隧洞襯砌混凝土工程溫控應用研究

辜振睿，方博，陳偉，侯維紅，紀憲坤

（1. 武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢 430083；2. 中建科技有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

0 前言

近年來，隨著混凝土結構物的尺寸增大、強度等級提高、膠凝材料用量增多，很容易引起混凝土早期水化反應集中放熱，熱量快速蓄積于混凝土內部，且混凝土是熱的不良導體，使得混凝土內部升溫過快、過高，混凝土內外溫差過大。不同部位的混凝土結構物，其外部存在各種不同的約束條件，內外溫差過大會在混凝土中產生較大的溫度應力，當溫度應力大于混凝土抗拉強度時，溫度裂縫隨之產生。溫度收縮容易引起混凝土結構物早期、后期非載荷裂縫的增多的現象的發(fā)生[1-3]，進一步影響混凝土結構物的防水性和耐久性。

隧洞襯砌混凝土，其底部受既有混凝土和巖層接觸面的約束，加上隧洞中通風條件有限，內部環(huán)境溫度較高，在高溫季節(jié)施工，很容易由于溫度應力過大在被約束的條件下產生裂縫，因此，本研究通過混凝土配合比的設計調整，摻入水化熱抑制劑 HHC-S，以及對現場混凝土溫度數據監(jiān)測，對比其溫控效果；并進行同期試驗，對比摻入外加劑后的混凝土拌合物工作性能、混凝土凝結時間差以及不同齡期混凝土抗壓強度比等性能。

基于此，通過調控混凝土溫升歷程降低混凝土結構物早期溫升，以減小混凝土溫度收縮應力，從而降低混凝土結構物產生裂縫的風險[4-7]。

1 工程信息概況

本次工程應用部位為浙江省某引水隧洞工程，項目地點位于杭州市富陽區(qū)，結構為鋼筋混凝土襯砌，模板采用臺車鋼模板，每段長度為 12.0m，單段總共約140～150m3混凝土。

隧道襯砌混凝土等級為 C30W8F50。膠材總量為460kg/m3，其中水泥用量為 368kg/m3，水泥用量多，水化熱大導致結構內部絕對溫升值高；襯砌設計厚度為0.5m（由于爆破圍巖厚度不同、導致實際襯砌厚度稍不均勻）。

2 試驗原材料及方法

2.1 原材料

水泥：安徽海螺水泥廠，P·O 42.5 水泥。

粉煤灰：浙江富陽新洲建材有限公司，Ⅱ級粉煤灰。

砂：水洗砂，細度模數 2.1。

碎石：當地石灰石礦，級配良好，顆粒尺寸 5～20mm、20～40mm，混凝土配比比例 45:55。

減水劑：蘭溪市科建工程材料有限公司，型號：ZP-Ⅱ，聚羧酸型。

引氣劑：河北混凝土外加劑廠，型號：DH-9。

水化熱抑制劑 HHC-S：主要成分為羥基羧酸類化合物，武漢三源特種建材有限責任公司。

2.2 儀器設備

預埋式測溫線：參數符合 GB/T 51028—2015《大體積混凝土溫度測控技術規(guī)范》的要求；

建筑電子測溫儀：北京海創(chuàng)高科科技有限公司，型號 JDC-2。

2.3 試驗方法

2.3.1 混凝土抗壓強度比、拆模時間

按 GB 8076—2008《混凝土外加劑》中規(guī)定，檢測各樣品的混凝土拆模時間、抗壓強度；混凝土試驗配合比采用實際生產配合比。

2.3.2 混凝土初始坍落度及其經時變化

按照 GB 8076—2008中規(guī)定試驗方法測定混凝土坍落度。2.3.3 混凝土溫度測試方法

參照 GB 50496—2009《大體積混凝土工程施工規(guī)范》中規(guī)定選用測溫元件測試混凝土溫度，包括混凝土入模—達到溫峰—降溫至室溫的整個溫度變化歷程。

3 試驗結果與分析

3.1 混凝土試配

相關混凝土各項物理性能試驗均采用現場混凝土實際生產配合比，設計坍落度 190mm，具體配合比見表1。HHC-S 的摻量為膠凝材料的 1.0%。由于摻量較小，摻入方式為直接外摻。

表 1 混凝土配合比

空白混凝土與摻加外加劑的混凝土的配合比保持不變，通過調整減水劑的用量調節(jié)混凝土的初始坍落度，混凝土初始坍落度控制在 (180±20) mm，具體見表 2。

表 2 混凝土坍落度及抗壓強度

3.2 試驗測溫設備的準備

溫度監(jiān)控儀為建筑電子測溫儀，為確保監(jiān)控數據的準確性，正式使用前對每一根測溫線進行了校準，以保證后期數據的準確性。校準過程為將溫度線的傳感器與標準溫度計（已經過計量檢測部門校準）同時放入不同溫度的水中，讀數后記錄二者的差值（溫度計讀數減測溫儀器讀數）。

各測溫線之間區(qū)別較小，誤差范圍大致-0.3～+0.5℃，符合 GB 51028—2015《大體積混凝土溫度測控技術規(guī)范》中 5.1.3 中要求的“溫度監(jiān)測儀器應定期進行校準，其允許誤差不應大于 0.5℃”

3.3 混凝土內部溫度歷程測試與結果分析

隧洞襯砌的混凝土設計及埋線見圖 1 所示，測溫線的埋設參照 GB 50496—2009《大體積混凝土工程施工規(guī)范》，埋設部位選在隧洞的垂直方向的中心部位，分別埋設了距巖層側 5cm 處、距空層側 5cm 處以及中心部位 25cm 處。

混凝土溫升試驗數據見表 3 所示?？瞻住紿HC-S 水化熱抑制劑混凝土中心部 25cm、巖層側5cm、空層側 5cm 的溫升曲線見圖 2、圖 3 所示。

圖 1 隧洞襯砌設計及埋線圖

進行試驗段工程應用時，隧道未完全打通，所以隧道內部的環(huán)境溫度較為恒定，工作時間段 31.0～32.0℃，非工作時間段 28.5～29.5℃；空白混凝土試驗段 10h 時撤去模板，摻水化熱抑制劑 HHC-S 較空白混凝土有 6～7h 緩凝，HHC-S 混凝土試驗段 17h 時撤去模板，較空白延遲 7h。

溫峰出現時間，空白為 14～17h，較拆模時間晚4～7h；摻 HHC-S 為 19～22h，較拆模時間晚 2～5h，具體見表 4。在混凝土尚未到達溫峰之前，且混凝土強度已滿足拆模強度時，拆模帶來的散熱條件，有利于早期溫升的降低，但是要注意控制里、表、環(huán)境的溫差，須滿足 GB 50496—2009《大體積混凝土工程施工規(guī)范》的規(guī)定；且在混凝土達到溫峰且內外溫差較大，超出規(guī)定值時，應采取合適的保溫措施。

表 3 混凝土溫升試驗數據

4 結論

（1）在混凝土工程應用試驗中，對比空白混凝土，摻 HHC-S 水化熱抑制劑，通過調控混凝土的早期水化進程，避免了膠凝材料早期水化反應的集中放熱，混凝土溫升降低了 10.4～11.5℃，溫峰時間延遲約2.4～7.2h。

（2）摻入 HHC-S 的混凝土對比空白混凝土，3d抗壓強度有不同程度的降低。但其后強度增長穩(wěn)定，7d與空白混凝土近似、28d 混凝土抗壓強度略有提高。摻HHC-S 的混凝土工作性能良好，初始坍落度及 1h 無明顯影響。

（3）摻入 HHC-S 的混凝土對比空白混凝土，初凝時間相近，終凝時間差在 7h 左右，其凝結時間差較大，一定程度上有利于膠凝材料中 C3A 等礦物早期先行水化放熱，其后提供散熱區(qū)間，避免混凝土中膠凝材料礦物集中水化放熱。

綜上所述，摻入水化熱抑制劑 HHC-S，能降低混凝土結構物內外溫差，從而降低混凝土結構物產生裂縫的風險，但需要注意提前作好混凝土試配，控制、協調混凝土的凝結時間、拆模時間與現場施工進度。確?；炷恋睦铩⒈?、環(huán)境的溫差滿足 GB 50496—2009《大體積混凝土工程施工規(guī)范》的規(guī)定，在混凝土達到溫峰后內外溫差超出規(guī)定值時，應采取合適的保溫措施，避免降溫速率過快。

圖 2 空白混凝土溫升曲線

圖 3 摻 HHC-S 混凝土溫升曲線