隧道内温差较大段落添加膨胀剂对混凝土强度的影响分析

摘   要：本次研究分析主要依托的项目是在高海拔地区的长隧道施工过程中，因高原条件下造成了洞外及洞内施工过程中段落范围内昼夜温差较大，在按原设计完成洞内混凝土衬砌一个月内，发生了较长段的裂缝和变形。为了改善隧道内衬砌混凝土的强度我们决定通过添加适量膨胀剂，通过对比分析，对于海拔约4000m地区，养护条件对隧道内混凝土最终强度影响较大，同时得出当膨胀剂掺配比例为4%时最为合适。将结论应用于实践，在衬砌C40混凝土内添加了4%比例的膨胀剂，效果良好。

关键词：温差大  膨胀剂  隧道内混凝土强度  膨胀量  掺配比例

中图分类号：U455.91                               文献标识码：A                       文章编号：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

膨脹剂作为一种补偿收缩剂，目前已广泛应用于各类建筑中[1]，在混凝土中加入适量的膨胀剂后，膨胀剂会与混凝土中的氢氧化钙发生反应，生成钙矾石结晶颗粒，使混凝土的体积在水化和硬化的过程中产生适度膨胀，建立一定的预应压力，这种压力基本上可以抵消混凝土在凝结硬化过程中产生的拉应力，从而减少混凝土的干缩裂缝产生来提高其抗裂性能。另一方面，水化生成的钙矾石晶体能填充、阻塞混凝土的毛细孔，改变混凝土的孔结构和孔级配，使有害孔减少，无害孔增多，总孔隙率还有所降低，使混凝土的密实度提高，从而增大了混凝土的耐久性[2]。

本次分析研究依托的项目是位于海拔较高（海拔约4000m）地区某隧道建设过程中，由于地处高原，自然条件比较特殊，在缺氧状态下昼夜温差较大，造成洞内洞外不同段落会出现完全迥异的混凝土养护条件，由于对特殊条件的疏于判断，在按原设计完成洞内常规混凝土衬砌一个月内，发生了较长段的混凝土裂缝和洞内衬砌变形。介于添加膨胀剂后的混凝土具有抗冻性、抗裂性、耐久性等方面的特性，我们决定对混凝土内添加适当计量的膨胀剂，以此来改善混凝土密实度并起到防止裂缝和变形产生。由于膨胀剂种类和掺量参数不同，与所使用的水泥、掺合料、外加剂的相容性不同，所以要求对使用的膨胀剂，进行混凝土试配，以确定合适的施工配合比[3]，加之本隧道为国内高海拔地区第一个开建类似项目，为了结合项目实际情况，故需做膨胀剂对混凝土强度的相应影响分析。

2  项目概况及条件

本项目设计为行车主洞和平行导洞二条平行隧道，主洞是二级公路（40km/h）单洞双向行车，平行导洞作为主洞的服务通道在运营期起到逃生救援之用，平行导洞距离主洞测设中心线右侧25m，按一车行横洞、二人行横洞布设。主洞隧道全长4800m，隧道进口设计高程3970.736m，大气压强为63.885kPa;出口设计高程3905.71m，大气压强为64.054kPa。隧道平面位于直线上，衬砌采用C40钢筋泵送混凝土。本隧道地区极端最高气温33.4℃，极端最低气温-20.7℃，冻结月份为12月至来年2月。

项目所在高原地区，客观存在的昼夜温差大、干燥、缺氧、低气压等不利因素使得已经较为成熟的外加剂使用方法在高原地区具有一定的局限性，特别是在冬季施工过程中，养护条件不稳定造成混凝土在龄期内强度难以满足设计需要，以致于混凝土开裂造成很大的质量缺陷。鉴于以上原因，我们从养护条件入手，通过在标养条件、昼夜温差较大的同等养护条件和较为恒定温度的同等养护条件下，分析混凝土抗压强度、膨胀量等参数在不同龄期的增长规律，以此来确定膨胀剂的最佳掺入比。

3  膨胀剂对混凝土强度影响分析

3.1 掺入膨胀剂主要物理性能

本次分析实验采用的膨胀剂属于U型膨胀剂，可以减少混凝土干缩裂缝，提高抗裂性和抗渗性，加快机械设备和构件的安装质量。早期强度发展快，有效补偿混凝土收缩;长期强度稳定增长，对钢筋无锈蚀。掺加膨胀剂的主要物理性能[4]见表1。

3.2 实验设计

本次实验结合项目实际情况，采用C40泵送混凝土成型试件，强度标准采用混凝土抗压强度，结合《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）[5]相关要求，抗压强度试块尺寸采用150mm×150mm×150mm标准试块，膨胀率试块尺寸采用100mm×100mm×300mm标准试块，塌落度为18～22cm。试件于施工期间10月下旬施做，养护周期28天，养护条件分别为：条件一（实验室标准养护）、条件二（距离隧道口50m处养护）、条件三（距离隧道口500m处养护）。

因为高原隧道存在着段落温差较大现象，膨胀剂在温度不同时会发生不同的膨胀量，故本次实验针对经验掺量值0%～12%区间取值进行分析对比，掺配比例分别按0%、4%、8%、12%，养护龄期分别为3、7、28天。

3.3 养护期间温度变化情况

实验中养护条件为：条件一（实验室内试件标准养护）温度设定为20℃，湿度不低于90%;條件二（距离隧道口内50m位置）现场数据采集分析出现昼夜温差较大状态，实测平均湿度为31%;条件三（距离隧道口内500m位置）通过现场数据采集分析基本为恒温状态，温度为11℃，实测平均湿度为52%。具体养护条件见表2 。

在实验中养护条件二的昼夜温差比较大，我们在养护条件二下分别对养护期间的温度变化数据进行了采集及分析，数据采集时间分别为早上8：00时;下午14：00时，晚上20：00时及午夜24：00时。具体温度变化曲线见图1。

3.4 不同掺量在相同养护条件下强度影响分析

3.4.1 不同掺量在3d龄期时混凝土强度数据分析

在3d龄期时混凝土抗压强度对脱模时间和施工周期影响较大，通过数据分析可以看出整体混凝土抗压强度随着膨胀剂掺量的增加呈现下降趋势;在条件二情况下的整体强度较低，说明存在温度对混凝土强度降低的影响因素，而从整个强度差值分析，膨胀剂掺量对条件二情况下的强度影响并不大;在条件三情况下，随着膨胀剂掺量的增多混凝土强度是逐渐减小的，在4%掺量和8%掺量下强度影响变化只相差5%，相对混凝土强度变化不大。

以上数据分析说明在3d龄期时，通过调整膨胀剂掺量对混凝土强度的提升是没有任何作用的，甚至于强度出现普遍降低情况。具体强度数据对比见图2。

3.4.2 不同掺量在7d龄期时混凝土强度数据分析

在7d养护龄期情况下，除了膨胀剂4%掺量时，混凝土的强度略有提升，其他掺量比例随着膨胀剂的增加，混凝土抗压强度有下降的趋势;在条件一和条件二情况下，8%掺量和12%掺量对混凝土强度影响并不明显，相对只有1%～5%，说明膨胀剂随着掺量的增多，对混凝土强度提升作用机理发挥不甚明显。7d龄期与3d龄期进行纵向对比，可以看出混凝土的强度是有明显提升的，特别是4%掺量在各种条件下，混凝土的强度达到了33%～43%的提升。具体强度数据对比见图3。

3.4.3 不同掺量在28d龄期时混凝土强度数据分析

在28d养护龄期情况下，除了膨胀剂4%掺量时，混凝土的抗压强度在条件一情况下基本满足要求外，其他掺量和其他条件下均未能达到设计强度。从总体掺量对混凝土强度影响规律来看，除了4%掺量时在各条件下抗压强度略有提高外，其他掺量随着膨胀剂的掺量增多，混凝土的抗压强度呈现逐渐减少的趋势。28d龄期与7d龄期进行纵向对比，可以看出混凝土的强度是有明显提升的，特别是4%掺量在各种条件下，混凝土的强度达到了33%～48%的提升。具体强度数据对比见图4。

3.5 相同掺量在不同养护条件时混凝土膨胀量变化数据分析

3.5.1 在0%掺量时混凝土不同养护条件下的膨胀量对比分析

在膨胀剂掺量为0%的情况下，开始混凝土与水泥、水、骨料等发生复杂的物理、化学作用，由变化规律可以看出养护条件对膨胀量影响作用明显，最初3d在水泥内各种成分化学作用下混凝土显示膨胀现象，随着养护龄期增长，均有收缩情况发生。由实验数据可以明显看出，条件一与条件三膨胀数值较为接近，特别是在养护龄期接近28d时，膨胀量基本接近。但条件二对混凝土膨胀性影响较大，由于温差较大的原因，膨胀量与其他两个条件下的相差约15%。具体混凝土膨胀量数据见表3、变化曲线见图5。

3.5.2 在4%掺量时混凝土不同养护条件下的膨胀量对比分析

在膨胀剂4%掺量情况下，膨胀量的数值相比0%掺量整体明显增大，增长趋势先增大后减小。从数据分析来看，虽然在养护龄期3～7d时，三种条件下的膨胀量呈现出不太规律的变化，但是随着龄期增长，条件二和条件三的膨胀量趋向于比较接近，条件一的膨胀量稍微有所降低，但是和其他两个条件下的膨胀量相差在2%左右，也不算明显，说明在自然养护条件下，尽管段落温差较大，但掺量为4%时的膨胀量对于施工影响较小。具体混凝土膨胀量数据见表4、变化曲线见图6。

3.5.3 在8%掺量时混凝土不同养护条件下的膨胀量对比分析

在膨胀剂8%掺量情况下，开始膨胀量差异较大，随着养护龄期增长到3d时，条件二与条件三的膨胀量比较接近，而条件一的膨胀量相比4%掺量时与其他两个条件的膨胀量相差更大。随着养护龄期增长，三个条件下的膨胀量分别呈现减少趋势，并且每个条件下的膨胀量差异变大，特别是在28d龄期时各条件下的膨胀量完全没有接近趋势，数据说明在自然养护条件下，由于养护条件的不同，在膨胀剂掺量为8%时，膨胀量对于施工影响也逐渐有所增大。具体混凝土膨胀量数据见表5、变化曲线见图7。

3.5.4 在12%掺量时混凝土不同养护条件下的膨胀量对比分析

在膨胀剂12%掺量情况下，与其他少掺量情况纵向对比，三个条件下的混凝土膨胀量明显增加，说明膨胀剂作用明显，但与8%掺量对比时，特别是在3d养护龄期时的膨胀量却明显增长不足，随着养护龄期的增长，三个条件下的混凝土膨胀量都分别呈现减少趋势，并且每个条件下的膨胀量差异变大，特别是在28d龄期时各条件下的膨胀量相差在7%～11%左右。数据说明在自然养护条件下，随着养护条件的不同，在膨胀剂掺量为12%时，膨胀量对于施工影响也逐渐变大。具体混凝土膨胀量数据见表6、变化曲线见图8。

3.6 结论分析

通过对混凝土中膨胀剂掺量的改变，进行试验数据采集整理发现，养护条件对于混凝土的抗压强度影响明显，无论掺量如何改变，条件一下的抗压强度永远好于另外两个条件。如果自然养护条件下进行对比，在膨胀剂4%掺量时的抗压强度整体好于其他掺量，并且温差的大小对于抗压强度的影响差异不到2%。针对隧道内不同段落温差较大情况，对不同掺量下膨胀量的分析对比，掺量为4%时的膨胀量在三种条件下相对差异较小，对于施工影响也较小。

4  总论及实践

通过对比分析，在海拔约4000m地区，养护条件对隧道内衬砌混凝土最终强度影响较大，分别在隧道衬砌混凝土中掺配0%、4%、8%、12%比例的膨胀剂，混凝土抗压强度均有所不同，综合考虑隧道内混凝土强度提升和膨胀量差异小等多重因素，最终得出当膨胀剂掺量为4%的时候是最为合适的。结合本次分析，我们对项目内隧道裂缝和变形段进行了拆除重建，并在衬砌C40混凝土内添加了4%比例的膨胀剂，效果良好，目前隧道已建成通車，洞内衬砌并未发现有任何裂缝和变形出现。

参考文献

[1] 司炳艳，袁庆莲. 混凝土膨胀剂的研究[J].工程质量，2005，7：45-50.

[2] 陈小成.膨胀剂在高性能混凝土中的应用研究[J]. 科学信息，2008，21：  442-444.

[3] 周园.浅谈混凝土膨胀剂[J]. 科学风，2010，13：  149.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 23439-2017，《混凝土膨胀剂》[S]. 北京：中国标准出版社，2017.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ55-2011 《普通混凝土配合比设计规程》 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[6] 刘宏波.高寒高海拔地区外掺减水剂时对混凝土强度的影响研究[J].昆明冶金高等专科学校学报，2019，01（35）：88-91.