隧道凍結(jié)法施工專用混凝土的研究

徐海濤

(上海隧道工程股份有限公司混凝土分公司，上海 200023)

0 引言

在地下工程尤其是地鐵隧道的搶險工作中，冰凍法施工技術(shù)已相對成熟，其應(yīng)用也越來越多。冰凍土體的溫度較低，鹽水冷凍的土體溫度約為-5℃，液氮冷凍的土體溫度可達-40℃，且隨著地下施工深度和復(fù)雜性的增加，對安全性的要求越來越高，土地冷凍的溫度相應(yīng)地不斷降低。因為冷凍液(鹽水或液氮)是持續(xù)不斷在土體間循環(huán)的，這樣與土體直接或間接接觸的混凝土便處于一個負溫的環(huán)境當中。人工負溫混凝土與自然變負溫混凝土的強度發(fā)展規(guī)律不同，據(jù)現(xiàn)有資料所述，恒負溫情況下混凝土的強度比自然變負溫更低［1］。負溫混凝土的強度發(fā)展和質(zhì)量好壞直接關(guān)系著整個工程的質(zhì)量安全及進度。而人工負溫混凝土的相關(guān)研究極少，隨著地下工程和冰凍法施工的迅速發(fā)展，對恒負溫混凝土的強度發(fā)展規(guī)律和配制技術(shù)進行系統(tǒng)研究已迫在眉睫。

本文以南京地鐵二號線搶險工程為例，對凍結(jié)法施工專用的負溫混凝土的配制技術(shù)及相關(guān)施工養(yǎng)護措施進行了簡述。

1 工程概述

由于工程所在地為河漫灘地質(zhì)，河西地下水資源豐富，南京地鐵二號線施工多次發(fā)生坍塌事故。此次事故發(fā)生時，前期暗挖施工，一次支護型鋼支架已安裝，噴射混凝土工作已施工完成，正著手下一步的二次襯砌施工暗挖區(qū)域。險情發(fā)生后，元通站南端頭井、中和村路站右線西端頭井始發(fā)井已經(jīng)封閉，同時右線區(qū)間隧道內(nèi)灌水保持隧道洞內(nèi)外水土壓力平衡，管片基本完好，局部存在裂縫、錯臺、滲漏水現(xiàn)象。據(jù)此，項目部決定仍采用液氮原位凍結(jié)法修復(fù)方案，使現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與完好隧道對接。凍結(jié)土體最低溫達-40℃，與土體直接或間接接觸的混凝土處于一個恒負溫的惡劣環(huán)境當中，工程要求混凝土澆注后3 d強度達到5 MPa以上，能夠起到一定支撐作用，以便進行工程后期的工作。且由于結(jié)構(gòu)的特殊性，混凝土澆注后無法進行澆搗，要求混凝土具有自密實性。

2 恒負溫自密實混凝土配制路線

恒負溫混凝土的配制可借鑒自然變負溫混凝土的研究成果和方法。且我公司已對恒負溫混凝土的配制路線及抗凍損傷性能進行了部分研究，并已成功應(yīng)用于長江隧道聯(lián)絡(luò)通道的頂板中。但長江隧道聯(lián)絡(luò)通道使用的是鹽水冰凍，土體溫度大約-5℃，混凝土實際接觸面溫度約0～5℃，負溫環(huán)境遠不如本工程惡劣。根據(jù)以往研究和生產(chǎn)的經(jīng)驗，在此工程中，采取通過混凝土膠凝材料體系自身抗凍與防凍劑對混凝土在負溫下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保護不受凍的雙重抗凍技術(shù)的技術(shù)路線，實現(xiàn)混凝土的極限負溫條件下不凍傷和滿足施工使用的功能要求。

3 試驗用原材料及設(shè)備

1)水泥:P·O42．5，上海海螺明珠水泥有限責任公司生產(chǎn);

2)粉煤灰:FI，常熟蘇虞天潤粉煤灰有限責任公司生產(chǎn);

3)礦碴粉:S95，上海寶田礦粉廠生產(chǎn);

4)復(fù)合礦物摻合料:FSC，自配;

5)高效減水劑:FLE—2，自配;

6)防凍劑:西卡;

7)砂:中砂，細度模數(shù)2．7;

8)碎石:自密實專用石子;

9)低溫試驗箱:QHL—2S—B，上海奇珊電子科技有限公司生產(chǎn)。

4 試驗與結(jié)果討論

摻合料的適量摻入，取代部分水泥并以細顆粒填充空隙，使孔隙率顯著降低，密實度增加，提高混凝土的抗凍性［2］。且其后期的二次水化反應(yīng)，能顯著提高后期強度及增加抗腐蝕能力等耐久性［3］。但在低溫條件下，粉煤灰的摻量不宜高于15%［4-5］。高效減水劑在保持坍落度相同的情況下，能相對增長混凝土抵抗凍害的能力［6］。以減水、引氣、早強為主的復(fù)合外加劑并復(fù)摻礦物摻合料的混凝土，在低溫條件下強度發(fā)展好［7］。

因此，在配方設(shè)計時，選擇粉煤灰、礦碴粉及復(fù)合礦物摻合料混摻，同時使用聚羧酸高效減水劑及西卡高效防凍劑，并根據(jù)以往配制經(jīng)驗及前期摸索試驗，確定基本配合比，主要參數(shù)見表1。

表1 配合比主要參數(shù)Table 1 Major parameters of mix proportion

4．1 負溫下混凝土強度發(fā)展研究

選取3個防凍劑摻量(2%，3%，5%)拌制混凝土，把立方試塊置于 -15℃ 的負溫箱中養(yǎng)護，測試各齡期混凝土的抗壓強度，數(shù)據(jù)見表2和圖1。

表2 負溫-15℃下混凝土的強度數(shù)據(jù)Table 2 Strength data of concrete at-15℃ MPa

從表2和圖1可以看出，恒負溫下混凝土的強度增長非常緩慢，尤其是早期較低，7 d強度在5 MPa以下，還不到標養(yǎng)強度的10%，28 d強度略好。隨著防凍劑摻量的增大對混凝土在負溫下強度增長有利。其中摻有3%防凍劑的混凝土強度明顯高于2%摻量的混凝土，5%與3%防凍劑摻量的混凝土強度相當。

圖1 負溫下混凝土的強度Fig．1 Strength of concrete at minus temperature

把立方試塊置于 -15℃ 的負溫箱中養(yǎng)護2 d，然后移入0℃的冰箱養(yǎng)護2 d，再移回-15℃的負溫箱中養(yǎng)護，測試各齡期混凝土的抗壓強度，數(shù)據(jù)見表3和圖1所示。

表3 變負溫(-15～0℃)下混凝土的強度數(shù)據(jù)Table 3 Strength data of concrete at varied minustemperature(-15～0℃)MPa

從表3和表2的數(shù)據(jù)對比及圖1可以看出，變化的負溫環(huán)境較恒定負溫對混凝土強度增長更有利，在0℃養(yǎng)護2 d后混凝土強度有較大增長，即使再放回-15℃的低溫養(yǎng)護，其后期強度也較恒定負溫有較大提高?？梢妼τ谔幱诒鶅龇ㄊ┕へ摐貤l件下的混凝土，養(yǎng)護起到至關(guān)重要的作用，只要養(yǎng)護措施得當，混凝土強度達到設(shè)計值、結(jié)構(gòu)能較早地起到支撐作用。

4．2 防凍劑摻量的確定

從強度數(shù)據(jù)來看，3% 的防凍劑摻量，能在負溫下獲得較高的混凝土強度。為進一步確認防凍劑摻量對混凝土強度的影響，在微調(diào)配合比后，對3% 和4% 防凍劑摻量的混凝土進行強度測試，以確定防凍劑摻量，數(shù)據(jù)見表4。

表4 負溫-15℃下混凝土的強度數(shù)據(jù)Table 4 Strength data of concrete at constant minus temperature(-15℃)MPa

3%和4%防凍劑摻量的混凝土在-15℃負溫下早期強度差別不大，摻4%防凍劑時混凝土強度略高。

?此外，試驗中發(fā)現(xiàn):防凍劑摻量的不同對混凝土的凝結(jié)時間有影響，表5為摻加不同量防凍劑的混凝土的凝結(jié)時間數(shù)據(jù)。

表5 摻加不同量防凍劑的混凝土的凝結(jié)時間Table 5 Setting time of concrete with different amount of anti-freezing admixture

混凝土凝結(jié)時間的延長，易造成混凝土早期的凍害［8］。從表5中可以看出隨著防凍劑摻量的增大，凝結(jié)時間變短，也就是說摻量越大混凝土早期抗凍性越好。但是混凝土中防凍劑的摻量過高，會對混凝土耐久性帶來不利影響［9］，且強度實驗數(shù)據(jù)也表明，混凝土在負溫條件下強度也不是隨著防凍劑摻量的增加而正比例增長的。綜合考慮，摻加4% 的防凍劑較合適。

4．3 自密實工作性研究

自密實混凝土的工作性能是非常重要的一方面［10］，其負溫下的特性更是值得研究探討。試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土在低溫下的工作性能與常溫時有所不同。從表5可以看出，常溫時，外加劑中的緩凝成分對混凝土坍落度和擴展度影響不大。低溫時(5℃)，外加劑中緩凝成分的增加對工作性能有利。低溫下，摻加普通FLE—2外加劑的混凝土，坍落度經(jīng)時損失和擴展度損失非常大，1 h后混凝土幾乎喪失流動性，根本不滿足自密實的要求;而改用緩凝LEX—9P聚羧酸外加劑后，坍落度經(jīng)時損失和擴展度損失明顯減小，1 h后混凝土仍能保持較好的工作性。因此，本工程中選用緩凝的FLE—2外加劑。

表6 混凝土的工作性Table 6 Workability of concrete

5 施工與養(yǎng)護措施

由于負溫混凝土的特性，其對施工與養(yǎng)護要求較高。參考一些負溫工程的成功案例［11-12］及本公司以往低溫混凝土的施工經(jīng)驗，制定以下相關(guān)措施確保負溫自密實混凝土在隧道冰凍法施工中的成功應(yīng)用。

1)混凝土澆注前，做好澆注部位的保溫工作，加設(shè)大功率太陽燈或電熱毯來提高局部環(huán)境溫度。

2)運輸過程中，混凝土攪拌車需不間斷地進行攪拌，倒料前快轉(zhuǎn)1 min，以保證混凝土的和易性，同時促進混凝土的水化進行。

3)混凝土澆注后，加強保溫工作，用多臺大功率太陽燈對結(jié)構(gòu)局部進行加熱，尤其是受力的底部區(qū)域，待混凝土強度增長上來后，可逐漸減少太陽燈數(shù)量直至撤銷。

4)除正常留置混凝土試塊外，增設(shè)同條件養(yǎng)護試塊，測試從第1 d開始至第5 d，測試同條件養(yǎng)護試塊強度，以了解混凝土強度增長情況。

6 工程應(yīng)用情況

南京地鐵二號線搶險工程中，本公司研制生產(chǎn)的負溫自密實混凝土成功地應(yīng)用于冰凍法施工環(huán)境。自密實混凝土在低溫環(huán)境下具有較好的流動性和和易性，一次性澆注并填充滿結(jié)構(gòu);且澆注后強度保持一定的增長，據(jù)同條件養(yǎng)護試塊的測試結(jié)果看，3 d強度達5 MPa以上，能夠起到一定的支撐作用;如期拆模，使后續(xù)工程得以順利地按計劃進行。

7 結(jié)論

綜上所述，可得到以下結(jié)論:

1)變負溫環(huán)境較恒定負溫更利于混凝土強度的增長。

2)隨著防凍劑摻量的增大，混凝土凝結(jié)時間變短，早期抗凍性好，強度較高，但防凍劑過量對混凝土耐久性不利，綜合考慮3% ～4%的防凍劑摻量較合適。

3)常溫時，外加劑中的緩凝成分對混凝土坍落度和擴展度影響不大。低溫時(5℃)，外加劑中緩凝成分的增加對工作性有利。

4)低溫下，混凝土澆注后的保溫措施對其強度增長尤為關(guān)鍵。

目前關(guān)于人工負溫混凝土的性能研究極少，本文對恒負溫自密實混凝土的研究，豐富了這一領(lǐng)域的理論知識和應(yīng)用范例，對今后冰凍法施工中所用混凝土的生產(chǎn)與質(zhì)量控制將起到較大的指導(dǎo)作用，對冰凍法施工安全性的提高具有實際意義，推進了冰凍法在隧道工程施工中的應(yīng)用。若今后對低溫混凝土防凍劑進行更為深入的研究與開發(fā)，相信負溫混凝土在隧道施工中的應(yīng)用將更為廣泛。

［1］ 楊英姿，高小建，鄧宏衛(wèi)，等．自然變負溫養(yǎng)護和恒負溫養(yǎng)護對混凝土強度的影響［J］．低溫建筑技術(shù)，2009(4):1-4．

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