隧道內(nèi)溫差較大段落添加膨脹劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響分析

摘 ? 要：本次研究分析主要依托的項(xiàng)目是在高海拔地區(qū)的長(zhǎng)隧道施工過(guò)程中，因高原條件下造成了洞外及洞內(nèi)施工過(guò)程中段落范圍內(nèi)晝夜溫差較大，在按原設(shè)計(jì)完成洞內(nèi)混凝土襯砌一個(gè)月內(nèi)，發(fā)生了較長(zhǎng)段的裂縫和變形。為了改善隧道內(nèi)襯砌混凝土的強(qiáng)度我們決定通過(guò)添加適量膨脹劑，通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)于海拔約4000m地區(qū)，養(yǎng)護(hù)條件對(duì)隧道內(nèi)混凝土最終強(qiáng)度影響較大，同時(shí)得出當(dāng)膨脹劑摻配比例為4%時(shí)最為合適。將結(jié)論應(yīng)用于實(shí)踐，在襯砌C40混凝土內(nèi)添加了4%比例的膨脹劑，效果良好。

關(guān)鍵詞：溫差大 ?膨脹劑 ?隧道內(nèi)混凝土強(qiáng)度 ?膨脹量 ?摻配比例

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.91 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）05（a）-0058-06

Abstract： This research and analysis mainly relies on the project that during the construction of long tunnels in high altitude areas， due to the high altitude conditions， the temperature difference between day and night inside and outside the tunnel during the construction process is relatively large. Within one month after the concrete lining in the tunnel is completed according to the original design， cracks and deformation occurred in a long section. In order to improve the strength of lining concrete in the tunnel， we decided to add a proper amount of expansive agent. Through comparative analysis， for the area with an altitude of about 4000m， the curing conditions have a greater impact on the final strength of the concrete in the tunnel， and at the same time， it is concluded that when the proportion of expansive agent is 4%， it is the most appropriate. The conclusion is applied to practice and 4% expansive agent is added into lining C40 concrete， with good effect.

Key Words： Large temperature difference;Expansion agent; Concrete strength in tunnel; Expansion amount; Mixing ratio

1 ?引言

膨脹劑作為一種補(bǔ)償收縮劑，目前已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)建筑中[1]，在混凝土中加入適量的膨脹劑后，膨脹劑會(huì)與混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石結(jié)晶顆粒，使混凝土的體積在水化和硬化的過(guò)程中產(chǎn)生適度膨脹，建立一定的預(yù)應(yīng)壓力，這種壓力基本上可以抵消混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而減少混凝土的干縮裂縫產(chǎn)生來(lái)提高其抗裂性能。另一方面，水化生成的鈣礬石晶體能填充、阻塞混凝土的毛細(xì)孔，改變混凝土的孔結(jié)構(gòu)和孔級(jí)配，使有害孔減少，無(wú)害孔增多，總孔隙率還有所降低，使混凝土的密實(shí)度提高，從而增大了混凝土的耐久性[2]。

本次分析研究依托的項(xiàng)目是位于海拔較高（海拔約4000m）地區(qū)某隧道建設(shè)過(guò)程中，由于地處高原，自然條件比較特殊，在缺氧狀態(tài)下晝夜溫差較大，造成洞內(nèi)洞外不同段落會(huì)出現(xiàn)完全迥異的混凝土養(yǎng)護(hù)條件，由于對(duì)特殊條件的疏于判斷，在按原設(shè)計(jì)完成洞內(nèi)常規(guī)混凝土襯砌一個(gè)月內(nèi)，發(fā)生了較長(zhǎng)段的混凝土裂縫和洞內(nèi)襯砌變形。介于添加膨脹劑后的混凝土具有抗凍性、抗裂性、耐久性等方面的特性，我們決定對(duì)混凝土內(nèi)添加適當(dāng)計(jì)量的膨脹劑，以此來(lái)改善混凝土密實(shí)度并起到防止裂縫和變形產(chǎn)生。由于膨脹劑種類(lèi)和摻量參數(shù)不同，與所使用的水泥、摻合料、外加劑的相容性不同，所以要求對(duì)使用的膨脹劑，進(jìn)行混凝土試配，以確定合適的施工配合比[3]，加之本隧道為國(guó)內(nèi)高海拔地區(qū)第一個(gè)開(kāi)建類(lèi)似項(xiàng)目，為了結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，故需做膨脹劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的相應(yīng)影響分析。

2 ?項(xiàng)目概況及條件

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)為行車(chē)主洞和平行導(dǎo)洞二條平行隧道，主洞是二級(jí)公路（40km/h）單洞雙向行車(chē)，平行導(dǎo)洞作為主洞的服務(wù)通道在運(yùn)營(yíng)期起到逃生救援之用，平行導(dǎo)洞距離主洞測(cè)設(shè)中心線右側(cè)25m，按一車(chē)行橫洞、二人行橫洞布設(shè)。主洞隧道全長(zhǎng)4800m，隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)高程3970.736m，大氣壓強(qiáng)為63.885kPa;出口設(shè)計(jì)高程3905.71m，大氣壓強(qiáng)為64.054kPa。隧道平面位于直線上，襯砌采用C40鋼筋泵送混凝土。本隧道地區(qū)極端最高氣溫33.4℃，極端最低氣溫-20.7℃，凍結(jié)月份為12月至來(lái)年2月。

項(xiàng)目所在高原地區(qū)，客觀存在的晝夜溫差大、干燥、缺氧、低氣壓等不利因素使得已經(jīng)較為成熟的外加劑使用方法在高原地區(qū)具有一定的局限性，特別是在冬季施工過(guò)程中，養(yǎng)護(hù)條件不穩(wěn)定造成混凝土在齡期內(nèi)強(qiáng)度難以滿足設(shè)計(jì)需要，以致于混凝土開(kāi)裂造成很大的質(zhì)量缺陷。鑒于以上原因，我們從養(yǎng)護(hù)條件入手，通過(guò)在標(biāo)養(yǎng)條件、晝夜溫差較大的同等養(yǎng)護(hù)條件和較為恒定溫度的同等養(yǎng)護(hù)條件下，分析混凝土抗壓強(qiáng)度、膨脹量等參數(shù)在不同齡期的增長(zhǎng)規(guī)律，以此來(lái)確定膨脹劑的最佳摻入比。

3 ?膨脹劑對(duì)混凝土強(qiáng)度影響分析

3.1 摻入膨脹劑主要物理性能

本次分析實(shí)驗(yàn)采用的膨脹劑屬于U型膨脹劑，可以減少混凝土干縮裂縫，提高抗裂性和抗?jié)B性，加快機(jī)械設(shè)備和構(gòu)件的安裝質(zhì)量。早期強(qiáng)度發(fā)展快，有效補(bǔ)償混凝土收縮;長(zhǎng)期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)，對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕。摻加膨脹劑的主要物理性能[4]見(jiàn)表1。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，采用C40泵送混凝土成型試件，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)采用混凝土抗壓強(qiáng)度，結(jié)合《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）[5]相關(guān)要求，抗壓強(qiáng)度試塊尺寸采用150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)試塊，膨脹率試塊尺寸采用100mm×100mm×300mm標(biāo)準(zhǔn)試塊，塌落度為18～22cm。試件于施工期間10月下旬施做，養(yǎng)護(hù)周期28天，養(yǎng)護(hù)條件分別為：條件一（實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)）、條件二（距離隧道口50m處養(yǎng)護(hù)）、條件三（距離隧道口500m處養(yǎng)護(hù)）。

因?yàn)楦咴淼来嬖谥温錅夭钶^大現(xiàn)象，膨脹劑在溫度不同時(shí)會(huì)發(fā)生不同的膨脹量，故本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)經(jīng)驗(yàn)摻量值0%～12%區(qū)間取值進(jìn)行分析對(duì)比，摻配比例分別按0%、4%、8%、12%，養(yǎng)護(hù)齡期分別為3、7、28天。

3.3 養(yǎng)護(hù)期間溫度變化情況

實(shí)驗(yàn)中養(yǎng)護(hù)條件為：條件一（實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)）溫度設(shè)定為20℃，濕度不低于90%;條件二（距離隧道口內(nèi)50m位置）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集分析出現(xiàn)晝夜溫差較大狀態(tài)，實(shí)測(cè)平均濕度為31%;條件三（距離隧道口內(nèi)500m位置）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集分析基本為恒溫狀態(tài)，溫度為11℃，實(shí)測(cè)平均濕度為52%。具體養(yǎng)護(hù)條件見(jiàn)表2 。

在實(shí)驗(yàn)中養(yǎng)護(hù)條件二的晝夜溫差比較大，我們?cè)陴B(yǎng)護(hù)條件二下分別對(duì)養(yǎng)護(hù)期間的溫度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集及分析，數(shù)據(jù)采集時(shí)間分別為早上8：00時(shí);下午14：00時(shí)，晚上20：00時(shí)及午夜24：00時(shí)。具體溫度變化曲線見(jiàn)圖1。

3.4 不同摻量在相同養(yǎng)護(hù)條件下強(qiáng)度影響分析

3.4.1 不同摻量在3d齡期時(shí)混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析

在3d齡期時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)脫模時(shí)間和施工周期影響較大，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以看出整體混凝土抗壓強(qiáng)度隨著膨脹劑摻量的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì);在條件二情況下的整體強(qiáng)度較低，說(shuō)明存在溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度降低的影響因素，而從整個(gè)強(qiáng)度差值分析，膨脹劑摻量對(duì)條件二情況下的強(qiáng)度影響并不大;在條件三情況下，隨著膨脹劑摻量的增多混凝土強(qiáng)度是逐漸減小的，在4%摻量和8%摻量下強(qiáng)度影響變化只相差5%，相對(duì)混凝土強(qiáng)度變化不大。

以上數(shù)據(jù)分析說(shuō)明在3d齡期時(shí)，通過(guò)調(diào)整膨脹劑摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的提升是沒(méi)有任何作用的，甚至于強(qiáng)度出現(xiàn)普遍降低情況。具體強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖2。

3.4.2 不同摻量在7d齡期時(shí)混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析

在7d養(yǎng)護(hù)齡期情況下，除了膨脹劑4%摻量時(shí)，混凝土的強(qiáng)度略有提升，其他摻量比例隨著膨脹劑的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度有下降的趨勢(shì);在條件一和條件二情況下，8%摻量和12%摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度影響并不明顯，相對(duì)只有1%～5%，說(shuō)明膨脹劑隨著摻量的增多，對(duì)混凝土強(qiáng)度提升作用機(jī)理發(fā)揮不甚明顯。7d齡期與3d齡期進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋梢钥闯龌炷恋膹?qiáng)度是有明顯提升的，特別是4%摻量在各種條件下，混凝土的強(qiáng)度達(dá)到了33%～43%的提升。具體強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖3。

3.4.3 不同摻量在28d齡期時(shí)混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析

在28d養(yǎng)護(hù)齡期情況下，除了膨脹劑4%摻量時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度在條件一情況下基本滿足要求外，其他摻量和其他條件下均未能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。從總體摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度影響規(guī)律來(lái)看，除了4%摻量時(shí)在各條件下抗壓強(qiáng)度略有提高外，其他摻量隨著膨脹劑的摻量增多，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。28d齡期與7d齡期進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋梢钥闯龌炷恋膹?qiáng)度是有明顯提升的，特別是4%摻量在各種條件下，混凝土的強(qiáng)度達(dá)到了33%～48%的提升。具體強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖4。

3.5 相同摻量在不同養(yǎng)護(hù)條件時(shí)混凝土膨脹量變化數(shù)據(jù)分析

3.5.1 在0%摻量時(shí)混凝土不同養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹量對(duì)比分析

在膨脹劑摻量為0%的情況下，開(kāi)始混凝土與水泥、水、骨料等發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)作用，由變化規(guī)律可以看出養(yǎng)護(hù)條件對(duì)膨脹量影響作用明顯，最初3d在水泥內(nèi)各種成分化學(xué)作用下混凝土顯示膨脹現(xiàn)象，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，均有收縮情況發(fā)生。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以明顯看出，條件一與條件三膨脹數(shù)值較為接近，特別是在養(yǎng)護(hù)齡期接近28d時(shí)，膨脹量基本接近。但條件二對(duì)混凝土膨脹性影響較大，由于溫差較大的原因，膨脹量與其他兩個(gè)條件下的相差約15%。具體混凝土膨脹量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、變化曲線見(jiàn)圖5。

3.5.2 在4%摻量時(shí)混凝土不同養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹量對(duì)比分析

在膨脹劑4%摻量情況下，膨脹量的數(shù)值相比0%摻量整體明顯增大，增長(zhǎng)趨勢(shì)先增大后減小。從數(shù)據(jù)分析來(lái)看，雖然在養(yǎng)護(hù)齡期3～7d時(shí)，三種條件下的膨脹量呈現(xiàn)出不太規(guī)律的變化，但是隨著齡期增長(zhǎng)，條件二和條件三的膨脹量趨向于比較接近，條件一的膨脹量稍微有所降低，但是和其他兩個(gè)條件下的膨脹量相差在2%左右，也不算明顯，說(shuō)明在自然養(yǎng)護(hù)條件下，盡管段落溫差較大，但摻量為4%時(shí)的膨脹量對(duì)于施工影響較小。具體混凝土膨脹量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、變化曲線見(jiàn)圖6。

3.5.3 在8%摻量時(shí)混凝土不同養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹量對(duì)比分析

在膨脹劑8%摻量情況下，開(kāi)始膨脹量差異較大，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)到3d時(shí)，條件二與條件三的膨脹量比較接近，而條件一的膨脹量相比4%摻量時(shí)與其他兩個(gè)條件的膨脹量相差更大。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，三個(gè)條件下的膨脹量分別呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，并且每個(gè)條件下的膨脹量差異變大，特別是在28d齡期時(shí)各條件下的膨脹量完全沒(méi)有接近趨勢(shì)，數(shù)據(jù)說(shuō)明在自然養(yǎng)護(hù)條件下，由于養(yǎng)護(hù)條件的不同，在膨脹劑摻量為8%時(shí)，膨脹量對(duì)于施工影響也逐漸有所增大。具體混凝土膨脹量數(shù)據(jù)見(jiàn)表5、變化曲線見(jiàn)圖7。

3.5.4 在12%摻量時(shí)混凝土不同養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹量對(duì)比分析

在膨脹劑12%摻量情況下，與其他少摻量情況縱向?qū)Ρ?，三個(gè)條件下的混凝土膨脹量明顯增加，說(shuō)明膨脹劑作用明顯，但與8%摻量對(duì)比時(shí)，特別是在3d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)的膨脹量卻明顯增長(zhǎng)不足，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，三個(gè)條件下的混凝土膨脹量都分別呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，并且每個(gè)條件下的膨脹量差異變大，特別是在28d齡期時(shí)各條件下的膨脹量相差在7%～11%左右。數(shù)據(jù)說(shuō)明在自然養(yǎng)護(hù)條件下，隨著養(yǎng)護(hù)條件的不同，在膨脹劑摻量為12%時(shí)，膨脹量對(duì)于施工影響也逐漸變大。具體混凝土膨脹量數(shù)據(jù)見(jiàn)表6、變化曲線見(jiàn)圖8。

3.6 結(jié)論分析

通過(guò)對(duì)混凝土中膨脹劑摻量的改變，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集整理發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)條件對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度影響明顯，無(wú)論摻量如何改變，條件一下的抗壓強(qiáng)度永遠(yuǎn)好于另外兩個(gè)條件。如果自然養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行對(duì)比，在膨脹劑4%摻量時(shí)的抗壓強(qiáng)度整體好于其他摻量，并且溫差的大小對(duì)于抗壓強(qiáng)度的影響差異不到2%。針對(duì)隧道內(nèi)不同段落溫差較大情況，對(duì)不同摻量下膨脹量的分析對(duì)比，摻量為4%時(shí)的膨脹量在三種條件下相對(duì)差異較小，對(duì)于施工影響也較小。

4 ?總論及實(shí)踐

通過(guò)對(duì)比分析，在海拔約4000m地區(qū)，養(yǎng)護(hù)條件對(duì)隧道內(nèi)襯砌混凝土最終強(qiáng)度影響較大，分別在隧道襯砌混凝土中摻配0%、4%、8%、12%比例的膨脹劑，混凝土抗壓強(qiáng)度均有所不同，綜合考慮隧道內(nèi)混凝土強(qiáng)度提升和膨脹量差異小等多重因素，最終得出當(dāng)膨脹劑摻量為4%的時(shí)候是最為合適的。結(jié)合本次分析，我們對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)隧道裂縫和變形段進(jìn)行了拆除重建，并在襯砌C40混凝土內(nèi)添加了4%比例的膨脹劑，效果良好，目前隧道已建成通車(chē)，洞內(nèi)襯砌并未發(fā)現(xiàn)有任何裂縫和變形出現(xiàn)。

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