高地溫隧洞對噴射混凝土性能影響的研究

李向輝，汪 健，段 宇

(河北工程大學水電學院，河北 邯鄲056038)

近幾十年，隨著水利地下工程快速的發(fā)展，尤其在水工隧洞的建設中，開挖深度在不斷增加，這就出現(xiàn)了高溫地熱水的問題。尤其在開挖深度較大的隧洞中，出現(xiàn)了嚴重的高地溫現(xiàn)象，這對混凝土襯砌強度產(chǎn)生較大的影響。許多學者針對這一現(xiàn)象對混凝土進行了多層次的研究。何錦云、王陸陸［1］通過C40混凝土和易性和抗壓強度研究，總結出砂率和粉煤灰摻量對混凝土強度的影響;劉志勇［2］研究了高溫高濕環(huán)境對噴射混凝土抗壓強度的影響;資偉［3］通過不同的溫度環(huán)境和混凝土加熱時間的實驗，利用理論結果和實驗結果相對比的方法，分析出溫度對混凝土的力學性能的影響;張巖、李寧等［4］根據(jù)布倫口－公格爾水電站引水隧洞存在的高溫差環(huán)境，對混凝土襯砌進行劈拉實驗，最終提出高溫差環(huán)境下關于混凝土襯砌的劈拉強度的公式。本文采用噴射和澆筑混凝土試塊的方式，在不同溫濕度環(huán)境下養(yǎng)護混凝土，通過混凝土抗壓實驗和XRD檢測來研究不同溫濕度對混凝土強度的影響。

1 工程概括

齊熱哈塔爾水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什市塔什庫爾干塔吉克自治縣境內(nèi)的塔什庫爾干河上。工程區(qū)域屬于大陸性高原氣候，只有冷、暖兩季，冷季寒冷而長，暖季溫和而短。氣溫的年、日變化顯著，日溫差高達20℃左右，有“早穿皮衣午穿紗，圍著火爐吃西瓜”的真實描述。

引水發(fā)電洞Ⅱ標段為樁號4+500.00～15+660.86，洞長11 160.86 m，隧洞洞徑4.7 m。尤其在3號和4號洞的洞內(nèi)溫度較高，巖壁溫度最高可達100℃以上，由于洞內(nèi)不斷通風降溫，空氣溫度也有60℃左右，在部分洞段還有地熱水的出現(xiàn)，可謂典型的高溫地熱水隧洞。不同的樁號所對應的巖壁和空氣溫度變化如圖1所示。

2 混凝土的材料的選用和用量

水泥。噴射混凝土要優(yōu)先選用新鮮的無結塊的普通硅酸鹽水泥，標號不宜低于32.5級。也可采用新鮮的，標號不低于42.5級的礦碴水泥。本實驗采用的是邯鄲太行山水泥，42.5級的普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰。Ⅱ級以上優(yōu)質粉煤灰。它可以提高噴射混凝土的粘聚性、密實度和強度。

細骨料。應優(yōu)先選用天然砂，也可采用人工砂。砂的細度模數(shù)宜為2.5～3.0，含水率宜為5% ～7%，本實驗采用的是標準砂，砂的粒徑0.25～0.5 mm。

粗骨料。優(yōu)先選用卵石，也可采用碎石。砂石料的質量必須滿足噴射混凝土施工規(guī)范的有關規(guī)定，最大粒徑為15 mm。本實驗采用碎石，其粒徑在5～15 mm之間。

減水劑。本實驗采用萘系高效減水劑，其對水泥粒子有分散作用，改善混凝土的和易性，全面提高砼混凝土的物理力學性能。對混凝土有顯著的早強、增強效果，其強度提高幅度為 20%～60%。

速凝劑。本實驗使用的是鋁酸鈉類速凝劑，它一般應用到濕噴和干噴混凝土中，效果顯著。

纖維。采用是聚丙烯纖維。

噴射混凝土配合比見表1。

表1混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio

3 試驗方案

根據(jù)隧洞的溫濕度數(shù)據(jù)，選取特殊的四種工況進行研究，即:低溫(30℃)高濕(80%)、高溫(60℃)低濕(35%)、低溫低濕(溫度30℃，濕度35%)、高溫高濕(溫度38℃，濕度80%)。依次編組為 1、2、3、4。

4 試驗結果及分析

4.1 抗壓強度結果及分析

通過7 d的養(yǎng)護后，進行抗壓試驗，抗壓數(shù)據(jù)見表2。

表2抗壓實驗結果Tab.2 Compression test results

通過表2可以看出，在4組實驗中，在噴射法的試塊中，抗壓強度最大的是高溫低濕環(huán)境下養(yǎng)護的試塊，其他三組抗壓強度基本接近;在澆筑法的試塊中，抗壓強度最大的同樣也是高溫低濕環(huán)境下養(yǎng)護的試塊，低溫高濕環(huán)境下的試塊抗壓強度基本與其接近，標準養(yǎng)護的試塊強度最低，這反映出:高溫條件下，促進了混凝土內(nèi)部的水化反應，使試塊的強度在7d內(nèi)得到很好的提高。這也證明了文獻［5］中的結論:溫度越高，混凝土的早期強度越高。

比較噴射法試塊和澆筑法試塊的抗壓強度發(fā)現(xiàn)，噴射法試塊的抗壓強度接近澆筑法試塊抗壓強度的一半，通過抗壓后比較兩種試塊的斷面情況，發(fā)現(xiàn)噴射法的試塊內(nèi)部存在大量的空隙，密實性遠遠低于澆筑法的試塊。這也進一步說明噴射法的混凝土抗壓強度低于澆筑法的混凝土強度。

4.2 XRD測試結果及分析

圖2給出了30℃時高濕條件下的澆筑法試塊和噴射法試塊的XRD圖譜。

從圖2中可以看出噴射法試塊的氫氧化鈣(CH)的最大峰值低于澆筑法的CH峰值，說明CH含量相對較少;水泥水化反應是硅酸三鈣、硅酸二鈣與水產(chǎn)生化學反應的一個過程，主要生成CH晶體，所以通過分析水泥水化反應后CH晶體的含量就可以得知水泥水化反應進行的程度［6－7］。在 a圖中發(fā)現(xiàn)，相對于 b 圖 CH 峰值較多，說明水泥水化反應比較充分。

圖3給出了38℃時高濕環(huán)境下的澆筑法試塊和噴射法試塊的XRD圖譜。

從圖3中可以看出，澆筑法試塊和噴射法試塊的CH最大峰值基本相同，但是從整體而言，還是澆筑的試塊水化反應比較充分。對比圖2和圖3可以看出，圖2中的峰值比圖3中的峰值多，但不是很明顯，說明高濕環(huán)境下，溫度相差不大時，幾乎不會影響水化反應，從另一方面說明:在30℃高濕條件和38℃高濕條件養(yǎng)護的混凝土試塊的抗壓強度基本接近。

圖4給出了30℃時低濕環(huán)境下的澆筑法試塊和噴射法試塊的XRD圖譜。

從圖4中可以看出，澆筑試塊的曲線波動遠遠比噴射法試塊的曲線波動要密，說明澆筑試塊水化反應是比較充分的;和圖2相比發(fā)現(xiàn)，當濕度降低后，噴射法試塊的水化反應明顯降低，但是澆筑試塊的水化反應幾乎沒太大影響，說明濕度較高的環(huán)境，給水化反應提供了充足的水，保證了水化反應良好的進行。

圖5給出了60℃時低濕環(huán)境下的澆筑法試塊和噴射法試塊的XRD圖譜。

從圖5中可以看出，澆筑試塊的CH晶體含量比噴射混凝土的CH晶體的含量多很多，說明澆筑的試塊的水化反應更充分;和圖3相比較發(fā)現(xiàn)，60℃環(huán)境下的CH晶體含量更高，進一步證明了文獻［8］的結論:隨著溫度的升高，水泥的水化反應程度越高，從而在短期內(nèi)迅速提高混凝土的強度。

5 結論

在高濕環(huán)境低溫范圍內(nèi)，溫度的變化幾乎不會影響混凝土內(nèi)部的水化反應，它們的抗壓強度基本接近，但是當降低濕度后，混凝土的水化反應也隨著降低，降低幅度并不是很大，在降低到一定濕度情況下，對混凝土強度的影響并不是很大。

當在低濕條件下，提供溫度則會加快混凝土內(nèi)部的水化反應，同時也能在短期內(nèi)提高混凝土的強度。由于選擇的是隧洞部分洞段的溫濕度環(huán)境進行研究的，有一定局限性，并不影響對結果的研究。

［1］何錦云，王陸陸.C40特細砂混凝土和易性和抗壓強度研究［J］.河北工程大學:自然科學版，2012，29(3):1－4.

［2］劉志勇.高溫高濕環(huán)境中噴射混凝土材料配方試驗研究［J］.中西部科技，2008，7(5):1－3

［3］資偉.高溫作用后混凝土結構力學性能及耐久性能研究［D］.長沙:中南大學，2012.

［4］張巖，李寧，張浩博，等.溫差影響下水工隧洞噴層結構的早期劈拉強度試驗研究［J］.水利發(fā)電學報，2014，33(2):221－224.

［5］張子明，周紅軍，趙吉坤.溫度對混凝土強度的影響［J］.河海大學學報，2004，6(32):676

［6］賈艷濤.礦渣和粉煤灰水泥基材料的水化機理研究［D］.南京:東南大學，2005.

［7］黃穎，許永吉.預應力混凝土連續(xù)梁橋支座更換及梁體復位施工監(jiān)控研究［J］.四川理工學院學報:自然科學版，2013，26(6):68 －73.

［8］汲江濤.高巖溫隧道襯砌混凝土力學性能的研究［D］.西安:西安建筑科技大學，2013.