李华斌

(吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000)

随着技术的不断发展和进步，我国的水利工程建设逐步向地质复杂环境推进，在推进水资源优化利用方面发挥重要作用的同时，也给水利工程建设和施工提出了更高的技术性要求[1]。例如，随着深部岩土体中水工隧洞建设数量的逐年增加，高低热隧洞也屡见不鲜。部分地下隧洞工程的围岩岩温达到70℃甚至更高。显然，在高岩温情况下，隧洞的衬砌混凝土结构施工会受到严重影响，不仅会造成衬砌混凝土强度降低，还会造成结构的严重损伤，从而影响到施工建设的顺利进行和隧洞工程的整体安全性和稳定性[2]。养护剂是一种喷涂在新浇筑混凝土表面的外加剂，可以有效阻止混凝土养护过程中的内部水分蒸发，以达到长期养护的效果[3]。基于此，此次研究利用室内模拟试验的方式，探讨养护剂对高岩温水工隧洞不同类型衬砌混凝土抗压强度的影响，以便为工程设计和应用提供的借鉴和思考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

水泥是水工隧洞衬砌混凝土的主要胶凝材料，会对其抗压强度产生直接影响[4]。此次研究选择的是普通硅酸盐水泥，经测定，其初凝时间为156min、终凝时间为216min、28d抗压强度和抗折强度分别为44.2MPa和7.4MPa，各项指标均满足相关标准的要求，可以用于此次试验研究。

试验用混凝土的矿物掺合料为粉煤灰和矿粉。其中，粉煤灰为电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，其比表面积为365m2/kg，堆积密度为0.81g/cm3，烧失量为5.4%；试验用矿粉为粒化高炉矿渣粉，其28d活性指数为99%，烧失量为1.12%，比表面积为454m2/kg。试验用细骨料为级配良好的河沙，粗骨料为人工石灰岩碎石。试验用减水剂为聚羧酸高性能减水剂。试验用养护剂有两种，分别为水玻璃型养护剂和石蜡乳液型养护剂。其中，水玻璃型养护剂的保水率为62%，成膜干燥时间为30min；石蜡乳液型养护剂的保水率为81%，成膜干燥时间为40min。试验用速凝剂为低碱液体速凝剂，掺量为4.0%。

1.2 试件制备

试验中按照水工隧洞衬砌工程常用的C35混凝土的配比要求，称量出各种不同材料的用量，然后将水泥、骨料以及矿物掺合料倒入HJW-30型单卧强制式搅拌机进行搅拌，在搅拌30s之后加入水和减水剂再搅拌60s[5]。

为了模拟衬砌混凝土施工所处的高岩温围岩环境，研究中选择长120cm、宽50cm、厚5cm的片麻岩石板模拟高温围岩[6]。在试验过程中，首先将岩板的表面人工凿毛，然后利用电炉在岩板下方均匀加热，同时调整电炉和岩板之间的距离，使岩板上侧的温度稳定在设定的温度水平[7]。

将拌制好的混凝土倒在岩板上，然后插捣振动至密实，待初凝之后分别使用两种养护剂涂敷，然后在养护室内养护至28d龄期[8]。在养护结束之后，取下岩板上的混凝土大试块，再利用切割机将其切割为100mm×100mm×100mm的立方体试件。

1.3 试验方法

抗压试验采用三轴试验机进行[9]。在试验过程中按照SL 264—2016《水利水电工程岩石试验规程》进行试块的力学试验，整个试验过程采用变形控制的方式进行，试验中的加载速率为0.02mm/s，直至试件完全破坏[10]。每种试验工况取3个芯样进行试验，并将其试验结果的均值作为最终试验结果，单轴抗压强度的计算公式为：

(1)

式中，σ—试件的抗压强度，MPa；P—破坏荷载，N；A—试件的截面面积，mm2

试件的抗拉强度试验中按照0.05kN/s的加载速率进行加载试验，直至试件完全破坏，每种方案试验6个芯样，将其试验数据的均值作为最终试验结果，具体的计算公式为：

(2)

式中，σt—试件的抗拉强度，MPa；p—劈裂强度，N；d—试件直径，mm；h—试件厚度，mm。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

利用上节提出的试验方法对不同试验方案下的衬砌混凝土抗压强度进行试验，结果见表1。利用表1中的数据绘制出如图1所示不同养护剂条件下衬砌混凝土抗压强度随围岩温度变化曲线，由表1和图1可以看出，岩温对衬砌混凝土的抗压强度影响显著，随着围岩岩温的升高，衬砌混凝土的抗压强度不断减小。由此可见，较高的围岩岩体温度不利于衬砌混凝土抗压强度的提高，会对衬砌施工质量造成不利影响。究其原因是，围岩岩体温度的升高，会促进混凝土内部水泥等胶凝成分水化反应，并在短期内产生大量的水化产物，这些水化反应生成物由于不能得到有序沉淀，会致使其中一部分包围在水泥颗粒周围，影响混凝土内部后期水化反应的顺利进行，最终影响到混凝土的抗压强度。

表1 不同试验方案下喷射混凝土抗压强度试验结果

图1 不同养护剂条件下抗压强度随围岩温度变化曲线

另一方面，养护剂也是混凝土抗压强度的重要影响因素。首先，与未使用养护剂的方案相比，在使用养护剂的情况下，衬砌混凝土的抗压强度有显著提升，说明使用养护剂可以提高高岩温环境下衬砌混凝土的抗压强度。从不同的养护剂种类对比来看，在其他条件相同的情况下，使用水玻璃型养护剂试件的抗压强度值明显偏大。以岩温60℃工况为例，使用石蜡乳液型养护剂条件下，试件的抗压强度值为30.0MPa，与无养护剂方案28.9MPa的抗压强度值相比，提升了约3.81%；在使用水玻璃型养护剂条件下，试件的抗压强度值为34.1MPa，与无养护剂方案相比，抗压强度值提升了约17.99%。此外，从图1还可以看出，围岩岩温越高，水玻璃型养护剂的优势越明显。例如，围岩温度为80℃时，使用石蜡乳液型养护剂条件下，试件的抗压强度值为23.3MPa，与无养护剂方案22.6MPa的抗压强度值相比，仅提升了约3.09%；使用水玻璃型养护剂条件下，试件的抗压强度值为29.7MPa，与无养护剂方案相比，抗压强度值提升了约27.47%。由此可见，在高岩温环境下，使用水玻璃型养护剂更有利于提高衬砌混凝土的抗压强度。

2.2 劈裂抗拉强度

利用上节提出的试验方法对不同试验方案下的衬砌混凝土劈裂抗拉强度进行试验，结果见表2。利用表2中的数据绘制出如图2所示不同养护剂条件下衬砌混凝土劈裂抗拉强度随围岩温度变化曲线，由表2和图2可以看出，在高岩温情况下，衬砌混凝土的劈裂抗拉强度随着围岩温度的升高而持续降低。且变化规律与抗压强度基本相似。由此可见，高岩温会对衬砌混凝土的劈裂抗拉强度产生不利影响，且岩温越高影响越大。究其原因，主要是围岩的温度越高，衬砌混凝土的浆体就越稀疏，造成水泥水化产物的密实度降低，进而导致骨料和水泥浆体之间的粘结力减弱。从不同养护剂类型来看，在岩温相同时，使用养护剂的衬砌混凝土试件的劈裂抗拉强度明显提高，说明使用养护剂对提升衬砌混凝土的劈裂抗拉强度有利。从两种养护剂类型的对比来看，也呈现出与抗压强度类似的变化规律，在其他条件相同的情况下，使用水玻璃型养护剂试件的劈裂抗拉强度明显偏大，且岩温越高优势越明显。由此可见，在高岩温条件下，使用水玻璃型养护剂更为有利。

表2 不同试验方案下喷射混凝土劈裂抗拉强度试验结果

图2 不同养护剂条件下劈裂抗拉强度随围岩温度变化曲线

2.3 弹性模量和峰值应变

弹性模量和峰值应变也是衡量衬砌混凝土力学性能的重要参数，可以有效反应混凝土材料的受力和变形之间的关系。根据不同试验方案的试验数据，计算出水工衬砌混凝土的弹性模量和峰值应变，结果见表3。由表3中的试验结果可知，在不同养护剂条件下，衬砌混凝土的弹性模量随着围岩温度的升高而减小，峰值应变则随着围岩温度的升高而增大。究其原因，主要是随着围岩温度的升高，混凝土中的胶结材料的水化反应速度加快，其生成物迅速凝集阻碍后期水化反应的充分进行，因此会造成衬砌混凝土弹性模量的降低和峰值应变的增大。从不同养护剂条件的对比来看，水玻璃型养护剂在提高衬砌混凝土弹性模量，降低峰值应变方面的作用最佳。

表3 不同试验方案下喷射混凝土劈裂抗拉强度试验结果

3 结论

高岩温是深部岩土工程中普遍存在的环境现象，会对衬砌混凝土细观结构的演化和整体稳定性造成严重影响，已经成为岩土工程研究领域的热点和难点问题。此次研究通过室内试验的方式，探讨了水工隧洞高岩温围岩及不同养护剂对衬砌混凝土力学性能的影响。结果显示，养护剂在改善高岩温衬砌混凝土力学性能方面存在重要价值，且水玻璃型养护剂的效果最佳，可以为相关工程设计和建设提供有益的支持和借鉴。当然，此次研究仅对两种常用养护剂进行对比研究，今后还应该针对高岩温工况开展新型混凝土养护剂的研发，进一步发挥养护剂在高岩温洞室工程施工中的作用和价值。

图3 不同养护剂条件下弹性模量和峰值应变随围岩温度变化曲线