高寒地區(qū)隧道二襯混凝土抗凍融施工的實驗研究

華亮 蔣磊 白志忠

摘要：針對高寒地區(qū)隧道混凝土抗凍性等性一能的要求，采用實驗的方式制備符合高寒地區(qū)隧道的混凝土，并將制備的混凝土結(jié)合溫控技術(shù)應(yīng)用到白拉山隧道二襯施工中。最后通過實踐表明，本文制備的混凝土結(jié)合溫控技術(shù)，能夠滿足高寒地區(qū)隧道施工中對抗凍融的要求，具有一定的工程實踐的價值。

關(guān)鍵詞：高寒地區(qū);抗凍融;混凝土制備;實驗

中圖分類號：U455.49

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）12-0094-04

受到季節(jié)變化的影響，隧道圍巖存在明顯的凍融循環(huán)過程，長期受此影響容易引發(fā)明顯的凍脹現(xiàn)象，降低了隧道襯砌的可靠性，容易造成更嚴重的安全事故。本文主要對工程中使用的混凝土材料進行了研究，在建筑工程中選用混凝土時必然考慮到安全性以及耐久性的問題。目前在很多工程中將適量的外滲料添加到混凝土中，基于這種方式有助于改善混凝土的性能，同時降低了成本，實現(xiàn)了廢物利用，環(huán)保性較高。隨著在混凝土外慘料領(lǐng)域的研究深入，出現(xiàn)了更多類型的外滲料，諸如粉煤灰、沸石粉等得到了廣泛的應(yīng)用?；谶@種方式有助于降低混凝土的內(nèi)部溫度，改善了混凝土的抗?jié)B透以及密實性等性能。在使用外加滲料時需要考慮到具體的應(yīng)用環(huán)境，并采用合理的添加量，否則無法保證達到預(yù)期的效果。例如在滲量過大或者過小時都會影響到混凝土的性能。本文針對高寒地區(qū)隧道二襯混凝土的應(yīng)用性能進行了研究，并對其配合比進行了優(yōu)化設(shè)計，使其能夠在高寒區(qū)隧道環(huán)境中達到更高的性能。

1 實驗方案

1.1 實驗原材料

1.1.1 水泥

試驗中主要利用拉法基P.0 42.5R水泥，相關(guān)的參數(shù)如表1所示。

1.1.2 粉煤灰

等級為II，具體的成分以及含量參數(shù)如表2所示。

1.1.3硅灰

具體的性能參數(shù)如表3所示。

1.1.4骨料

骨料主要包括細骨料和粗骨料，前者選擇中砂;后者主要有中石、小石，二者粒徑范圍分別是20 -40mm、5- 20mm。

1.1.5 外加劑與拌合水

引氣劑需要滿足正常的施工要求;減水劑選用聚羧酸型，坍落度保持能力處于2 - 3h之間，減水率需要保證高于20%，緩凝時間需要低于2.5h，坍落度2h損失低于80mm;拌合水采用自來水，需要保持較高的清潔度。

1.2 實驗配合比

在本次研究中主要依托于白拉山隧道，該地區(qū)處于西藏自治區(qū)，整體氣溫偏低，晝夜溫差較大，每年最高和最低溫度分別是21.4℃、-28.7℃，一般分別出現(xiàn)在8月和12月，年均氣溫大約是4.5℃。因此，這就對混凝土的抗凍性提出了更高的要求。針對混凝土的抗凍性問題有必要進行相關(guān)的試驗，驗證影響抗凍性的具體因素，包括外加劑、水灰比以及摻合料等?；谝陨弦螅岢鋈绫?的混凝土實驗配合比。

1.3 混凝土試件要求

本次研究中分別進行了凍融試驗與抗壓試驗，其中前者采用的試件是棱柱體，對應(yīng)的尺寸是lOOmmxlOOmm×400mm;后者采用立方體結(jié)構(gòu)，尺寸是150mmx150mmx150mm，兩種試驗分別將3個試件作為一組。在試驗過程中將富余系數(shù)設(shè)置為1.5，以保證混凝土量達到試驗的要求。

1.4 性能測試方法

1.4.1抗凍實驗

1）結(jié)合凍融試驗規(guī)范開展試驗操作，養(yǎng)護等需要達到試驗的要求。

2）凍融試驗時間應(yīng)該控制在2-4h之間，同時保證融化時間不低于凍融循環(huán)時間的25%。

3）冷凍和融化結(jié)束之后的溫度范圍分別保持在一18+2℃、5+2℃，即最大、最小溫度分別是7℃、一20℃，不允許超過此范圍。

4）試件溫度在-16℃ -3℃之間變化的時間應(yīng)該保證高于冷凍時間的一半以上，包括升溫和降溫的過程，另外試件內(nèi)外溫度差應(yīng)該控制在28℃以內(nèi)。

5）融化與冷凍轉(zhuǎn)換時間通常不能太長，盡量控制在10min之內(nèi)。在試驗完成之后，記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后按照如下方式進行處理。相對動彈性模量公式如下所示。

1.4.2抗壓實驗

1）制作試件：將拌和的混凝土添加到試模中，3個試件作為一組;在試件成型之后置于7℃條件下氧化，保持封閉，避免其中的水分流失。

2）測定步驟：首先在將試件清理干凈后，檢測是否存在明顯的缺陷，并測定其尺寸大小;然后設(shè)置在試驗機中，并記錄試驗過程中的破壞載荷信息。

抗壓強度的計算公式如下所示：

2 實驗結(jié)果與分析

2.1抗壓強度實驗結(jié)果

根據(jù)抗壓實驗，得到圖1所示的結(jié)果。

根據(jù)圖l可知，相對于純水泥混凝土，在加入②FA15%、SF5%以及③FA15%、SFIO%之后，抗壓強度明顯更高，其中③比②大約提升了17.86%，二者在7d抗壓強度的差距不明顯，前者略大一些。另外，其他組分的抗壓強度則低于純水泥混凝土。

2.2 混凝土抗凍試驗結(jié)果

抗凍性實驗結(jié)果如圖2和圖3所示。

根據(jù)圖中曲線變化可知，凍融循環(huán)次數(shù)是影響試件質(zhì)量損失率與相對動彈性模量的重要因素，與二者變化直接相關(guān)。在凍融循環(huán)次數(shù)持續(xù)增大時，相對動彈性模量、質(zhì)量損失率表現(xiàn)出不同的變化特征，二者分別呈現(xiàn)降低和升高的趨勢，前者最小是59.8，后者最大是2.4，達到了抗凍試驗的相關(guān)標準。總之，根據(jù)本次試驗可以證明形成的混凝土滿足了抗凍性的要求，基于FA15、SFlO的粉煤灰與硅灰摻和量達到了混凝土的強度要求。

通過上述的實驗制備混凝土，可以得到以下5點結(jié)論：

1）相對于純水泥混凝土，在加入②FA15%、SF5%以及③FA15%、SF10%玄后的3d抗壓強度明顯更高，其中③比②大約提升了17.86%。

2）硅產(chǎn)量等于10%時，前期抗壓強度明顯提升，根據(jù)FA15%、SF10%可知，前期抗壓強度與水灰比是負相關(guān)關(guān)系，即隨著水灰比的增大而減小;在試驗中水灰比提高7%，則3d、7d抗壓強度分別降低了14.6%、20%;

3） FA15%、SFIO%與FA20%、SFlO%的混凝土對比可知，在3d、7d抗壓強度上后者比前者分別低了26.52%、2.6%;添加20%的粉煤灰顯著降低了前期抗壓強度，后期影響不明顯;因此在添加粉煤灰時需要合理的設(shè)置添加量，確保其前期抗壓強度達到寒冷環(huán)境下的要求。

4）混凝土的抗壓強度會受到添加摻合料的影響，一般添加適量的摻合料能夠提升其抗壓強度，具體需要結(jié)合應(yīng)用環(huán)境來進行配合比設(shè)計。

5）硅灰與粉煤灰摻人量分別是10%、15%時，試驗中的前后期抗壓強度較高，基于此進行混凝土抗壓試驗，最終的結(jié)果顯示其抗凍能力較強，達到寒冷環(huán)境下的應(yīng)用要求。

3 制備混凝土在白拉山隧道二襯冬季抗凍融施

工中的應(yīng)用

為進一步驗證上述混凝土的性能，將上述制備的混凝土應(yīng)用到白拉山隧道的二襯施工中。在該施工中，在使用上述制備混凝土的基礎(chǔ)上，采用溫控技術(shù)，以更好的進行二襯施工。因此，在施工前，首先對圍巖與襯砌的熱傳導(dǎo)機制進行研究。

3.1圍 巖與襯砌的熱傳導(dǎo)機制

在低溫隧道的圍巖中一般存在空氣以及孔隙水等成分，假定其處于飽和狀態(tài)，則對應(yīng)熱傳導(dǎo)問題的方程如下所示：

3.2 有限元計算

在研究中發(fā)現(xiàn)，壁面溫度會對隧道溫度場產(chǎn)生較大的影響，因此研究中采用了二維模型，在有限元計算的位置設(shè)置在距離隧道口10m，此處圍巖受到溫度變化的影響更為顯著。

3.3 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

由于隧道施工過程中主要利用射流風機實現(xiàn)空氣流動，風力不大，可以直接忽略空氣流動等因素會流換熱系數(shù)產(chǎn)生的影響，這里將其設(shè)置為15W/m2.K;認為高度每升高100m，溫度降低0.74℃;另外，冰、水、混凝土以及骨架的密度分別是917、1000、2500、2300，單位均為kg/m3;四者的導(dǎo)熱系數(shù)分別是2.24、0.56、3、2.33，單位均為IW/ （m-K）;四者的比熱容分別是2090、4180、950、850，單位均為J/m3.K。

同時由于混凝土放熱時間總體比較長，大多數(shù)熱量主要是最早的3d中放出，所以將其初始溫度設(shè)置為絕熱溫升的溫度。另外水泥發(fā)熱量是330kj/kg，人膜溫度5℃，隧道中溫度-10℃C作為邊界條件。

3.4 計算結(jié)果

通過上述的有限元分析，可以得到以下2方面的仿真結(jié)果：①加溫時間與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。達到二襯混凝土養(yǎng)護要求的加溫時間與具體的環(huán)境溫度有關(guān)，其中在環(huán)境溫度分別是-5℃、-10℃、-15℃、-20℃時，對應(yīng)的加溫時間分別是5h、10h、15h、20h。②圍巖溫度變化與加溫時間的關(guān)系。如果開挖溫度是-10℃，則在30d后圍巖表面溫度變化巨大。在澆筑施工之前需要分析圍巖溫度是否達到要求，如果沒有達到5℃，則需要進行適當加熱，否則會對施工效果產(chǎn)生不利的影響。在加熱之后，圍巖中間位置會出現(xiàn)一個特殊的低溫層，其溫度明顯低于圍巖表面與內(nèi)部。③合理設(shè)置加溫時間。在研究中發(fā)現(xiàn)，如果加溫時間較長，則二襯混凝土與圍巖在施工30d之后的最高溫度更大。如果加溫時間設(shè)置為10h，則混凝土在1d內(nèi)的溫度保持在5.3℃以上，此時能夠達到施工的要求。因此在實際施工過程中可以將加溫時間設(shè)置為10h，施工溫度保持在10℃，以此在滿足施工要求的基礎(chǔ)上降低了成本。

4 結(jié)語

通過上述的研究看出，本實驗制備的混凝土應(yīng)用到嘎隆拉隧道二襯施工中，通過有限元分析，并結(jié)合一定的溫控技術(shù)，可達到工程用的抗凍性要求，說明本文制備的混凝土滿足高寒隧道施工下的相關(guān)性能，說明本文的混凝土構(gòu)建方案具有可行性。

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