隧道內溫差較大段落添加膨脹劑對混凝土強度的影響分析

摘 ? 要：本次研究分析主要依托的項目是在高海拔地區的長隧道施工過程中，因高原條件下造成了洞外及洞內施工過程中段落范圍內晝夜溫差較大，在按原設計完成洞內混凝土襯砌一個月內，發生了較長段的裂縫和變形。為了改善隧道內襯砌混凝土的強度我們決定通過添加適量膨脹劑，通過對比分析，對于海拔約4000m地區，養護條件對隧道內混凝土最終強度影響較大，同時得出當膨脹劑摻配比例為4%時最為合適。將結論應用于實踐，在襯砌C40混凝土內添加了4%比例的膨脹劑，效果良好。

關鍵詞：溫差大 ?膨脹劑 ?隧道內混凝土強度 ?膨脹量 ?摻配比例

中圖分類號：U455.91 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

膨脹劑作為一種補償收縮劑，目前已廣泛應用于各類建筑中[1]，在混凝土中加入適量的膨脹劑后，膨脹劑會與混凝土中的氫氧化鈣發生反應，生成鈣礬石結晶顆粒，使混凝土的體積在水化和硬化的過程中產生適度膨脹，建立一定的預應壓力，這種壓力基本上可以抵消混凝土在凝結硬化過程中產生的拉應力，從而減少混凝土的干縮裂縫產生來提高其抗裂性能。另一方面，水化生成的鈣礬石晶體能填充、阻塞混凝土的毛細孔，改變混凝土的孔結構和孔級配，使有害孔減少，無害孔增多，總孔隙率還有所降低，使混凝土的密實度提高，從而增大了混凝土的耐久性[2]。

本次分析研究依托的項目是位于海拔較高（海拔約4000m）地區某隧道建設過程中，由于地處高原，自然條件比較特殊，在缺氧狀態下晝夜溫差較大，造成洞內洞外不同段落會出現完全迥異的混凝土養護條件，由于對特殊條件的疏于判斷，在按原設計完成洞內常規混凝土襯砌一個月內，發生了較長段的混凝土裂縫和洞內襯砌變形。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，我們決定對混凝土內添加適當計量的膨脹劑，以此來改善混凝土密實度并起到防止裂縫和變形產生。由于膨脹劑種類和摻量參數不同，與所使用的水泥、摻合料、外加劑的相容性不同，所以要求對使用的膨脹劑，進行混凝土試配，以確定合適的施工配合比[3]，加之本隧道為國內高海拔地區第一個開建類似項目，為了結合項目實際情況，故需做膨脹劑對混凝土強度的相應影響分析。

2 ?項目概況及條件

本項目設計為行車主洞和平行導洞二條平行隧道，主洞是二級公路（40km/h）單洞雙向行車，平行導洞作為主洞的服務通道在運營期起到逃生救援之用，平行導洞距離主洞測設中心線右側25m，按一車行橫洞、二人行橫洞布設。主洞隧道全長4800m，隧道進口設計高程3970.736m，大氣壓強為63.885kPa;出口設計高程3905.71m，大氣壓強為64.054kPa。隧道平面位于直線上，襯砌采用C40鋼筋泵送混凝土。本隧道地區極端最高氣溫33.4℃，極端最低氣溫-20.7℃，凍結月份為12月至來年2月。

項目所在高原地區，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較為成熟的外加劑使用方法在高原地區具有一定的局限性，特別是在冬季施工過程中，養護條件不穩定造成混凝土在齡期內強度難以滿足設計需要，以致于混凝土開裂造成很大的質量缺陷。鑒于以上原因，我們從養護條件入手，通過在標養條件、晝夜溫差較大的同等養護條件和較為恒定溫度的同等養護條件下，分析混凝土抗壓強度、膨脹量等參數在不同齡期的增長規律，以此來確定膨脹劑的最佳摻入比。

3 ?膨脹劑對混凝土強度影響分析

3.1 摻入膨脹劑主要物理性能

本次分析實驗采用的膨脹劑屬于U型膨脹劑，可以減少混凝土干縮裂縫，提高抗裂性和抗滲性，加快機械設備和構件的安裝質量。早期強度發展快，有效補償混凝土收縮;長期強度穩定增長，對鋼筋無銹蝕。摻加膨脹劑的主要物理性能[4]見表1。

3.2 實驗設計

本次實驗結合項目實際情況，采用C40泵送混凝土成型試件，強度標準采用混凝土抗壓強度，結合《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）[5]相關要求，抗壓強度試塊尺寸采用150mm×150mm×150mm標準試塊，膨脹率試塊尺寸采用100mm×100mm×300mm標準試塊，塌落度為18～22cm。試件于施工期間10月下旬施做，養護周期28天，養護條件分別為：條件一（實驗室標準養護）、條件二（距離隧道口50m處養護）、條件三（距離隧道口500m處養護）。

因為高原隧道存在著段落溫差較大現象，膨脹劑在溫度不同時會發生不同的膨脹量，故本次實驗針對經驗摻量值0%～12%區間取值進行分析對比，摻配比例分別按0%、4%、8%、12%，養護齡期分別為3、7、28天。

3.3 養護期間溫度變化情況

實驗中養護條件為：條件一（實驗室內試件標準養護）溫度設定為20℃，濕度不低于90%;條件二（距離隧道口內50m位置）現場數據采集分析出現晝夜溫差較大狀態，實測平均濕度為31%;條件三（距離隧道口內500m位置）通過現場數據采集分析基本為恒溫狀態，溫度為11℃，實測平均濕度為52%。具體養護條件見表2 。

在實驗中養護條件二的晝夜溫差比較大，我們在養護條件二下分別對養護期間的溫度變化數據進行了采集及分析，數據采集時間分別為早上8：00時;下午14：00時，晚上20：00時及午夜24：00時。具體溫度變化曲線見圖1。

3.4 不同摻量在相同養護條件下強度影響分析

3.4.1 不同摻量在3d齡期時混凝土強度數據分析

在3d齡期時混凝土抗壓強度對脫模時間和施工周期影響較大，通過數據分析可以看出整體混凝土抗壓強度隨著膨脹劑摻量的增加呈現下降趨勢;在條件二情況下的整體強度較低，說明存在溫度對混凝土強度降低的影響因素，而從整個強度差值分析，膨脹劑摻量對條件二情況下的強度影響并不大;在條件三情況下，隨著膨脹劑摻量的增多混凝土強度是逐漸減小的，在4%摻量和8%摻量下強度影響變化只相差5%，相對混凝土強度變化不大。

以上數據分析說明在3d齡期時，通過調整膨脹劑摻量對混凝土強度的提升是沒有任何作用的，甚至于強度出現普遍降低情況。具體強度數據對比見圖2。

3.4.2 不同摻量在7d齡期時混凝土強度數據分析

在7d養護齡期情況下，除了膨脹劑4%摻量時，混凝土的強度略有提升，其他摻量比例隨著膨脹劑的增加，混凝土抗壓強度有下降的趨勢;在條件一和條件二情況下，8%摻量和12%摻量對混凝土強度影響并不明顯，相對只有1%～5%，說明膨脹劑隨著摻量的增多，對混凝土強度提升作用機理發揮不甚明顯。7d齡期與3d齡期進行縱向對比，可以看出混凝土的強度是有明顯提升的，特別是4%摻量在各種條件下，混凝土的強度達到了33%～43%的提升。具體強度數據對比見圖3。

3.4.3 不同摻量在28d齡期時混凝土強度數據分析

在28d養護齡期情況下，除了膨脹劑4%摻量時，混凝土的抗壓強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到設計強度。從總體摻量對混凝土強度影響規律來看，除了4%摻量時在各條件下抗壓強度略有提高外，其他摻量隨著膨脹劑的摻量增多，混凝土的抗壓強度呈現逐漸減少的趨勢。28d齡期與7d齡期進行縱向對比，可以看出混凝土的強度是有明顯提升的，特別是4%摻量在各種條件下，混凝土的強度達到了33%～48%的提升。具體強度數據對比見圖4。

3.5 相同摻量在不同養護條件時混凝土膨脹量變化數據分析

3.5.1 在0%摻量時混凝土不同養護條件下的膨脹量對比分析

在膨脹劑摻量為0%的情況下，開始混凝土與水泥、水、骨料等發生復雜的物理、化學作用，由變化規律可以看出養護條件對膨脹量影響作用明顯，最初3d在水泥內各種成分化學作用下混凝土顯示膨脹現象，隨著養護齡期增長，均有收縮情況發生。由實驗數據可以明顯看出，條件一與條件三膨脹數值較為接近，特別是在養護齡期接近28d時，膨脹量基本接近。但條件二對混凝土膨脹性影響較大，由于溫差較大的原因，膨脹量與其他兩個條件下的相差約15%。具體混凝土膨脹量數據見表3、變化曲線見圖5。

3.5.2 在4%摻量時混凝土不同養護條件下的膨脹量對比分析

在膨脹劑4%摻量情況下，膨脹量的數值相比0%摻量整體明顯增大，增長趨勢先增大后減小。從數據分析來看，雖然在養護齡期3～7d時，三種條件下的膨脹量呈現出不太規律的變化，但是隨著齡期增長，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，但是和其他兩個條件下的膨脹量相差在2%左右，也不算明顯，說明在自然養護條件下，盡管段落溫差較大，但摻量為4%時的膨脹量對于施工影響較小。具體混凝土膨脹量數據見表4、變化曲線見圖6。

3.5.3 在8%摻量時混凝土不同養護條件下的膨脹量對比分析

在膨脹劑8%摻量情況下，開始膨脹量差異較大，隨著養護齡期增長到3d時，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%摻量時與其他兩個條件的膨脹量相差更大。隨著養護齡期增長，三個條件下的膨脹量分別呈現減少趨勢，并且每個條件下的膨脹量差異變大，特別是在28d齡期時各條件下的膨脹量完全沒有接近趨勢，數據說明在自然養護條件下，由于養護條件的不同，在膨脹劑摻量為8%時，膨脹量對于施工影響也逐漸有所增大。具體混凝土膨脹量數據見表5、變化曲線見圖7。

3.5.4 在12%摻量時混凝土不同養護條件下的膨脹量對比分析

在膨脹劑12%摻量情況下，與其他少摻量情況縱向對比，三個條件下的混凝土膨脹量明顯增加，說明膨脹劑作用明顯，但與8%摻量對比時，特別是在3d養護齡期時的膨脹量卻明顯增長不足，隨著養護齡期的增長，三個條件下的混凝土膨脹量都分別呈現減少趨勢，并且每個條件下的膨脹量差異變大，特別是在28d齡期時各條件下的膨脹量相差在7%～11%左右。數據說明在自然養護條件下，隨著養護條件的不同，在膨脹劑摻量為12%時，膨脹量對于施工影響也逐漸變大。具體混凝土膨脹量數據見表6、變化曲線見圖8。

3.6 結論分析

通過對混凝土中膨脹劑摻量的改變，進行試驗數據采集整理發現，養護條件對于混凝土的抗壓強度影響明顯，無論摻量如何改變，條件一下的抗壓強度永遠好于另外兩個條件。如果自然養護條件下進行對比，在膨脹劑4%摻量時的抗壓強度整體好于其他摻量，并且溫差的大小對于抗壓強度的影響差異不到2%。針對隧道內不同段落溫差較大情況，對不同摻量下膨脹量的分析對比，摻量為4%時的膨脹量在三種條件下相對差異較小，對于施工影響也較小。

4 ?總論及實踐

通過對比分析，在海拔約4000m地區，養護條件對隧道內襯砌混凝土最終強度影響較大，分別在隧道襯砌混凝土中摻配0%、4%、8%、12%比例的膨脹劑，混凝土抗壓強度均有所不同，綜合考慮隧道內混凝土強度提升和膨脹量差異小等多重因素，最終得出當膨脹劑摻量為4%的時候是最為合適的。結合本次分析，我們對項目內隧道裂縫和變形段進行了拆除重建，并在襯砌C40混凝土內添加了4%比例的膨脹劑，效果良好，目前隧道已建成通車，洞內襯砌并未發現有任何裂縫和變形出現。

參考文獻

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