胶凝材料的砂浆实验抗腐蚀系数 K 大于0.8，综合考虑材料成本及设计要求，配合比最后选取不用防腐蚀剂方案。对比各项性能指标，武广客运专线 SDIV 标隧道工程用混凝土配合比可采用表 5 所列配合比
15、。表 5 防腐蚀混凝土配合比强度等级 材料水泥粉煤灰 砂531.5mm 石料 水Sika 聚羧酸减水剂每 m3 用量（） 250 110 808 1071 150 4.14C25比例 0.7 0.3 2.24 2.98 0.42 0.0115每 m3 用量（） 276 119 746 1119 150 4.977C30比例 0.7 0.3 1.89 2.83 0.38 0.0126每 m3 用量（） 292 125 741 1111 150 5.18C35比例 0.7 0.3 1.78 2.66 0.36 0.01246 结论 本文详细阐述了防腐蚀混凝土配合比的设计过程，通过试验研究得到了牛岭隧道工程防腐蚀混凝土适宜的配合比。 防腐蚀混凝土应根据具体的施工环境进行设计，但是胶凝材料的防腐蚀试实验方法有局限性。本工程的混凝土配合比中未加防腐蚀剂，混凝土长期抗7腐蚀效果仍需在工程使用过程中验证。主要参考文献：1. 铁建设2005157 号 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定. 2. 武广铁路客运专线 SDIV 标设计文件.3. 杨德彬等.外加剂与矿物掺和料对混凝土硫酸盐浸蚀的有效性研究,混凝土,2003,(4):12-15.4. 贺梁.隧道地下水对衬砌混凝土的腐蚀及防治措施, 混凝土,2004,(6):79-80.
