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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%、5%以及③FA15%、IO%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、lO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%、5%以及③FA15%、10%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%、10%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%、IO%与FA20%、lO%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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混凝土引用文献:
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