水工隧洞混凝土工作性能與溫升控制措施研究

于喜洋

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽110000）

0 引言

隧洞混凝土施工過程中要求混凝土具有良好的和易性，當(dāng)混凝土具有擴(kuò)展度小、粘聚性差、靜置泌漿以及泵送損失等問題時(shí)，極易造成堵管，且泵送損失混凝土不具備可調(diào)性，極容易出現(xiàn)混凝土漏孔以及蜂窩麻面等質(zhì)量問題，導(dǎo)致實(shí)體結(jié)構(gòu)存在安全隱患[1-3]。引入優(yōu)質(zhì)的粉煤灰以及硅灰，針對(duì)工程存在的泵送損失、流動(dòng)性差、堵管以及跑漿問題，開展研究[4-6]。為避免項(xiàng)目實(shí)體結(jié)構(gòu)中再出現(xiàn)類似的工程質(zhì)量問題，針對(duì)混凝土原材料配合比、優(yōu)質(zhì)礦物摻合料取代率及混凝土基本性能進(jìn)行研究，通過測(cè)試擴(kuò)展度、倒筒時(shí)間、抗壓強(qiáng)度以及水化溫升等關(guān)鍵指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系，把控源頭，避免由于混凝土和易性導(dǎo)致的工程質(zhì)量問題。

1 工程概況

某水電站引水隧洞設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為9 967.8 m，開挖斷面面積為31.70 m2，過水?dāng)嗝婷娣e為14.99 m2，全斷面鋼筋混凝土襯砌，澆筑混凝土襯砌厚48 cm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為C45。工程澆筑過程中，出現(xiàn)泵送損失、流動(dòng)性差以及跑漿問題，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，且對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)造成安全隱患。分析原因：混凝土澆筑過程中和易性差，流動(dòng)性差，整體粘度較高，導(dǎo)致泵送設(shè)備因阻力過大無法泵送，同時(shí)由于引入的礦物摻合料為劣質(zhì)材料，檢測(cè)指標(biāo)無法滿足施工狀態(tài)要求。

2 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)水泥為P·O42.5 級(jí)水泥，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為 27.8%，3 d 抗壓強(qiáng)度為 27.9 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度為52.1 MPa；試驗(yàn)粉煤灰為I 級(jí)粉煤灰，細(xì)度為6.4%，燒失量為1.9%，需水量比為92%；試驗(yàn)硅灰需水量比為124%，7 d 活性指數(shù)達(dá)104%；試驗(yàn)中粗河砂細(xì)度模數(shù)為2.5～2.7，含泥量2.1%，碎石5～25 mm 連續(xù)級(jí)配，含泥量0.3%；外加劑為聚羧酸高效外加劑，固含量為16.7%，減水率為20%；水為飲用水。

3 水工隧洞混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求、配合比設(shè)計(jì)規(guī)范，確保混凝土具有良好的和易性，整體粘度較低，降低泵送過程中的阻力。混凝土流動(dòng)性好、包裹性好、無跑漿問題。粉料用量為單方480～500 kg，粉煤灰取代范圍為0~39%，硅灰取代范圍為0~10%，通過調(diào)整聚羧酸減水劑不同組分的搭配比例，達(dá)到調(diào)整混凝土和易性的目的，具體配合比如表1 所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 不同因素對(duì)隧洞混凝土和易性的影響

針對(duì)實(shí)體出現(xiàn)的泵送損失、流動(dòng)性差、堵管以及跑漿問題，研究礦物摻合料中粉煤灰、硅灰取代率對(duì)于混凝土擴(kuò)展度、倒筒時(shí)間等和易性關(guān)鍵指標(biāo)的影響，具體測(cè)試結(jié)果見圖1。

圖1 不同因素混凝土擴(kuò)展度測(cè)試結(jié)果

研究礦物摻合料不同取代率對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響。研究結(jié)果表明，對(duì)比粉煤灰體系和硅灰體系，硅灰的摻入可進(jìn)一步降低混凝土粘度，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土擴(kuò)展度呈現(xiàn)先增加后不變的趨勢(shì)，倒筒時(shí)間呈現(xiàn)先下降后不變的趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土整體粘度下降明顯，倒筒時(shí)間明顯降低，為3.6 s，但隨粉煤灰摻量增加，粘度改善并不明顯，表明粉煤灰滾珠效應(yīng)已到極限。當(dāng)硅灰摻量為4.2%時(shí)，混凝土粘度進(jìn)一步改善，倒筒時(shí)間為3.6 s，粘聚性提升幅度明顯。

4.2 不同因素對(duì)隧洞混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

研究礦物摻合料中不同取代率對(duì)于混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響，具體測(cè)試結(jié)果見圖2。隨著粉煤灰摻量增加，混凝土長(zhǎng)齡期（60，90 d）強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度明顯，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，長(zhǎng)齡期強(qiáng)度基本接近最大值，達(dá)到69.1 MPa，隨著粉煤灰摻量繼續(xù)增加，強(qiáng)度增幅基本不變，甚至不增長(zhǎng)，由于粉煤灰通過水泥水化形成的堿性產(chǎn)物激發(fā)，進(jìn)一步發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成的水化產(chǎn)物使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高混凝土中后期抗壓強(qiáng)度；隨著硅灰摻量增加，混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度明顯，當(dāng)硅灰摻量達(dá)到4.2%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，由于硅灰7 d 活性指數(shù)超過100%，因此早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)率高于水泥和粉煤灰。

圖2 混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度

4.3 隧洞混凝土溫升性能研究

研究模擬混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)點(diǎn)的溫差變化規(guī)律，提供理論依據(jù)，避免由于局部溫升過高導(dǎo)致的裂縫出現(xiàn)。測(cè)溫點(diǎn)溫差變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 各測(cè)溫點(diǎn)溫變規(guī)律

實(shí)驗(yàn)選取實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位置處于混凝土試塊邊緣的中線，按照縱向分布方式設(shè)置8 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其中第4 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)位于縱向的中心位置，也是溫度最高的測(cè)溫點(diǎn)，為61.0 ℃；第1，2，3，4，6，7 測(cè)溫點(diǎn)的升溫速率基本一致；第1 測(cè)溫點(diǎn)位于混凝土模擬試件底部，降溫速率不快；第6，7 測(cè)溫點(diǎn)靠近混凝土試塊表面位置，降溫速率稍微快一些，約1.2 ℃/ d；第8測(cè)溫點(diǎn)處于混凝土表面，受環(huán)境溫度影響較大。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：混凝土內(nèi)外溫差均控制在25 ℃內(nèi)，有效避免了實(shí)體結(jié)構(gòu)由于溫差導(dǎo)致的溫度裂縫，拆模后，混凝土整體無裂縫，表面光滑。

5 結(jié)論

1）隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土和易性改善明顯，流動(dòng)度呈現(xiàn)先增加后不變的趨勢(shì)，粘度呈現(xiàn)先下降后不變的趨勢(shì)。同時(shí)，由于二次水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，水化產(chǎn)物不斷密實(shí)整體結(jié)構(gòu)，提升密實(shí)度，因此，粉煤灰可提供長(zhǎng)齡期60 d 及以上抗壓強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土流動(dòng)性、粘度及長(zhǎng)期強(qiáng)度基本達(dá)到最優(yōu)值。

2）由于硅灰7 d 活性指數(shù)超過100%，因此，混凝土早期抗壓強(qiáng)度提升顯著，對(duì)比粉煤灰體系，硅灰體系可進(jìn)一步降低混凝土粘度，當(dāng)硅灰摻量達(dá)到4.2%時(shí)，混凝土整體粘度及粘聚性達(dá)到最優(yōu)值。

3）通過對(duì)混凝土模擬實(shí)驗(yàn)，采用縱向選取測(cè)溫點(diǎn)的方式，實(shí)體整體效果良好，溫度差控制在25 ℃之內(nèi)，有效避免里表溫差導(dǎo)致的溫度裂縫等質(zhì)量問題的出現(xiàn)。