CN103224365A - 低碳高性能隧道衬砌专用系列混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明提供了低碳高性能隧道衬砌专用系列混凝土，通过掺入不同种类矿物掺合料和不同掺量，以及采用低水胶比和高效减水剂所配制的混凝土性能达到初裂少、密实度高、工作性和耐久性好的特点。使用本发明产品时，根据环境综合等级确定衬砌混凝土的密实度，再由密实度指标选用胶凝材配方；根据围岩级别确定混凝土的强度等级，再由强度等级选用混凝土配合比。由于胶凝材中矿物掺合料的掺量较大，最多达到65%，极大地降低了水泥在胶凝材中的比例，同时也降低了熟料的使用量和产量，不但节约能源、减少碳排放，还减少环境污染利于环保，同时工业废渣得到有效利用。

Description

低碳高性能隧道衬砌专用系列混凝土

技术领域

本发明涉及建筑材料，具体说是一种专用于不同环境和不同围岩级别条件下的隧道衬砌结构混凝土材料。

背景技术

随着高速铁路、城市地下铁道以及高等级公路建设的快速发展，隧道修建数量随之剧增，并随着隧道结构投入使用，其耐久性问题逐渐凸显出来，严重影响结构使用寿命。因此，隧道结构耐久性设计与施工已引起有关专家和学者的重视，要想提高隧道结构的耐久性首先应从材料方面下功夫，经过大量的试验研究摸索出一套低碳、绿色的高性能混凝土广谱配方。随着高性能混凝土发展并逐渐在实际工程中得到应用，人们逐渐认识到到高性能混凝土不应局限于高强度，对于低强度混凝土也可实现高性能。随着混凝土配制技术的提高，混凝土的高性能化已不是高不可及的事，高强度混凝土借助超塑化剂和矿物掺合料可实现高性能，中等强度混凝土通过采取一定的技术措施使其满足特定工作性能，也可实现高性能，这就是中等强度混凝土的“高性能化”。

在我国以往修建山岭隧道时，衬砌混凝土以普通硅酸盐水泥为主，部分采用单掺粉煤灰，而在水泥中采用双掺或多掺矿物掺合料的隧道工程实例几乎没有，减水剂主要采用萘系减水剂，胶凝材用量和水胶比偏高，故配制的混凝土密实性差，水化热高、抗碳化、溶蚀和化学侵蚀能力差，耐久性不足，难以达到高性能。在混凝土中掺入大量的矿物掺合料后，大大降低了水泥的用量，同时也减少了熟料的用量和产量，不但节约能源、减少碳排放，还减少环境污染利于环保，同时工业废渣得到有效利用。

传统山岭隧道衬砌混凝土设计是采用等强度不等厚度设计，普通铁路隧道衬砌混凝土设计为强度等级C20的素混凝土；高速铁路隧道衬砌结构采用素混凝土时，混凝土强度等级设计为C30；而对于钢筋混凝土衬砌结构，混凝土强度等级设计为C35。隧道穿越不同级别围岩时，作用在结构上的荷载大小各不相同，围岩越差荷载越大，围岩越好荷载越小，传统设计对策是通过增加衬砌混凝土厚度提高结构承载力，导致隧道开挖方量、圬工量增加，提高工程造价，既不经济又不环保。

考虑隧道结构耐久性时，衬砌混凝土设计应采用等厚度不等强度设计，单线铁路隧道衬砌厚度设计值为25cm、双线铁路隧道衬砌厚度设计值为30cm，当隧道处于软弱围岩地段时，通过提高混凝土强度等级满足结构承载力要求，必要时可在混凝土中加入纤维，以提高混凝土的韧性。通过大量试验研究发现，在不提高成本的条件下完全可以配制出高性能混凝土，若按等厚度设计，可以节约工程造价，实现低碳环保，是一条利国利民的技术途径。若不减少原有隧道开挖轮廓尺寸的前提下，由于减薄了衬砌厚度，不仅可以最大限度利用结构承载力，还能为维修加固提供空间保障，同时为易维修创造条件。

发明内容

为了适应不同隧道环境类型和围岩级别、降低工程成本、延长隧道结构使用寿命，本发明的目的在于提供一系列不同配合比和胶凝材配方的高性能混凝土。该混凝土材料具有水化热低、密实度高、工作性好等特点，同时具有高抗裂、耐腐蚀、抗冻融等功效，还可以减少环境污染，降低碳排放量和降低工程成本。

在材料选择上：根据环境综合等级确定衬砌混凝土的密实度，再由密实度指标选用胶凝材配方；根据围岩级别确定混凝土的强度等级，再由强度等级选用混凝土配合比。

根据环境对隧道结构作用造成的危害程度，将环境综合等级划分为A、B、C、D、E五级，其中E级环境最差、A级环境最好。隧道环境综合等级与衬砌混凝土的密实度等级和密实度指标的关系见表1，围岩级别与衬砌混凝土的强度等级和强度指标的关系见表2。

表1环境综合等级与衬砌混凝土密实度指标的关系

表2围岩级别与衬砌混凝土强度指标的关系

在以上的分析和设计上，本发明的目的是通过如下的手段实现的：低碳高性能隧道衬砌专用系列混凝土，根据不同的环境综合等级和围岩级别确定隧道衬砌高性能混凝土配方，并采用如下的步骤获得：

（1）根据隧道环境综合等级和围岩级别确定隧道衬砌混凝土设计参数指标，不同密实度指标确定衬砌混凝土胶凝材中掺入矿物掺合料的种类和掺量，胶凝材应采用配送站模式生产，各粉体材料按比例进行物理均化，所述中胶凝材配方详见表3。

表3不同密实度指标对应衬砌混凝土胶凝材配方

表3是由衬砌混凝土电通量值测试结果，确定不同密实度指标对应衬砌混凝土的胶凝材配方。

表中胶凝材各粉体材料的要求是：水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积440kg/m²左右；粉煤灰：Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰，比表面积650kg/m²；矿粉：S105、S95级以上矿粉，比表面积480kg/m²；硅灰比表面积20000kg/m²。

（2）根据不同强度指标采用（1）所得衬砌混凝土胶凝材中间混合料为主要原料，加配粗细骨料混合后得到目标系列混凝土，其配合比详见表4。

表4不同强度指标对应衬砌混凝土配合比

表4是由衬砌混凝土抗压强度测试结果，确定不同强度指标对应衬砌混凝土的配合比。

表中混凝土配合比选取必须考虑以下基本原则：

（1）当隧道处于冻融环境下胶凝材用量取上限，水胶比取下限；

（2）采用表中配合比必须使用减水率≥25%高效减水剂，同时保证减水剂与胶凝材有很好的相容性；

（3）当隧道处于冻融环境下且地下水发育，衬砌混凝土若采用复合胶凝材时，应在混凝土中掺入适量引气剂；

（4）细骨料选用细砂时，砂率取大值；选用粗砂时，砂率取小值；

混凝土采用骨料的要求是：

（1）粗骨料的压碎指标≤10%，针、片状颗粒总含量≤5%，含泥量≤0.5%，紧密空隙率≤40%；

（2）细骨料的细度模数≥2.5，含泥量≤1.5%，泥块含量≤0.5%。

以上胶凝材配方及各粉体材料的细度指标和混凝土配合比参数可保证本发明的高性能混凝土具有良好的力学性能、致密性和耐久性，也能与隧道所处水文、气候及地质条件相适应，极大地延长衬砌结构的使用寿命。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：混凝土采用低水胶比和高效减水剂以及胶凝材中掺入矿物掺合料后混凝土的工作性能、密实性能和力学性能均得到显著提高，对控制混凝土初裂、降低水化热效果显著，使之应用于隧道衬砌混凝土中可以提高结构耐久性，减薄隧道衬砌厚度有效减少隧道开挖方量和圬工量，有利于环保、节约资源、降低工程造价，是利在当代、功在千秋的技术。

具体实施方式

本发明隧道衬砌高性能混凝土可分别达到C25、C30、C35、C40、C45强度等级力学性能要求，满足处于不同环境类型和不同围岩级别条件下衬砌结构使用寿命要求。以下给出具体实施方案。

1、复合胶凝材可通过配送站模式或拌合站模式实现，具体做法是先将复合胶凝材中水泥、粉煤灰、矿粉等分别粉磨至规定的细度，制成成品，然后根据隧道结构性能需求确定胶凝材组分，最后由均化机将各粉体材料按设计配方比例进行勾兑和均化，生成高品质复合胶凝材。

对组分复杂的高性能混凝土来说，将混凝土所需的复合胶凝材料放到配送站或拌合站生产，将各自单独粉磨的粉体材料进行预均化，就可以保证不增加现行混凝土搅拌时间而大大提高混凝土的均质性，有利于确保工程质量和耐久性能。

2、混凝土搅拌采用采用三步搅拌工艺，具体实施步骤是先将配制好的胶凝材和砂子投入搅拌机预拌30s；然后将高效减水剂加入到水中拌匀，再投入搅拌机中搅拌30s；最后将全部粗骨料投入搅拌机，所有物料一起搅拌90s。实践证明，山岭隧道衬砌混凝土采用多次投料分步搅拌法效果显著，混凝土各项性能均有显著提高，说明此搅拌工艺可以充分激发矿物掺合料的活性，特别是后期活性，提高混凝土的力学和耐久性能。

Claims (3)

1.低碳高性能隧道衬砌专用系列混凝土，根据不同的环境综合等级和围岩级别确定隧道衬砌高性能混凝土配方，并采用如下的步骤获得： 

（1）根据隧道环境综合等级和围岩级别确定隧道衬砌混凝土设计参数指标，不同密实度指标确定衬砌混凝土胶凝材中掺入矿物掺合料的种类和掺量，胶凝材采用配送站模式生产，各粉体材料按比例进行物理均化，所述中胶凝材配方为下表： 

（2）根据不同强度指标采用（1）所得衬砌混凝土胶凝材中以矿物掺合料为主要原料，加配粗细骨料混合后得到目标系列混凝土，其配合比为下表： 

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2.根据权利要求1所述的低碳高性能隧道衬砌专用系列混凝土，其特征是： 

胶凝材各粉体材料的要求是：水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积440kg/m²左右；粉煤灰：Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰，比表面积650kg/m²；矿粉：S105、S95级以上矿粉，比表面积480kg/m²；硅灰比表面积20000kg/m²。 

3.根据权利要求1所述的低碳高性能隧道衬砌专用系列混凝土，其特征是：所述骨料可为粗骨料和细骨料，且：（1）粗骨料的压碎指标≤10%，针、片状 颗粒总含量≤5%，含泥量≤0.5%，紧密空隙率≤40%；（2）细骨料的细度模数≥2.5，含泥量≤1.5%，泥块含量≤0.5%。