隧洞襯砌混凝土工程溫控應(yīng)用研究

辜振睿，方博，陳偉，侯維紅，紀(jì)憲坤

（1. 武漢三源特種建材有限責(zé)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(jié)構(gòu)物的尺寸增大、強(qiáng)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(yīng)集中放熱，熱量快速蓄積于混凝土內(nèi)部，且混凝土是熱的不良導(dǎo)體，使得混凝土內(nèi)部升溫過快、過高，混凝土內(nèi)外溫差過大。不同部位的混凝土結(jié)構(gòu)物，其外部存在各種不同的約束條件，內(nèi)外溫差過大會在混凝土中產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時，溫度裂縫隨之產(chǎn)生。溫度收縮容易引起混凝土結(jié)構(gòu)物早期、后期非載荷裂縫的增多的現(xiàn)象的發(fā)生[1-3]，進(jìn)一步影響混凝土結(jié)構(gòu)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(fēng)條件有限，內(nèi)部環(huán)境溫度較高，在高溫季節(jié)施工，很容易由于溫度應(yīng)力過大在被約束的條件下產(chǎn)生裂縫，因此，本研究通過混凝土配合比的設(shè)計調(diào)整，摻入水化熱抑制劑 HHC-S，以及對現(xiàn)場混凝土溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測，對比其溫控效果；并進(jìn)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(jié)時間差以及不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度比等性能。

基于此，通過調(diào)控混凝土溫升歷程降低混凝土結(jié)構(gòu)物早期溫升，以減小混凝土溫度收縮應(yīng)力，從而降低混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險[4-7]。

1 工程信息概況

本次工程應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部絕對溫升值高；襯砌設(shè)計厚度為0.5m（由于爆破圍巖厚度不同、導(dǎo)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(xì)度模數(shù) 2.1。

碎石：當(dāng)?shù)厥沂V，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(zé)任公司。

2.2 儀器設(shè)備

預(yù)埋式測溫線：參數(shù)符合 GB/T 51028—2015《大體積混凝土溫度測控技術(shù)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(qiáng)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(qiáng)度；混凝土試驗配合比采用實際生產(chǎn)配合比。

2.3.2 混凝土初始坍落度及其經(jīng)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(dá)到溫峰—降溫至室溫的整個溫度變化歷程。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 混凝土試配

相關(guān)混凝土各項物理性能試驗均采用現(xiàn)場混凝土實際生產(chǎn)配合比，設(shè)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(diào)整減水劑的用量調(diào)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(qiáng)度

3.2 試驗測溫設(shè)備的準(zhǔn)備

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

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(shù)規(guī)范》中 5.1.3 中要求的“溫度監(jiān)測儀器應(yīng)定期進(jìn)行校準(zhǔn)，其允許誤差不應(yīng)大于 0.5℃”

3.3 混凝土內(nèi)部溫度歷程測試與結(jié)果分析

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

混凝土溫升試驗數(shù)據(jù)見表 3 所示。空白、摻HHC-S 水化熱抑制劑混凝土中心部 25cm、巖層側(cè)5cm、空層側(cè) 5cm 的溫升曲線見圖 2、圖 3 所示。

圖 1 隧洞襯砌設(shè)計及埋線圖

進(jìn)行試驗段工程應(yīng)用時，隧道未完全打通，所以隧道內(nèi)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(xiàn)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(dá)溫峰之前，且混凝土強(qiáng)度已滿足拆模強(qiáng)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(dá)到溫峰且內(nèi)外溫差較大，超出規(guī)定值時，應(yīng)采取合適的保溫措施。

表 3 混凝土溫升試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

（1）在混凝土工程應(yīng)用試驗中，對比空白混凝土，摻 HHC-S 水化熱抑制劑，通過調(diào)控混凝土的早期水化進(jìn)程，避免了膠凝材料早期水化反應(yīng)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(qiáng)度有不同程度的降低。但其后強(qiáng)度增長穩(wěn)定，7d與空白混凝土近似、28d 混凝土抗壓強(qiáng)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(jié)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(jié)構(gòu)物內(nèi)外溫差，從而降低混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險，但需要注意提前作好混凝土試配，控制、協(xié)調(diào)混凝土的凝結(jié)時間、拆模時間與現(xiàn)場施工進(jìn)度。確保混凝土的里、表、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(dá)到溫峰后內(nèi)外溫差超出規(guī)定值時，應(yīng)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