高地热隧道衬砌混凝土的配制参数研究.pdf

高地热隧道衬砌混凝土的配制参数研究高龙1袁李享涛2,*袁付志勇2渊1.铁正检测科技有限公司袁山东 济南 250014曰2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所袁北京 100081冤摘要院针对西部地区隧道施工面临的高地热问题袁研究了水泥种类对 20尧60尧80 益的衬砌混凝土早期水化温升和抗压强度的影响袁并模拟分析了隧道地热环境下不同含气量衬砌混凝土的塑性变形及抗压强度增长规律尧外掺石粉制备的低含气量衬砌混凝土的工作性和力学性能以及不同种类保水剂对衬砌混凝土早期失水率的影响袁 提出了高地热隧道衬砌混凝土的最佳配制参数遥结果表明院在高地热环境下低热水泥衬砌混凝土的水化温升较普通水泥衬砌混凝土降低了 4 益袁90 d 抗压强度提高了 11.5%耀16.5%曰衬砌混凝土的含气量越高袁高温对其后期强度的降低幅度越显著曰复掺石粉可有效改善低含气量衬砌混凝土的工作性袁石粉掺量宜为 6%耀15%曰保水剂聚丙烯酰胺对抑制衬砌混凝土早期失水的作用优于纤维素醚袁聚丙烯酰胺掺量宜为 0.05%耀0.10%遥关键词院高地热隧道曰衬砌混凝土曰水化温升曰制备参数曰含气量中图分类号院TU528.01文献标识码院Adoi:10.19761/j.1000-4637.2023.09.027.06Research on the preparation parameters of lining concrete for highgeothermal tunnelGAO Long1,LI Xiangtao2袁*,FU Zhiyong2(1.Tiezheng Testing Technology Co.,Ltd.,Jinan 250014,China;2.Institute of Railway Construction,China Academy ofRailway Sciences Group Co.,Ltd.,Beijing 100081,China)Abstract:In view of the high geothermal problem faced by tunnel construction in the western region,the influence ofcement types on the early hydration temperature rise and compressive strength of lining concrete under 20,60 and 80 益ambient temperatures was studied.The laws of plastic deformation and compressive strength growth of lining concrete withdifferent air content under simulated tunnel geothermal environment were analyzed.The workability and mechanicalproperties of lining concrete with low air content prepared by adding stone powder were compared.The influence ofdifferent water retaining agents on the water loss rate of lining concrete was studied,and the preparation parameters of thelining concrete for high geothermal tunnel were proposed.The results show that the hydration temperature rise of lowhydration heat cement lining concrete is reduced by 4 益 compared to ordinary cement lining concrete under highgeothermal environment,and the 90 d compressive strength is increased by 11.5%to 16.5%.The higher the air content oflining concrete is,the more significant the later strength of lining concrete caused by high temperature decrease.Composite addition of stone powder can effectively improve the workability of low air content lining concrete,and thesuitable stone powder content is about 6%to 15%.The effect of polyacrylamide on inhibiting early water loss of liningconcrete is better than that of cellulose ether,and the suitable content of polyacrylamide is 0.05%to 0.10%.Keywords:High geothermal tunnel;Lining concrete;Hydration temperature rise;Preparation parameter;Air content0引言随着工程建设项目向西部地区深入推进袁高地热隧道日渐增多袁其温度通常在 40100 益袁高地热环境逐渐成为衬砌混凝土施工不得不面临的不良问题1-2遥 有研究和工程实践表明3-5袁地热虽然会提高混凝土的早期强度袁但会影响后期强度发展6-7遥因此袁抑制衬砌混凝土内部的水分散失尧制备适用于地热环境的衬砌混凝土已成为工程技术人员关心的重要问题之一遥目前袁高地热隧道衬砌混凝土施工通常采用喷淋水养护尧涂养护剂尧掺保水剂等措施抑制衬砌混凝土内部的水分散失袁其中袁掺入保水剂可以减少混凝土浇筑期间水分蒸发袁有利于促进胶凝材料后期的水化8遥 此外袁掺入矿物掺合料可以改善衬砌混圆园23 年第 9 期混 凝 土 与 水 泥 制 品圆园23 晕燥.99 月悦匀陨晕粤 悦韵晕悦砸耘栽耘 粤晕阅 悦耘酝耘晕栽 孕砸韵阅哉悦栽杂September27-编号普通水泥低热水泥粉煤灰石粉机制砂水C-1C-2C-3C-4C-5C-6C-730703073073073073070307000001311319393939393001224364860729729729729729729729152152152152154155158复合外加剂4.824.824.105.105.235.355.67328328328328328328328765765765765765765765510 mm 碎石1020 mm 碎石1.3试验方案在表 1 配合比的基础上袁调整复合外加剂掺量控制含气量袁改变水泥种类或石粉掺量遥 按表 1 称取原材料袁制备衬砌混凝土试件袁为模拟高地热隧道环境袁本文控制养护温度为 20尧60尧80 益遥1.4测试方法坍落度尧含气量院按照 GB/T 50080要2016叶普通混凝土拌合物性能试验方法标准曳14进行测试遥抗压强度院按照 GB/T 50081要2019叶混凝土物理力学性能试验方法标准曳15进行测试遥水化温升院将制备好的衬砌混凝土分两层装入50 L 试验桶内捣实袁在中心位置埋设温度传感器16袁试验开始后袁每 1 h 自动记录一次混凝土温度遥塑性变形院成型尺寸为100mm伊100mm伊100mm的试件袁 然后在表面覆盖塑料薄膜以防止水分蒸发袁并在试件上表面放置一块玻璃板袁 根据 JG/T 408要2019叶钢筋连接用套筒灌浆料曳17要求安置测长仪袁立即放置于规定温度环境试验箱内袁待测长仪恒温后记录试件的初始竖向高度以及不同龄期的竖向高度袁计算混凝土的膨胀率遥失水率院将制备好的衬砌混凝土试件立即置于规定温度渊20 益尧80 益冤环境试验箱中袁每 1 h 称重一次袁计算试件的失水率 x袁见式渊1冤遥x=m0-mtm0-m伊100%式中院mt为 t 时试模与衬砌混凝土的质量曰m0为试模与衬砌混凝土的初始质量曰m 为试模质量遥2配制参数对衬砌混凝土性能的影响2.1水泥种类对水化温升尧抗压强度的影响不同养护温度下袁C-1 组和 C-2 组的水化温升渊1冤凝土的密实度袁使其后期强度正常增长9遥已有相关学者对高地热环境 渊或模拟地热环境冤下混凝土的性能进行了研究遥 在 4060 益蒸养环境下袁为了抑制轨道板混凝土在蒸养过程中的肿胀变形效应尧表层伤损效应尧热脆化效应等袁贺智敏10采用复掺矿物掺合料尧在静停阶段对混凝土暴露表面用土工布保湿覆盖尧 保持 7 d 水养的措施遥 文献11-13研究表明袁地热在 150 益以上的油田固井环境下时袁通常掺入硅砂来改善水泥石的钙硅比及微观结构袁从而提高水泥石的抗压强度遥现有文献主要研究的是 150 益以上高温尧 高湿环境或 60 益以下含静停阶段 渊即轨道板蒸养工况冤蒸养环境下混凝土的制备参数袁 但对于隧道岩温60100 益地热温度尧零静停条件下袁衬砌混凝土配制参数的研究相对较少遥 本文针对地热隧道环境特点袁从水泥种类尧含气量尧石粉掺量等方面袁研究高地热隧道衬砌混凝土的配制参数袁以期为隧道衬砌混凝土的制备提供参考遥1试验概况1.1原材料水泥院四川峨胜 P 窑 O 42.5 级水泥和四川嘉华 P 窑LH 42.5 级低热水泥袁其中袁低热水泥的 3 d 水化热为 178 J/g袁28 d 水化热为 270 J/g遥粉煤灰院四川神华域级粉煤灰袁烧失量为 7%遥石粉院 平均粒径为 0.045 mm 的康定呷巴乡花岗岩石粉遥细骨料院康定三盛机制砂袁细度模数为 2.7袁石粉含量为 4.7%袁MB 值为 1.2遥粗骨料院 康定三盛粒径为 510 mm尧1020 mm碎石遥保水剂院山东某公司生产的甲基纤维素醚和北京某公司生产的乳液型聚丙烯酰胺遥复合外加剂院由河北某公司生产的聚羧酸高性能减水剂尧引气剂尧消泡剂混合而成遥水院自来水遥1.2配合比经试配袁确定工程常用 C40 衬砌混凝土的配合比见表 1遥 表中院除 C-2 组采用低热水泥外袁其余组均采用普通水泥曰C-3耀C-7 的石粉掺量分别占胶凝材料质量的 3%尧6%尧9%尧12%尧15%遥表 1衬砌混凝土的配合比Table 1Mix proportions of lining concretekg/m3圆园23 年第 9 期混凝土与水泥制品总第 329 期28-图 3不同含气量衬砌混凝土的塑性变形Figure 3Plastic deformation of lining concrete with differentair content04812162024时间/h0.160.140.120.100.080.060.040.0201.0%2.0%4.0%6.0%图 2水泥种类对衬砌混凝土抗压强度的影响Figure 2Effect of cement types on compressive strength of lining concrete010 20 30 40 50 60 70 80 90龄期/d706050403020100渊a冤20 益渊b冤60 益渊c冤80 益龄期/dC-1C-2龄期/d变化情况见图 1遥由图 1 可知袁随着水化时间的增加袁衬砌混凝土的温度在 16 h 前迅速升高并达到峰值袁随后温度逐渐降低并趋于稳定遥 在 20尧60尧80 益温度下袁随着水化温度升高袁C-2 组的温度比 C-1 组均低 4 益左右袁原因是低热水泥具有早期放热速率缓慢尧水化热总量低的特性18遥因此袁为控制隧道衬砌混凝土早期水化温升袁可采用 C-2 组渊低热水泥冤遥不同养护温度下,C-1 组和 C-2 组的抗压强度变化见图 2遥706050403020100010 20 30 40 50 60 70 80 90C-1C-2706050403020100010 20 30 40 50 60 70 80 90C-1C-2020406080 100 120 140水化时间/h1009080706050403020100图 1水泥种类对衬砌混凝土水化温升的影响Figure 1Effect of cement types on the hydration temperaturerise of lining concreteC-1袁20 益C-1袁60 益C-1袁80 益C-2袁20 益C-2袁60 益C-2袁80 益由图 2 可知袁 在 20尧60尧80 益温度下袁C-2 组的早期渊1 d尧3 d冤抗压强度均低于 C-1 组袁后期渊56 d尧90 d冤抗压强度均高于 C-1 组遥 随着养护温度的升高袁C-2 组的 90 d 抗压强度较C-1 组分别提高了13.5%尧11.5%尧16.5%遥2.2含气量对塑性变形尧抗压强度的影响由于高地热隧道现场工况常见温度为 60 益袁故控制衬砌混凝土的含气量分别为 1.0%尧2.0%尧4.0%尧6.0%袁研究养护温度 60 益时不同含气量衬砌混凝土的塑性变形袁试验结果见图 3遥由图 3 可知袁不同养护温度下袁不同含气量衬砌混凝土在塑性阶段的体积变形均呈膨胀趋势袁2 h时袁膨胀率达到最大值袁4 h 后膨胀率趋于平缓遥 当含气量臆4.0%时袁 衬砌混凝土的膨胀率最大为0.02%曰当含气量为 6.0%时袁衬砌混凝土的膨胀率最大为 0.15%左右遥不同含气量衬砌混凝土的抗压强度见图 4遥由图 4 可知袁当含气量为 1.0%时袁20尧60尧80 益养护温度下的衬砌混凝土 90 d 抗压强度基本相当曰当含气量为 2.0%时袁 与 20 益相比袁60 益尧80 益养护温度下的衬砌混凝土 90 d 抗压强度分别降低了17.0%尧21.0%曰当含气量为 4.0%时袁与 20 益相比袁60 益尧80 益养护温度下的衬砌混凝土 90 d 抗压强度分别降低了 22.8%尧32.4%曰 当含气量为 6.0%时袁与 20 益相比袁60 益尧80 益养护温度下的衬砌混凝土90 d 抗压强度分别降低了 35.9%尧38.4%遥 由此可见袁对于含气量为 1.0%的衬砌混凝土袁高温几乎不影响其后期强度曰而衬砌混凝土含气量越高袁高温对其后期强度的影响逐渐增加袁降低幅度也越来越显著遥 因此袁为控制高地热环境下衬砌混凝土的塑性膨胀及后期强度袁含气量宜控制在 4.0%以下遥2.3石粉掺量对工作性尧抗压强度的影响石粉掺量对衬砌混凝土的工作性尧抗压强度的影响结果见表 2遥高地热隧道衬砌混凝土的配制参数研究高龙袁李享涛袁付志勇29-渊b冤含气量为 2.0%渊c冤含气量为 4.0%渊a冤含气量为 1.0%020406080100龄期/d8070605040302010020 益60 益80 益龄期/d龄期/d图 4不同含气量衬砌混凝土的抗压强度Figure 4Compressive strength of lining concrete with different air content渊d冤含气量为 6.0%龄期/d20 益60 益80 益20 益60 益80 益20 益60 益80 益表 2石粉掺量对衬砌混凝土工作性和抗压强度的影响Table 2Effect of stone powder contents on workability and compressive strength of lining concrete扩展度/mm含气量/%拌合物状态抗压强度/MPa28 d56 d4905205806006053.03.23.12.82.9包裹性差包裹性较好包裹性好袁流动性好包裹性好袁流动性好包裹性好袁但黏度较大47.746.747.848.744.353.751.652.455.151.2石粉掺量/%3691215编号C-3C-4C-5C-6C-7020406080100807060504030201008070605040302010080706050403020100020406080100020406080100由表 2 可知袁当石粉含量为 3%12%时,随着石粉掺量的增加袁石粉颗粒填充作用明显袁衬砌混凝土拌合物包裹性变好尧扩展度增加19-22遥 但石粉掺量过多渊掺量为 15%冤会导致衬砌混凝土黏度增大袁施工性能尧抗压强度降低遥 因此袁衬砌混凝土的石粉掺量宜为 6%耀12%遥2.4保水剂对衬砌混凝土失水率的影响在 C-1 组配合比的基础上袁掺入不同掺量的保水剂 渊纤维素醚尧 聚丙烯酰胺冤袁 研究其掺量渊0尧0.01%尧0.02%尧0.03%尧0.04%冤 对 20 益尧80 益养护温度下衬砌混凝土失水率的影响袁结果见图 5遥由图 5渊a冤尧图 5渊b冤可知袁当养护温度为 20 益时袁24 h 内随着养护时间的延长袁 衬砌混凝土的失水率持续增加曰养护 24 h 时袁掺 0.01%纤维素醚的衬砌混凝土失水率最低袁比未掺纤维素醚时的失水率降低了 16.3%遥 当养护温度为 80 益时袁24 h 内随着养护时间的延长袁衬砌混凝土的失水率呈现先快速增加后缓慢增加的趋势曰养护 24 h 时袁掺 0.04%纤维素醚的衬砌混凝土失水率最低袁比未掺纤维素醚时的失水率降低了 10.0%遥由图 5渊c冤尧图 5渊d冤可知袁当养护温度为 20 益时袁24 h 内随着养护时间的延长袁 衬砌混凝土的失水率增加曰养护 24 h 时袁掺 0.10%聚丙烯酰胺的衬砌混凝土失水率最低袁比未掺聚丙烯酰胺时的失水率降低了 17.5%曰 当养护温度为 80 益时袁24 h 内随着养护时间的延长袁衬砌混凝土的失水率呈现先快速增加后缓慢增加的趋势曰养护 24 h 时袁掺 0.10%聚丙烯酰胺的衬砌混凝土失水率比未掺聚丙烯酰胺时降低了 32.7%遥由此可知袁聚丙烯酰胺对抑制衬砌混凝土失水的效果明显优于纤维素醚遥 当聚丙烯酰胺掺量超过 0.10%时袁 衬砌混凝土失水率基本相当袁这是因为聚丙烯酰胺具有增黏作用袁其掺量较高时易影响衬砌混凝土的流动性23-24遥 因此袁聚丙烯酰胺保水剂的掺量宜为 0.05%耀0.10%遥圆园23 年第 9 期混凝土与水泥制品总第 329 期30-渊d冤80 益-聚丙烯酰胺0510152025时间/h8.07.06.05.04.03.02.01.00渊a冤20 益-纤维素醚渊b冤80 益-纤维素醚0510152025时间/h4.03.53.02.52.01.51.00.5000.01%0.02%0.03%0.04%0510152025时间/h8.07.06.05.04.03.02.01.00渊c冤20 益-聚丙烯酰胺0510152025时间/h4.03.53.02.52.01.51.00.5000.01%0.02%0.03%0.04%00.05%0.10%0.20%0.30%00.05%0.10%0.20%0.30%图 5不同保水剂掺量对衬砌混凝土失水率的影响Figure 5The effect of different water retaining agent contents on the water loss rate of lining concrete3结论渊1冤高地热环境下采用低热水泥配制衬砌混凝土能降低衬砌混凝土的早期水化温升袁提高混凝土后期强度遥渊2冤为控制高地热环境下衬砌混凝土的塑性变形袁含气量宜小于 4%遥渊3冤通过外掺石粉可以有效改善低含气量衬砌混凝土的工作性袁石粉掺量宜为 6%耀12%遥渊4冤高地热环境下聚丙烯酰胺抑制衬砌混凝土早期失水的效果优于纤维素醚袁聚丙烯酰胺掺量宜为 0.05%耀0.10%遥渊5冤在采用普通水泥的基础上袁通过调整含气量尧适当提高石粉掺量尧掺加适宜的保水剂袁可在一定程度上解决混凝土因高温塑性肿胀引起的强度损伤问题袁改善混凝土的性能遥参考文献院1 黄润秋,王贤能.深埋长隧道工程开挖的主要地质灾害问题研究J.地质灾害与环境保护,1997,8(1):50-68.2 徐长春.高地热尧高地应力条件下的隧道的力学行为及工程措施研究D.重庆:重庆交通大学,2009.3 吴军.地热丰富区隧道混凝土力学性能发展规律研究D.重庆:重庆交通大学,2018.4 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