[发明专利]低碳高性能隧道衬砌专用系列混凝土

说明书

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。