高寒地區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隧道的混凝土，并將制備的混凝土結合溫控技術應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合溫控技術，能夠滿足高寒地區隧道施工中對抗凍融的要求，具有一定的工程實踐的價值。

關鍵詞：高寒地區;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

受到季節變化的影響，隧道圍巖存在明顯的凍融循環過程，長期受此影響容易引發明顯的凍脹現象，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，實現了廢物利用，環保性較高。隨著在混凝土外慘料領域的研究深入，出現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用?；谶@種方式有助于降低混凝土的內部溫度，改善了混凝土的抗滲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用環境，并采用合理的添加量，否則無法保證達到預期的效果。例如在滲量過大或者過小時都會影響到混凝土的性能。本文針對高寒地區隧道二襯混凝土的應用性能進行了研究，并對其配合比進行了優化設計，使其能夠在高寒區隧道環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，相關的參數如表1所示。

1.1.2 粉煤灰

等級為II，具體的成分以及含量參數如表2所示。

1.1.3硅灰

具體的性能參數如表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，該地區處于西藏自治區，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。基于以上要求，提出如表4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，對應的尺寸是lOOmmxlOOmm×400mm;后者采用立方體結構，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設置為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）結合凍融試驗規范開展試驗操作，養護等需要達到試驗的要求。

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

3）冷凍和融化結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，另外試件內外溫度差應該控制在28℃以內。

5）融化與冷凍轉換時間通常不能太長，盡量控制在10min之內。在試驗完成之后，記錄相關的數據，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 實驗結果與分析

2.1抗壓強度實驗結果

根據抗壓實驗，得到圖1所示的結果。

根據圖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 混凝土抗凍試驗結果

抗凍性實驗結果如圖2和圖3所示。

根據圖中曲線變化可知，凍融循環次數是影響試件質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。在凍融循環次數持續增大時，相對動彈性模量、質量損失率表現出不同的變化特征，二者分別呈現降低和升高的趨勢，前者最小是59.8，后者最大是2.4，達到了抗凍試驗的相關標準?？傊?，根據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）硅產量等于10%時，前期抗壓強度明顯提升，根據FA15%、SF10%可知，前期抗壓強度與水灰比是負相關關系，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置添加量，確保其前期抗壓強度達到寒冷環境下的要求。

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，具體需要結合應用環境來進行配合比設計。

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，最終的結果顯示其抗凍能力較強，達到寒冷環境下的應用要求。

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上，采用溫控技術，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機制進行研究。

3.1圍 巖與襯砌的熱傳導機制

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，則對應熱傳導問題的方程如下所示：

3.2 有限元計算

在研究中發現，壁面溫度會對隧道溫度場產生較大的影響，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 邊界條件與參數設置

由于隧道施工過程中主要利用射流風機實現空氣流動，風力不大，可以直接忽略空氣流動等因素會流換熱系數產生的影響，這里將其設置為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;四者的導熱系數分別是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，大多數熱量主要是最早的3d中放出，所以將其初始溫度設置為絕熱溫升的溫度。另外水泥發熱量是330kj/kg，人膜溫度5℃，隧道中溫度-10℃C作為邊界條件。

3.4 計算結果

通過上述的有限元分析，可以得到以下2方面的仿真結果：①加溫時間與環境溫度之間的關系。達到二襯混凝土養護要求的加溫時間與具體的環境溫度有關，其中在環境溫度分別是-5℃、-10℃、-15℃、-20℃時，對應的加溫時間分別是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生不利的影響。在加熱之后，圍巖中間位置會出現一個特殊的低溫層，其溫度明顯低于圍巖表面與內部。③合理設置加溫時間。在研究中發現，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。如果加溫時間設置為10h，則混凝土在1d內的溫度保持在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置為10h，施工溫度保持在10℃，以此在滿足施工要求的基礎上降低了成本。

4 結語

通過上述的研究看出，本實驗制備的混凝土應用到嘎隆拉隧道二襯施工中，通過有限元分析，并結合一定的溫控技術，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性能，說明本文的混凝土構建方案具有可行性。

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