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，這就出現了高溫地熱水的問題。尤其在開挖深度較大的隧洞中，出現了嚴重的高地溫現象，這對混凝土襯砌強度產生較大的影響。許多學者針對這一現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］根據布倫口－公格爾水電站引水隧洞存在的高溫差環境，對混凝土襯砌進行劈拉實驗，最終提出高溫差環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，在不同溫濕度環境下養護混凝土，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喀什市塔什庫爾干塔吉克自治縣境內的塔什庫爾干河上。工程區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號洞的洞內溫度較高，巖壁溫度最高可達100℃以上，由于洞內不斷通風降溫，空氣溫度也有60℃左右，在部分洞段還有地熱水的出現，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。應優先選用天然砂，也可采用人工砂。砂的細度模數宜為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范的有關規定，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

根據隧洞的溫濕度數據，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的養護后，進行抗壓試驗，抗壓數據見表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境下養護的試塊，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境下養護的試塊，低溫高濕環境下的試塊抗壓強度基本與其接近，標準養護的試塊強度最低，這反映出:高溫條件下，促進了混凝土內部的水化反應，使試塊的強度在7d內得到很好的提高。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現，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，發現噴射法的試塊內部存在大量的空隙，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圖中發現，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相比發現，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相比較發現，60℃環境下的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，從而在短期內迅速提高混凝土的強度。

5 結論

在高濕環境低溫范圍內，溫度的變化幾乎不會影響混凝土內部的水化反應，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部的水化反應，同時也能在短期內提高混凝土的強度。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.預應力混凝土連續梁橋支座更換及梁體復位施工監控研究［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.