高海拔隧道內防凍劑對混凝土強度影響

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摘要：在海拔較高地區的某隧道施工過程中，由于高原缺氧狀態下晝夜溫差較大，在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。通過對混凝土內添加適合劑量的防凍劑來提高混凝土的強度，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，分別在混凝土中摻配0%、2%、4%、6%比例的防凍劑，混凝土抗壓強度均有所改變，綜合考慮隧道內混凝土強度提升和投資成本等多重因素，最終得出當防凍劑摻配比例為4%的時候是最為經濟合理的。將結論應用于實踐，在襯砌C40混凝土內添加了4%比例的防凍劑，效果良好。

關鍵詞：隧道工程；高海拔地區；防凍劑；混凝土強度；摻配比例

0引言

我國地域遼闊，特別在部分北方地區，冬季氣溫都基本在0℃以下，甚至有些地區極端最低氣溫-30℃以下。水泥混凝土在施工過程中當溫度降低到0℃以下時，存在于混凝土漿體中的水或漿體硬化后毛細孔中的水結冰現象，隨著液相（水）到固相（冰）狀態的改變，會導致漿體脹裂，如果混凝土尚未建立初始強度，或者初始強度較低時內部水分結冰，水泥水化作用停止，強度就不再增長，而結冰引起的冰晶壓更容易破壞混凝土[1]。交通節能與環保TransportEnergyConservation&EnvironmentalProtection第16卷第78期2020年8月Vol.16No.4August.2020投稿日期：2020-03-07作者簡介：劉宏波（1975-），男，陜西大荔人，高級工程師，研究方向為道路橋梁勘察設計。本研究針對的是在海拔較高西藏地區“國道G317矮拉山隧道新建工程”的施工過程中，由于高原缺氧狀態下晝夜溫差較大，在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。在改善新拌混凝土抗凍害性能方面，除了注重保溫和養護措施外，主要依靠添加混凝土防凍劑來增強抗凍性[2]。為促進水泥混凝土在低溫情況下仍能進行水化和硬化作用，盡早提高早期強度和防止負溫下混凝土被凍害以獲得混凝土的防凍性能[3]，因此決定對混凝土內添加適合劑量的防凍劑來提高混凝土強度，并對防凍劑的強度影響做相應分析。

1項目概況

本項目設計為行車主洞和平行導洞二座平行隧道，主洞隧道全長4800m，隧道進口的設計高程為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。

2防凍劑對混凝土強度影響分析

2.1防凍劑產品介紹。本次分析實驗采用的防凍劑是以減水、早強、降低冰點、防止凍害等組分復合而成的無氯型防凍劑，呈粉狀，具有早強、防凍、適量引氣、護蝕等多種功能，目的是使混凝土加入該添加劑后，可顯著改善毛細孔結構，減少游離水量，有效降低混凝土液相冰點，促進低溫條件下水泥水化和混凝土硬化，大幅度提高早期強度，中后期強度持續增長。防凍劑的均勻性指標見表1。2.3強度分析實驗設計。實驗設計依托項目實際情況，采用泵送C40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，試塊尺寸采用150mm×150mm×150mm標準試塊。試件于施工期內10月21日施作，養護周期28d，養護條件分別為：實驗室標準養護、距離隧道口50m處養護、距離隧道口500m處養護；養護齡期分別為3d、7d、28d；防凍劑摻配比例分別按0%、2%、4%、6%摻量進行強度分析。2.4養護期間溫度變化情況。實驗中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。具體溫度與濕度條件如下：試件標準養護溫度設定為20℃，濕度不低于90%；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%；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%，養護期間溫度變化曲線見圖1。圖1養護期間50m處溫度變化曲線Fig.1Temperaturechangecurveat50mduringcuring2.5混凝土不同條件下強度對比分析。2.5.1不同參量在不同養護條件下數據分析。（1）混凝土中不摻加防凍劑時（即0%摻量），在標準養護、恒溫（洞口內500m）和晝夜溫差大（洞口內50m）三種養護條件下，混凝土試件在不同齡期數據反映的強度為逐漸降低。其中晝夜溫差較大和標養條件下同樣標號混凝土3d早期強度降低了26%左右，28d齡期強度降低16%。0%摻量在不同養護條件下強度數據對比見圖2。（2）混凝土中摻加2%防凍劑時，在標準養護、恒溫（洞口內500m）和晝夜溫差大（洞口內50m）三種養護條件下，混凝土試件在不同齡期數據反映的強度為逐漸降低。3d齡期養護條件下，晝夜溫差大和標養條件下混凝土強度降低了14%左右，7d齡期降低了20%，28d齡期降低22%。而在恒溫養護條件下早期強度增加明顯，7d后強度增加較慢，最終強度與晝夜溫差較大養護條件下最終混凝土強度相差9.3%；7d齡期標養與洞內恒溫條件下，混凝土強度十分接近，說明在高寒高海拔地區隧道施工，當隧道掘進達到一定長度使洞內達到恒溫條件時，其混凝土強度可以得到基本保證。2%摻量在不同養護條件下強度數據對比見圖3。（3）混凝土中摻加4%防凍劑時，在標準養護、恒溫（洞口內500m）和晝夜溫差大（洞口內50m）三種養護條件下，混凝土試件在不同齡期數據反映的強度為逐漸降低，但是在28d齡期附近恒溫和晝夜溫差大兩種養護條件下，強度幾乎接近。3d齡期在不同養護條件下，早期混凝土強度非常接近，相差不足9%，說明防凍劑效果明顯。標養條件下、恒溫條件下和晝夜溫差大條件下，7d齡期的強度比較接近，相差約5.5%和8%，說明在混凝土中摻量4%的防凍劑對前期和后期混凝土強度影響較大。28d齡期時標養條件下混凝土強度增強，而恒溫條件下和晝夜溫差大條件下的強度存在十分接近的趨勢，說明在自然施工過程中，混凝土中摻量4%的防凍劑對混凝土強度的影響差別在逐漸減少。4%摻量在不圖44%摻量在不同養護條件下強度對比Fig.4Strengthcomparisonof4%dosageunderdifferentcuringconditions同養護條件下強度數據對比見圖4。（4）混凝土中摻加6%防凍劑時，在標準養護、恒溫（洞口內500m）和晝夜溫差大（洞口內50m）三種養護條件下，混凝土試件在不同齡期數據反映的強度為逐漸降低。其中恒溫、晝夜溫差大和標養條件下同樣標號混凝土3d早期強度相對比較接近，分別降低3.5%和6.5%。特別是隨著齡期增加，在28d齡期時，標養條件下混凝土強度相對4%摻量時有所減少，而晝夜溫差較大和恒溫養護條件下的混凝土強度與標養條件下的混凝土強度差別開始變大。6%摻量在不同養護條件下強度數據對比見圖5。圖56%摻量在不同養護條件下強度對比Fig.5Strengthcomparisonof6%dosageunderdifferentcuringconditions2.5.2不同摻量在相同養護條件下數據分析。（1）將3d齡期內在同樣養護條件下，對不同摻量的混凝土強度做曲線圖對比，可以看出標養條件下的各摻量混凝土強度都高于其他兩種養護條件，恒溫條件下次之。針對同一養護條件對比，0%至4%不同摻量的混凝土強度是逐漸增大的（除標養條件2%摻量時有所減少），在摻量4%時強度最高，6%摻量時強度呈下降趨勢。3d齡期不同摻量在相同養護條件下強度曲線圖見圖6。（2）將7d齡期內在同樣養護條件下，對不同摻量的混凝土強度做曲線圖對比，可以看出標養條件下的各摻量（除2%摻量時）混凝土強度都高于其他兩種養護條件，恒溫條件下次之。針對同一養護條件對比，0%至4%不同摻量的混凝土強度是逐漸增大的（除標養條件2%摻量時減少），在摻量4%時強度最高，6%摻量時強度呈下降趨勢。7d齡期不同摻量在相同養護條件下強度曲線圖見圖7。圖77d齡期不同摻量條件下強度曲線Fig.7Intensitycurveunderdifferentdosageconditionsat7dage（3）將28d齡期內在同樣養護條件下，對不同摻量的混凝土強度做曲線圖對比，可以看出標養條件下的各摻量混凝土強度都高于其他兩種養護條件，恒溫條件下次之。針對同一養護條件對比，0%至4%不同摻量的混凝土強度是逐漸增大的（除標養和溫差大條件下2%摻量時減少），在摻量4%時強度最高，6%摻量時強度呈明顯下降趨勢。28d齡期不同摻量在相同養護條件下強度曲線圖見圖8。2.5.3數據對比分析。由28d齡期混凝土抗壓強度可以看出，4%摻量為最優摻量，2%低摻量和6%高摻量在恒溫養護條件下強度增長較小，其他養護條件下均有所降低。養護條件對混凝土最終強度有決定性影響，晝夜溫差較大的養護條件下混凝土抗壓強度有大幅度降低，當4%最優摻量情況下，除去誤差影響外，標養條件下混凝土強度（47.4MPa）達到了設計強度，其他養護條件下強度（39.8MPa，39.3MPa）基本滿足。

3結論

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，分別在混凝土中摻配0%、2%、4%、6%比例的防凍劑，混凝土抗壓強度均有所改變，綜合考慮隧道內混凝土強度提升和投資成本等的多重因素，最終得出當防凍劑摻配比例為4%的時候是最為經濟合理的。隨后，對于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%比例的防凍劑，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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[6]劉宏波.高寒高海拔地區外摻減水劑時對混凝土強度的影響研究[J].昆明冶金高等專科學校學報，2019，01（35）：88-91.

作者:劉宏波 單位:國家林業局昆明勘察設計院