隧道喷射混凝土防钙溶出复合掺和料的配制与性能研究.pdf

针对隧道出现的钙溶出结晶现象,基于室内试验,通过测定胶砂试件的钙离子溶出量、抗压强度、抗折强度等指标,并结合扫描电子显微镜对微观形貌进行了表征,优选出几种隧道喷射混凝土防钙溶出复合掺和料配方。结果表明:复合掺和料在 3 种不同配比下均能改善胶砂试件的钙离子溶出性能,最大提升率为 32.41%;3 种配比下胶砂试件的抗压强度均有增强作用,28 d 龄期抗压强度最高可达 40.32 MPa,抗折强度也有明显提升效果,较普通胶砂试件增长率为25.4%33.8%。从微观形貌观察到,掺入复合掺和料的水泥石内部致密,无明显可供侵蚀性介质渗入的毛细通道,水化产物多,且有凝胶体生成,填充了结构孔隙,从机理方面揭示了复合掺和料对隧道防结晶有明显作用。关键词:隧道结晶;防钙溶出;复合掺和料;抗压强度;抗折强度;微观表征文章编号:1009-6477(2023)03-0115-07 中图分类号:U455.48+1 文献标识码:APreparation and Performance Study of Anti-calcium Dissolution Composite Admixture for Tunnel ShotcreteCHA Zengyun1,ZHANG Junyuan2,WU Dongyang1,WANG Qinglong1,LI Yongjian2(1.Yunnan Laman Expressway Co.,Ltd.,Xishuangbanna 666300;2.School of Highway,Changan University,Xian 710064)Abstract:In view of the phenomenon of calcium dissolution and crystallization in tunnels,this study conducted indoor experiments to determine the calcium ion leaching,compressive strength and flexural strength of mortar specimens,and combined with Scanning electron microscope to characterize the microscopic morphology.Several composite admixture formulations for preventing calcium leaching in tunnel shotcrete were selected.The results showed that the composite admixture can improve the calcium ion dissolution performance of the rubber sand specimen under three different ratios,with a maximum improvement rate of 32.41%;The compressive strength of the rubber sand specimens under three different ratios has been enhanced,with a maximum compressive strength of 40.32 MPa at 28 days,and a significant improvement in flexural strength,with a growth rate of 25.4%to 33.8%compared to ordinary rubber sand specimens.It can be seen from the microscopic appearance that the cement paste mixed with composite admixtures is dense inside,there is no obvious capillary channel for corrosive media to penetrate,there are many hydration products,and there is gel formation,filling the structural pores,which reveals that the composite admixtures have obvious effect on the crystallization prevention of tunnels from the mechanism.Keywords:tunnel crystallization;preventing calcium leaching;compound admixture;compressive strength;flexural strength;micro characterization 随着我国隧道运营年限逐渐增长,大量隧道开始出现排水系统结晶堵塞病害1。隧道排水管内的结晶体主要来源是喷射混凝土2-3。地下水在隧道初期支护渗流过程中导致喷射混凝土中的有效成分被溶出,这一过程也称为钙溶出现象,钙溶出过程主要受地下水与水泥水化产物溶液的浓度差和压力差控制4。被溶出的钙物质会随着地下水进入隧道排水系统,在隧道排水管内逐渐沉积,导致地下水无法顺畅排出隧道,逐渐积聚在衬砌背后,造成衬砌背后水压增大,日积月累,会堵塞排水系统。轻者,增加隧道裂缝、渗漏水等病害;重者,造成隧道衬砌开裂、突泥涌水等灾害,给隧道衬砌安全和运营安全带来新的挑战。针对该类病害,刘士洋等5提出通过在隧道排水管上植绒的方法来抑制结晶体的产生,并通过室内试验探究了不同绒毛长度对结晶体生成的抑制效果;Yee 等6-7根据现场试验结果,表明磁场对抑制排水管内的结晶效果一般;Zhou 等8通过现场试验和室内试验研究了电磁场对排水管内防结晶的效果,结果表明电磁场对抑制结晶效果较佳。由于隧道排水系统暗埋于隧道结构内9,上述方法无法确保隧道长期安全运营和检修工作的顺利进行。若通过在喷射混凝土内添加掺合料来减少钙溶出,可从源头上减少结晶体的产生10-11。大多数学者的研究表明,将硅灰、矿渣、粉煤灰等矿物掺合料以单掺或混掺的方式加入喷射混凝土,它们之间可发挥物理、化学特性,对水泥基材料的性能起到明显提升效果。如王家滨12探究了喷射混凝土中内掺粉煤灰、钢纤维对抗压强度、抗拉强度的影响,发现当粉煤灰掺量为 20%时,在粉煤灰微集料与火山灰等联合作用下,喷射混凝土抗压强度和密实度显著提高;赵月明13为了探究掺入纳米二氧化钛及纳米二氧化硅水泥基材料溶蚀-冲刷性能的影响,通过自主设计的试验装置,发现纳米二氧化硅及纳米二氧化钛的掺入可显著提高砂浆试块早期的抗折及抗压强度;Lu 等14通过开展粉煤灰对水泥石强度及溶蚀性能的试验,得出粉煤灰掺量为 50%时,试件的抗压强度和抗溶蚀效果均表现最优;陈凌燕15对掺加不同种类和掺量的矿物掺合料水泥浆体的钙溶蚀性能进行了研究,指出粉煤灰、硅灰的最佳掺量为 30%时,大掺量矿渣对水泥浆体性能较好;田钊等16的研究表明,硅灰和矿渣掺量均为 10%时,混凝土抗溶蚀性能和强度均得到了提高;霍吉祥等17得出矿渣、粉煤灰、普通净浆的抗钙离子溶蚀性能依次减弱,且溶出的钙离子总量与侵蚀溶液的体积及试件的表面积相关,文献18同样得出适量的矿渣可提高水泥浆体抗溶蚀性能这一结论。还有诸多学者将不同种类矿物掺合料进行复掺或多掺,结果显示水泥基材料抗钙离子溶出性能更加优异,且能更好地提升力学性能,这不仅为隧道防结晶措施提供了思路,也为隧道领域通过掺合料预防初期支护喷射混凝土钙溶出的研究提供了参考。本文在前期开展复合掺和料配方试验的基础上,优选出几种隧道防结晶复掺配方,利用破碎浸泡法研究了复合掺和料对胶砂试件钙离子溶出量的影响规律,并对砂浆试件的抗压强度和抗折强度进行了测定,同时,借助扫描电子显微镜对砂浆试件微观形貌进行了分析,通过试验提出复合掺和料对水泥基材料抗钙离子溶出性能的影响规律及作用机理,以期对实际隧道工程防结晶措施提供了一种解决思路。1 原材料和配合比1.1 原材料采用铜川冀东牌普通硅酸盐水泥作为胶凝材料,其物理化学性能如表 1 和表 2 所示;细集料采用厦门某有限公司生产的 ISO 标准砂,符合水泥胶砂强度检验方法(GB/T 176711999)的要求;无碱液体速凝剂符合喷射混凝土用速凝剂(GB/T 351592017),初终凝时间分别为 204 s 和 436 s,其化学组成如表 3 所示;隧道防结晶复合掺和料组分掺量按照胶凝材料的质量掺量添加,其组分组成如表 4 所示;硅灰、矿粉、新型结晶材料、偏高岭土的成分如表 5表 8 所示。1.2 配合比设计为了探究隧道防结晶复合掺和料对胶砂试件抗钙溶出性能的影响,将未掺有隧道防结晶复合掺和料的试件作为试验空白组,共设计 4 种配合比,如表 9所示,JZ 代表试验空白组,CFA-1、CFA-2、CFA-3分别代表优选后的复合掺和料胶砂试件。611公 路 交 通 技 术 第 39 卷表 1 水泥物理和化学性能Table 1 Physical and chemical properties of cement凝结时间/min初凝时间终凝时间比表面积/(m2 kg-1)抗折强度/MPa3 d28 d抗压强度/MPa3 d28 d1542373254.36.818.534.9表 2 水泥化学组成Table 2 Chemical composition of cement化学组成SiO 2Al2O3CaOMgOSO3Fe2O3LOI质量分数/%19.68 4.78 63.81 1.310.053.682.23表 3 速凝剂化学组成Table 3 Chemical composition of accelerator化学组成Al2O3Na2OAl2O3/SO2-4pH(20)含量/%13.6-0.543.8表 4 隧道防结晶复合掺和料的组成Table 4 Composition of tunnel anti-crystallization admixture组分A-硅灰B-矿粉C-新型结晶材料D-偏高岭土形态表 5 硅灰的化学成分Table 5 Chemical composition of silica fume组分SiO2Al2O3CaOMgOSO3Fe2O3含量/%93.520.350.320.641.392.1表 6 矿粉的化学成分Table 6 Chemical composition of mineral powder组分SiO2Fe2O3Al2O3MgOCaONa2OK2OSO3含量/%30.13 4.64 15.86 1.94 43.16 0.240.36 3.02表 7 新型结晶材料的化学成分Table 7 Chemical composition of novel crystalline materials组分CaOSiO2Na2OSO3Al2O3含量/%40.1719.7817.8711.866.23表 8 偏高岭土的化学成分Table 8 Chemical composition of metakaolin组分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2O Na2O含量/%51.46 41.35 2.190.250.262.235.06 0.97表 9 砂浆配合比 Table 9 Mix ratio of mortar 编号水泥/(kg m-3)砂/(kg m-3)水/(kg m-3)速凝剂/(kg m-3)隧道防结晶复合掺和料掺量/%JZ1 0801 62054021.60CFA-11 0801 62054021.6硅灰 矿粉 新型结晶材料 偏高岭土=1.2 1.2 0.7 1.4CFA-21 0801 62054021.6硅灰 矿粉 新型结晶材料 偏高岭土=1.2 0.9 0.5 1.2CFA-31 0801 62054021.6硅灰 矿粉 新型结晶材料 偏高岭土=1.4 0.3 1.3 1.21.3 试样制备试件成型步骤如图 1 所示。1)将水泥、砂、复合掺和料等原材料依次加入水泥砂浆搅拌机中,先低速搅拌60 s,搅拌过程中缓慢加水,再低速搅拌60 s 后高速拌合 60 s,使物料拌合均匀;2)加入速凝剂,继续搅拌 15 s;3)将水泥浆体倒入 40 mm40 mm160 mm 的砂浆模具,在标准养护室(温度 25 2、湿度 95%5%)养护至 28 d 龄期,取出试711 第 3 期 茶增云,等:隧道喷射混凝土防钙溶出复合掺和料的配制与性能研究件进行试验测定。图 1 试件成型步骤Fig.1 Forming steps of specimens2 试验方法2.1 钙离子测试根据散粒体和整体结构材料及废弃物渗透量的测定标准,对达到养护龄期的砂浆试件进行钙离子溶出试验。试验包括以下步骤:1)筛分:将试件破碎成粉末状并筛分,收集细小粉末;2)过滤:将 1 g 粉末与 100 mL 去离子水混合,并在振荡器中振荡 5 min 后过滤滤液;3)滴定:为了消除滤液表面碳酸钙薄膜的影响,先滴加稀盐酸,后加入氢氧化钠溶液,待溶液 pH值大于 12.5 后加入钙指示剂混匀,再用 0.01 mol/L EDTA 标准溶液滴定至溶液颜色由紫红色变为天蓝色,记录滴定液的用量作为钙溶出量。每组进行 3次试验,并取平均值。2.2 力学测试参照水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)(GB/T 176712021),使用液压万能试验机测试,先进行抗折强度试验,每组配比测试 3 个试件,折断后再进行抗压强度试验,每组测试 6 个试件,取其平均值作为最终强度结果,测试过程如图 2 所示。2.3 SEM 微观测试收集测试完强度的样品碎屑,测试前将样品放入真空干燥箱中,干燥温度设置为 40 1,样品完全干燥后,将其取出制成约为 3 mm3 mm3 mm尺寸的样品,喷金处理后放入密封袋中做好标记。采用捷克 TESCAN MIRA LMS 型号扫描电子显微镜观察砂浆水化产物的微观形貌,并确定水化产物的组成成分及其微观结构特征。(a)抗折强度 (b)抗压强度图 2 砂浆测试Fig.2 Mortar tests3 结果分析3.1 钙离子溶出量砂浆试样钙离子溶出量变化规律如图 3 所示。从图 3 可见,任一掺加防结晶复合掺和料的砂浆试件钙离子溶出量均低于普通砂浆,CFA-1、CFA-2、CFA-3 组较不添加复合掺和料的砂浆试件钙离子溶出量减少率分别为 32.41%、26.74%、22.99%,表明添加复合掺和料对砂浆抗钙离子溶蚀效果较好。究其原因主要有:1)隧道防结晶复合掺和料中含有大量高度活性的无定形二氧化硅,与水化产物氢氧化钙反应形成可以保证胶凝材料粘结性和强度性能的 C-S-H 凝胶,该物质填充在水泥基体的孔隙中,提高了水泥浆体的致密度,对砂浆抗钙离子溶出性能有较大的提升;2)防结晶复合掺和料中含有多种具有火山灰活性的组分,可消耗大量水泥水化产物氢氧化钙,与之产生较多水化硅酸钙和水化铝酸钙等胶凝性物质19,兼具各组分协同作用的复合掺和料被掺进砂浆内部后,可对砂浆钙离子溶出性能起到关键作用,结晶体渗出的可能性大大降低。图 3 不同配比试件的钙离子溶出量Fig.3 Calcium ion dissolution of specimens with different proportions3.2 抗压强度不同组别砂浆在 28 d 的抗压强度变化规律如811公 路 交 通 技 术 第 39 卷图 4 所示。从图 4 可以看出,复合掺和料的加入对砂浆试样的抗压强度有明显提升效果,添加复合掺和料的砂浆抗压强度最高可达 40.32 MPa,相较无添加组的砂浆抗压强度提高了 31.11%,CFA-1 砂浆配比下抗压强度增长率为 16%。这表明复合掺和料较高的活性促进了水泥水化反应进程,有利于砂浆早期强度的发展,同时微粒填充效应和界面效应减弱了界面区水膜的危害,强化了水泥与骨料界面的粘结状态20,故对砂浆抗压强度的后期增长仍有正向作用。依据复合掺和料对砂浆钙离子溶出性能的影响结果及抗压强度的增强效果可以看出,复合掺和料在一定程度上对预防隧道结晶溶出问题是有效的。图 4 不同配比试件的抗压强度Fig.4 Compressive strength of specimens with different proportions3.3 抗折强度不同组别砂浆在 28 d 的抗折强度变化规律如图 5 所示。普通砂浆试件的抗折强度低于复合掺和料砂浆,可见复合掺和料对于砂浆的抗折强度也具有增强效果,相较普通砂浆试件,复合掺和料砂浆的抗折强度增长率为 25.4%33.8%。复合掺和料砂浆抗折强度增强效果与抗压强度增强机理类似,复合掺和料的组成组分中粒径分布极小,含有极高的活性 SiO2,与水化产物结合后生成可填充胶凝体系颗粒级配和孔结构的物质,并对水泥水化产生一定的促进作用,使砂浆具有更加致密的微观结构和更优异的抗折强度21。3.4 微观分析普通砂浆与 CFA-1 组复合掺和料砂浆在 28 d龄期的微观界面如图 6 所示。由图 6 观测结果可知:1)普通水泥砂浆的浆体密实度较低,有明显裂隙和可供侵蚀性介质渗入的毛细通道,结构疏松多孔;2)掺加复合掺和料的水泥石内部致密,截面过渡区不存在明显裂隙和通道。普通砂浆与 CFA-1 图 5 不同配比试件的抗折强度Fig.5 Flexural strength of specimens with different proportions组复合掺和料砂浆在 28 d 龄期的微观形貌如图 7 所示。由图 7 可以观察到:1)普通砂浆产物比较松散,有乱向分布的层状和片状氢氧化钙及水化硅酸钙 C-S-H,整体来看,表面粗糙,没有观察到钙矾石的形貌,可见水化速率慢,仍有大部分水化产物未参与反应22;2)掺加复合掺和料水化产物丰富,且观察到呈针棒状的钙矾石晶体和凝胶晶体,大量钙矾石晶体和凝胶晶体使得结构内部致密无孔,这也解释了复合掺和料对砂浆性能影响的原因。(a)普通砂浆(b)CFA-1 组复合掺和料砂浆图 6 不同试件的微观界面Fig.6 Microstructure interface of different specimens911 第 3 期 茶增云,等:隧道喷射混凝土防钙溶出复合掺和料的配制与性能研究(a)普通砂浆(b)CFA-1 组复合掺和料砂浆图 7 不同试件的微观形貌Fig.7 Microstructure of different specimens4 结论1)通过大量掺合料配比试验,优选出几种掺合料种类及其掺量配比,并将其复配为防结晶复合掺和料,为隧道防排水系统防结晶措施提供一种解决思路。2)CFA-1、CFA-2、CFA-3 隧道防结晶复合掺和料配方均能改善胶砂试件的钙离子溶出性能,且CFA-1 掺量下改善效果更优,CFA-2 改善效果次之;CFA-1 掺量组胶砂试件在满足抗钙离子溶出性能的同时,抗压强度和抗折强度均有提高,抗压强度和抗折强度较普通胶砂试件增长率分别为 16%和27%。3)通过 SEM 微观分析表明,复合掺和料加快了水泥基内部水化进程,生成更多致密程度更高的凝胶体,还对其内部结构起到填充作用,提高了水泥浆体的密实度,与宏观分析结果基本吻合,更好地揭示了防结晶复合掺和料改善水泥基材性能的作用机理。参 考 文 献References1 田崇明,叶飞,宋桂锋,等.隧道排水系统结晶堵塞机理及防治措施初探J.现代隧道技术,2020,57(5):66-76,83.TIAN Chongming,YE Fei,SONG Guifeng,et al.Preliminary study on the mechanism and prevention measures of crystallization blockage in tunnel drainage systemJ.Modern Tunnel Technology,2020,57(5):66-76,83.2 DIETZEL M,RINDER T,LEIS A,et al.Koralm tunnel as a case study for sinter formation in drainage systems precipitation mechanisms and retaliatory action J.Geomechanik und Tunnelbau:Geomechanik und Tunnelbau,2008,1(4):271-278.3 叶飞,田崇明,何彪等.在建隧道排水系统结晶堵塞试验J.中国公路学报,2021,34(3):159-170.YE Fei,TIAN Chongming,HE Biao,et al.Experimental study on scaling and clogging in drainage system of 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