华亮 蒋磊 白志忠

摘要：针对高寒地区隧道混凝土抗冻性等性一能的要求，采用实验的方式制备符合高寒地区隧道的混凝土，并将制备的混凝土结合温控技术应用到白拉山隧道二衬施工中。最后通过实践表明，本文制备的混凝土结合温控技术，能够满足高寒地区隧道施工中对抗冻融的要求，具有一定的工程实践的价值。

关键词：高寒地区;抗凍融;混凝土制备;实验

中图分类号：U455.49

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）12-0094-04

受到季节变化的影响，隧道围岩存在明显的冻融循环过程，长期受此影响容易引发明显的冻胀现象，降低了隧道衬砌的可靠性，容易造成更严重的安全事故。本文主要对工程中使用的混凝土材料进行了研究，在建筑工程中选用混凝土时必然考虑到安全性以及耐久性的问题。目前在很多工程中将适量的外渗料添加到混凝土中，基于这种方式有助于改善混凝土的性能，同时降低了成本，实现了废物利用，环保性较高。随着在混凝土外惨料领域的研究深入，出现了更多类型的外渗料，诸如粉煤灰、沸石粉等得到了广泛的应用。基于这种方式有助于降低混凝土的内部温度，改善了混凝土的抗渗透以及密实性等性能。在使用外加渗料时需要考虑到具体的应用环境，并采用合理的添加量，否则无法保证达到预期的效果。例如在渗量过大或者过小时都会影响到混凝土的性能。本文针对高寒地区隧道二衬混凝土的应用性能进行了研究，并对其配合比进行了优化设计，使其能够在高寒区隧道环境中达到更高的性能。

1 实验方案

1.1 实验原材料

1.1.1 水泥

试验中主要利用拉法基P.0 42.5R水泥，相关的参数如表1所示。

1.1.2 粉煤灰

等级为II，具体的成分以及含量参数如表2所示。

1.1.3硅灰

具体的性能参数如表3所示。

1.1.4骨料

骨料主要包括细骨料和粗骨料，前者选择中砂;后者主要有中石、小石，二者粒径范围分别是20 -40mm、5- 20mm。

1.1.5 外加剂与拌合水

引气剂需要满足正常的施工要求;减水剂选用聚羧酸型，坍落度保持能力处于2 - 3h之间，减水率需要保证高于20%，缓凝时间需要低于2.5h，坍落度2h损失低于80mm;拌合水采用自来水，需要保持较高的清洁度。

1.2 实验配合比

在本次研究中主要依托于白拉山隧道，该地区处于西藏自治区，整体气温偏低，昼夜温差较大，每年最高和最低温度分别是21.4℃、-28.7℃，一般分别出现在8月和12月，年均气温大约是4.5℃。因此，这就对混凝土的抗冻性提出了更高的要求。针对混凝土的抗冻性问题有必要进行相关的试验，验证影响抗冻性的具体因素，包括外加剂、水灰比以及掺合料等。基于以上要求，提出如表4的混凝土实验配合比。

1.3 混凝土试件要求

本次研究中分别进行了冻融试验与抗压试验，其中前者采用的试件是棱柱体，对应的尺寸是lOOmmxlOOmm×400mm;后者采用立方体结构，尺寸是150mmx150mmx150mm，两种试验分别将3个试件作为一组。在试验过程中将富余系数设置为1.5，以保证混凝土量达到试验的要求。

1.4 性能测试方法

1.4.1抗冻实验

1）结合冻融试验规范开展试验操作，养护等需要达到试验的要求。

2）冻融试验时间应该控制在2-4h之间，同时保证融化时间不低于冻融循环时间的25%。

3）冷冻和融化结束之后的温度范围分别保持在一18+2℃、5+2℃，即最大、最小温度分别是7℃、一20℃，不允许超过此范围。

4）试件温度在-16℃ -3℃之间变化的时间应该保证高于冷冻时间的一半以上，包括升温和降温的过程，另外试件内外温度差应该控制在28℃以内。

5）融化与冷冻转换时间通常不能太长，尽量控制在10min之内。在试验完成之后，记录相关的数据，然后按照如下方式进行处理。相对动弹性模量公式如下所示。

1.4.2抗压实验

1）制作试件：将拌和的混凝土添加到试模中，3个试件作为一组;在试件成型之后置于7℃条件下氧化，保持封闭，避免其中的水分流失。

2）测定步骤：首先在将试件清理干净后，检测是否存在明显的缺陷，并测定其尺寸大小;然后设置在试验机中，并记录试验过程中的破坏载荷信息。

抗压强度的计算公式如下所示：

2 实验结果与分析

2.1抗压强度实验结果

根据抗压实验，得到图1所示的结果。

根据图l可知，相对于纯水泥混凝土，在加入②FA15%、SF5%以及③FA15%、SFIO%之后，抗压强度明显更高，其中③比②大约提升了17.86%，二者在7d抗压强度的差距不明显，前者略大一些。另外，其他组分的抗压强度则低于纯水泥混凝土。

2.2 混凝土抗冻试验结果

抗冻性实验结果如图2和图3所示。

根据图中曲线变化可知，冻融循环次数是影响试件质量损失率与相对动弹性模量的重要因素，与二者变化直接相关。在冻融循环次数持续增大时，相对动弹性模量、质量损失率表现出不同的变化特征，二者分别呈现降低和升高的趋势，前者最小是59.8，后者最大是2.4，达到了抗冻试验的相关标准。总之，根据本次试验可以证明形成的混凝土满足了抗冻性的要求，基于FA15、SFlO的粉煤灰与硅灰掺和量达到了混凝土的强度要求。

通过上述的实验制备混凝土，可以得到以下5点结论：

1）相对于纯水泥混凝土，在加入②FA15%、SF5%以及③FA15%、SF10%玄后的3d抗压强度明显更高，其中③比②大约提升了17.86%。

2）硅产量等于10%时，前期抗压强度明显提升，根据FA15%、SF10%可知，前期抗压强度与水灰比是负相关关系，即随着水灰比的增大而减小;在试验中水灰比提高7%，则3d、7d抗压强度分别降低了14.6%、20%;

3） FA15%、SFIO%与FA20%、SFlO%的混凝土对比可知，在3d、7d抗压强度上后者比前者分别低了26.52%、2.6%;添加20%的粉煤灰显著降低了前期抗压强度，后期影响不明显;因此在添加粉煤灰时需要合理的设置添加量，确保其前期抗压强度达到寒冷环境下的要求。

4）混凝土的抗压强度会受到添加掺合料的影响，一般添加适量的掺合料能够提升其抗压强度，具体需要结合应用环境来进行配合比设计。

5）硅灰与粉煤灰掺人量分别是10%、15%时，试验中的前后期抗压强度较高，基于此进行混凝土抗压试验，最终的结果显示其抗冻能力较强，达到寒冷环境下的应用要求。

3 制备混凝土在白拉山隧道二衬冬季抗冻融施

工中的应用

为进一步验证上述混凝土的性能，将上述制备的混凝土应用到白拉山隧道的二衬施工中。在该施工中，在使用上述制备混凝土的基础上，采用温控技术，以更好的进行二衬施工。因此，在施工前，首先对围岩与衬砌的热传导机制进行研究。

3.1围 岩与衬砌的热传导机制

在低温隧道的围岩中一般存在空气以及孔隙水等成分，假定其处于饱和状态，则对应热传导问题的方程如下所示：

3.2 有限元计算

在研究中发现，壁面温度会对隧道温度场产生较大的影响，因此研究中采用了二维模型，在有限元计算的位置设置在距离隧道口10m，此处围岩受到温度变化的影响更为显著。

3.3 边界条件与参数设置

由于隧道施工过程中主要利用射流风机实现空气流动，风力不大，可以直接忽略空气流动等因素会流换热系数产生的影响，这里将其设置为15W/m2.K;认为高度每升高100m，温度降低0.74℃;另外，冰、水、混凝土以及骨架的密度分别是917、1000、2500、2300，单位均为kg/m3;四者的导热系数分别是2.24、0.56、3、2.33，单位均为IW/ （m-K）;四者的比热容分别是2090、4180、950、850，单位均为J/m3.K。

同時由于混凝土放热时间总体比较长，大多数热量主要是最早的3d中放出，所以将其初始温度设置为绝热温升的温度。另外水泥发热量是330kj/kg，人膜温度5℃，隧道中温度-10℃C作为边界条件。

3.4 计算结果

通过上述的有限元分析，可以得到以下2方面的仿真结果：①加温时间与环境温度之间的关系。达到二衬混凝土养护要求的加温时间与具体的环境温度有关，其中在环境温度分别是-5℃、-10℃、-15℃、-20℃时，对应的加温时间分别是5h、10h、15h、20h。②围岩温度变化与加温时间的关系。如果开挖温度是-10℃，则在30d后围岩表面温度变化巨大。在浇筑施工之前需要分析围岩温度是否达到要求，如果没有达到5℃，则需要进行适当加热，否则会对施工效果产生不利的影响。在加热之后，围岩中间位置会出现一个特殊的低温层，其温度明显低于围岩表面与内部。③合理设置加温时间。在研究中发现，如果加温时间较长，则二衬混凝土与围岩在施工30d之后的最高温度更大。如果加温时间设置为10h，则混凝土在1d内的温度保持在5.3℃以上，此时能够达到施工的要求。因此在实际施工过程中可以将加温时间设置为10h，施工温度保持在10℃，以此在满足施工要求的基础上降低了成本。

4 结语

通过上述的研究看出，本实验制备的混凝土应用到嘎隆拉隧道二衬施工中，通过有限元分析，并结合一定的温控技术，可达到工程用的抗冻性要求，说明本文制备的混凝土满足高寒隧道施工下的相关性能，说明本文的混凝土构建方案具有可行性。

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