李向輝，汪 健，段 宇

(河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北 邯鄲056038)

近幾十年，隨著水利地下工程快速的發(fā)展，尤其在水工隧洞的建設(shè)中，開(kāi)挖深度在不斷增加，這就出現(xiàn)了高溫地?zé)崴膯?wèn)題。尤其在開(kāi)挖深度較大的隧洞中，出現(xiàn)了嚴(yán)重的高地溫現(xiàn)象，這對(duì)混凝土襯砌強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響。許多學(xué)者針對(duì)這一現(xiàn)象對(duì)混凝土進(jìn)行了多層次的研究。何錦云、王陸陸［1］通過(guò)C40混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度研究，總結(jié)出砂率和粉煤灰摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響;劉志勇［2］研究了高溫高濕環(huán)境對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響;資偉［3］通過(guò)不同的溫度環(huán)境和混凝土加熱時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，利用理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比的方法，分析出溫度對(duì)混凝土的力學(xué)性能的影響;張巖、李寧等［4］根據(jù)布倫口－公格爾水電站引水隧洞存在的高溫差環(huán)境，對(duì)混凝土襯砌進(jìn)行劈拉實(shí)驗(yàn)，最終提出高溫差環(huán)境下關(guān)于混凝土襯砌的劈拉強(qiáng)度的公式。本文采用噴射和澆筑混凝土試塊的方式，在不同溫濕度環(huán)境下養(yǎng)護(hù)混凝土，通過(guò)混凝土抗壓實(shí)驗(yàn)和XRD檢測(cè)來(lái)研究不同溫濕度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。

1 工程概括

齊熱哈塔爾水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什市塔什庫(kù)爾干塔吉克自治縣境內(nèi)的塔什庫(kù)爾干河上。工程區(qū)域?qū)儆诖箨懶愿咴瓪夂?，只有冷、暖兩季，冷季寒冷而長(zhǎng)，暖季溫和而短。氣溫的年、日變化顯著，日溫差高達(dá)20℃左右，有“早穿皮衣午穿紗，圍著火爐吃西瓜”的真實(shí)描述。

引水發(fā)電洞Ⅱ標(biāo)段為樁號(hào)4+500.00～15+660.86，洞長(zhǎng)11 160.86 m，隧洞洞徑4.7 m。尤其在3號(hào)和4號(hào)洞的洞內(nèi)溫度較高，巖壁溫度最高可達(dá)100℃以上，由于洞內(nèi)不斷通風(fēng)降溫，空氣溫度也有60℃左右，在部分洞段還有地?zé)崴某霈F(xiàn)，可謂典型的高溫地?zé)崴矶础２煌臉短?hào)所對(duì)應(yīng)的巖壁和空氣溫度變化如圖1所示。

2 混凝土的材料的選用和用量

水泥。噴射混凝土要優(yōu)先選用新鮮的無(wú)結(jié)塊的普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)不宜低于32.5級(jí)。也可采用新鮮的，標(biāo)號(hào)不低于42.5級(jí)的礦碴水泥。本實(shí)驗(yàn)采用的是邯鄲太行山水泥，42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰。Ⅱ級(jí)以上優(yōu)質(zhì)粉煤灰。它可以提高噴射混凝土的粘聚性、密實(shí)度和強(qiáng)度。

細(xì)骨料。應(yīng)優(yōu)先選用天然砂，也可采用人工砂。砂的細(xì)度模數(shù)宜為2.5～3.0，含水率宜為5% ～7%，本實(shí)驗(yàn)采用的是標(biāo)準(zhǔn)砂，砂的粒徑0.25～0.5 mm。

粗骨料。優(yōu)先選用卵石，也可采用碎石。砂石料的質(zhì)量必須滿足噴射混凝土施工規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，最大粒徑為15 mm。本實(shí)驗(yàn)采用碎石，其粒徑在5～15 mm之間。

減水劑。本實(shí)驗(yàn)采用萘系高效減水劑，其對(duì)水泥粒子有分散作用，改善混凝土的和易性，全面提高砼混凝土的物理力學(xué)性能。對(duì)混凝土有顯著的早強(qiáng)、增強(qiáng)效果，其強(qiáng)度提高幅度為 20%～60%。

速凝劑。本實(shí)驗(yàn)使用的是鋁酸鈉類(lèi)速凝劑，它一般應(yīng)用到濕噴和干噴混凝土中，效果顯著。

纖維。采用是聚丙烯纖維。

噴射混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio

3 試驗(yàn)方案

根據(jù)隧洞的溫濕度數(shù)據(jù)，選取特殊的四種工況進(jìn)行研究，即:低溫(30℃)高濕(80%)、高溫(60℃)低濕(35%)、低溫低濕(溫度30℃，濕度35%)、高溫高濕(溫度38℃，濕度80%)。依次編組為 1、2、3、4。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 抗壓強(qiáng)度結(jié)果及分析

通過(guò)7 d的養(yǎng)護(hù)后，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，抗壓數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Compression test results

通過(guò)表2可以看出，在4組實(shí)驗(yàn)中，在噴射法的試塊中，抗壓強(qiáng)度最大的是高溫低濕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)的試塊，其他三組抗壓強(qiáng)度基本接近;在澆筑法的試塊中，抗壓強(qiáng)度最大的同樣也是高溫低濕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)的試塊，低溫高濕環(huán)境下的試塊抗壓強(qiáng)度基本與其接近，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試塊強(qiáng)度最低，這反映出:高溫條件下，促進(jìn)了混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)，使試塊的強(qiáng)度在7d內(nèi)得到很好的提高。這也證明了文獻(xiàn)［5］中的結(jié)論:溫度越高，混凝土的早期強(qiáng)度越高。

比較噴射法試塊和澆筑法試塊的抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，噴射法試塊的抗壓強(qiáng)度接近澆筑法試塊抗壓強(qiáng)度的一半，通過(guò)抗壓后比較兩種試塊的斷面情況，發(fā)現(xiàn)噴射法的試塊內(nèi)部存在大量的空隙，密實(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于澆筑法的試塊。這也進(jìn)一步說(shuō)明噴射法的混凝土抗壓強(qiáng)度低于澆筑法的混凝土強(qiáng)度。

4.2 XRD測(cè)試結(jié)果及分析

圖2給出了30℃時(shí)高濕條件下的澆筑法試塊和噴射法試塊的XRD圖譜。

從圖2中可以看出噴射法試塊的氫氧化鈣(CH)的最大峰值低于澆筑法的CH峰值，說(shuō)明CH含量相對(duì)較少;水泥水化反應(yīng)是硅酸三鈣、硅酸二鈣與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)過(guò)程，主要生成CH晶體，所以通過(guò)分析水泥水化反應(yīng)后CH晶體的含量就可以得知水泥水化反應(yīng)進(jìn)行的程度［6－7］。在 a圖中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于 b 圖 CH 峰值較多，說(shuō)明水泥水化反應(yīng)比較充分。

圖3給出了38℃時(shí)高濕環(huán)境下的澆筑法試塊和噴射法試塊的XRD圖譜。

從圖3中可以看出，澆筑法試塊和噴射法試塊的CH最大峰值基本相同，但是從整體而言，還是澆筑的試塊水化反應(yīng)比較充分。對(duì)比圖2和圖3可以看出，圖2中的峰值比圖3中的峰值多，但不是很明顯，說(shuō)明高濕環(huán)境下，溫度相差不大時(shí)，幾乎不會(huì)影響水化反應(yīng)，從另一方面說(shuō)明:在30℃高濕條件和38℃高濕條件養(yǎng)護(hù)的混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度基本接近。

圖4給出了30℃時(shí)低濕環(huán)境下的澆筑法試塊和噴射法試塊的XRD圖譜。

從圖4中可以看出，澆筑試塊的曲線波動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比噴射法試塊的曲線波動(dòng)要密，說(shuō)明澆筑試塊水化反應(yīng)是比較充分的;和圖2相比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濕度降低后，噴射法試塊的水化反應(yīng)明顯降低，但是澆筑試塊的水化反應(yīng)幾乎沒(méi)太大影響，說(shuō)明濕度較高的環(huán)境，給水化反應(yīng)提供了充足的水，保證了水化反應(yīng)良好的進(jìn)行。

圖5給出了60℃時(shí)低濕環(huán)境下的澆筑法試塊和噴射法試塊的XRD圖譜。

從圖5中可以看出，澆筑試塊的CH晶體含量比噴射混凝土的CH晶體的含量多很多，說(shuō)明澆筑的試塊的水化反應(yīng)更充分;和圖3相比較發(fā)現(xiàn)，60℃環(huán)境下的CH晶體含量更高，進(jìn)一步證明了文獻(xiàn)［8］的結(jié)論:隨著溫度的升高，水泥的水化反應(yīng)程度越高，從而在短期內(nèi)迅速提高混凝土的強(qiáng)度。

5 結(jié)論

在高濕環(huán)境低溫范圍內(nèi)，溫度的變化幾乎不會(huì)影響混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)，它們的抗壓強(qiáng)度基本接近，但是當(dāng)降低濕度后，混凝土的水化反應(yīng)也隨著降低，降低幅度并不是很大，在降低到一定濕度情況下，對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響并不是很大。

當(dāng)在低濕條件下，提供溫度則會(huì)加快混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)，同時(shí)也能在短期內(nèi)提高混凝土的強(qiáng)度。由于選擇的是隧洞部分洞段的溫濕度環(huán)境進(jìn)行研究的，有一定局限性，并不影響對(duì)結(jié)果的研究。

［1］何錦云，王陸陸.C40特細(xì)砂混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度研究［J］.河北工程大學(xué):自然科學(xué)版，2012，29(3):1－4.

［2］劉志勇.高溫高濕環(huán)境中噴射混凝土材料配方試驗(yàn)研究［J］.中西部科技，2008，7(5):1－3

［3］資偉.高溫作用后混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及耐久性能研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2012.

［4］張巖，李寧，張浩博，等.溫差影響下水工隧洞噴層結(jié)構(gòu)的早期劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.水利發(fā)電學(xué)報(bào)，2014，33(2):221－224.

［5］張子明，周紅軍，趙吉坤.溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，6(32):676

［6］賈艷濤.礦渣和粉煤灰水泥基材料的水化機(jī)理研究［D］.南京:東南大學(xué)，2005.

［7］黃穎，許永吉.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋支座更換及梁體復(fù)位施工監(jiān)控研究［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，26(6):68 －73.

［8］汲江濤.高巖溫隧道襯砌混凝土力學(xué)性能的研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2013.