隧道冻结法施工专用混凝土的研究

徐海涛

(上海隧道工程股份有限公司混凝土分公司，上海 200023)

0 引言

在地下工程尤其是地铁隧道的抢险工作中，冰冻法施工技术已相对成熟，其应用也越来越多。冰冻土体的温度较低，盐水冷冻的土体温度约为-5℃，液氮冷冻的土体温度可达-40℃，且随着地下施工深度和复杂性的增加，对安全性的要求越来越高，土地冷冻的温度相应地不断降低。因为冷冻液(盐水或液氮)是持续不断在土体间循环的，这样与土体直接或间接接触的混凝土便处于一个负温的环境当中。人工负温混凝土与自然变负温混凝土的强度发展规律不同，据现有资料所述，恒负温情况下混凝土的强度比自然变负温更低［1］。负温混凝土的强度发展和质量好坏直接关系着整个工程的质量安全及进度。而人工负温混凝土的相关研究极少，随着地下工程和冰冻法施工的迅速发展，对恒负温混凝土的强度发展规律和配制技术进行系统研究已迫在眉睫。

本文以南京地铁二号线抢险工程为例，对冻结法施工专用的负温混凝土的配制技术及相关施工养护措施进行了简述。

1 工程概述

由于工程所在地为河漫滩地质，河西地下水资源丰富，南京地铁二号线施工多次发生坍塌事故。此次事故发生时，前期暗挖施工，一次支护型钢支架已安装，喷射混凝土工作已施工完成，正着手下一步的二次衬砌施工暗挖区域。险情发生后，元通站南端头井、中和村路站右线西端头井始发井已经封闭，同时右线区间隧道内灌水保持隧道洞内外水土压力平衡，管片基本完好，局部存在裂缝、错台、渗漏水现象。据此，项目部决定仍采用液氮原位冻结法修复方案，使现浇钢筋混凝土结构与完好隧道对接。冻结土体最低温达-40℃，与土体直接或间接接触的混凝土处于一个恒负温的恶劣环境当中，工程要求混凝土浇注后3 d强度达到5 MPa以上，能够起到一定支撑作用，以便进行工程后期的工作。且由于结构的特殊性，混凝土浇注后无法进行浇捣，要求混凝土具有自密实性。

2 恒负温自密实混凝土配制路线

恒负温混凝土的配制可借鉴自然变负温混凝土的研究成果和方法。且我公司已对恒负温混凝土的配制路线及抗冻损伤性能进行了部分研究，并已成功应用于长江隧道联络通道的顶板中。但长江隧道联络通道使用的是盐水冰冻，土体温度大约-5℃，混凝土实际接触面温度约0～5℃，负温环境远不如本工程恶劣。根据以往研究和生产的经验，在此工程中，采取通过混凝土胶凝材料体系自身抗冻与防冻剂对混凝土在负温下的内部结构保护不受冻的双重抗冻技术的技术路线，实现混凝土的极限负温条件下不冻伤和满足施工使用的功能要求。

3 试验用原材料及设备

1)水泥:P·O42．5，上海海螺明珠水泥有限责任公司生产;

2)粉煤灰:FI，常熟苏虞天润粉煤灰有限责任公司生产;

3)矿碴粉:S95，上海宝田矿粉厂生产;

4)复合矿物掺合料:FSC，自配;

5)高效减水剂:FLE—2，自配;

6)防冻剂:西卡;

7)砂:中砂，细度模数2．7;

8)碎石:自密实专用石子;

9)低温试验箱:QHL—2S—B，上海奇珊电子科技有限公司生产。

4 试验与结果讨论

掺合料的适量掺入，取代部分水泥并以细颗粒填充空隙，使孔隙率显著降低，密实度增加，提高混凝土的抗冻性［2］。且其后期的二次水化反应，能显著提高后期强度及增加抗腐蚀能力等耐久性［3］。但在低温条件下，粉煤灰的掺量不宜高于15%［4-5］。高效减水剂在保持坍落度相同的情况下，能相对增长混凝土抵抗冻害的能力［6］。以减水、引气、早强为主的复合外加剂并复掺矿物掺合料的混凝土，在低温条件下强度发展好［7］。

因此，在配方设计时，选择粉煤灰、矿碴粉及复合矿物掺合料混掺，同时使用聚羧酸高效减水剂及西卡高效防冻剂，并根据以往配制经验及前期摸索试验，确定基本配合比，主要参数见表1。

表1 配合比主要参数Table 1 Major parameters of mix proportion

4．1 负温下混凝土强度发展研究

选取3个防冻剂掺量(2%，3%，5%)拌制混凝土，把立方试块置于 -15℃ 的负温箱中养护，测试各龄期混凝土的抗压强度，数据见表2和图1。

表2 负温-15℃下混凝土的强度数据Table 2 Strength data of concrete at-15℃ MPa

从表2和图1可以看出，恒负温下混凝土的强度增长非常缓慢，尤其是早期较低，7 d强度在5 MPa以下，还不到标养强度的10%，28 d强度略好。随着防冻剂掺量的增大对混凝土在负温下强度增长有利。其中掺有3%防冻剂的混凝土强度明显高于2%掺量的混凝土，5%与3%防冻剂掺量的混凝土强度相当。

图1 负温下混凝土的强度Fig．1 Strength of concrete at minus temperature

把立方试块置于 -15℃ 的负温箱中养护2 d，然后移入0℃的冰箱养护2 d，再移回-15℃的负温箱中养护，测试各龄期混凝土的抗压强度，数据见表3和图1所示。

表3 变负温(-15～0℃)下混凝土的强度数据Table 3 Strength data of concrete at varied minustemperature(-15～0℃)MPa

从表3和表2的数据对比及图1可以看出，变化的负温环境较恒定负温对混凝土强度增长更有利，在0℃养护2 d后混凝土强度有较大增长，即使再放回-15℃的低温养护，其后期强度也较恒定负温有较大提高。可见对于处于冰冻法施工负温条件下的混凝土，养护起到至关重要的作用，只要养护措施得当，混凝土强度达到设计值、结构能较早地起到支撑作用。

4．2 防冻剂掺量的确定

从强度数据来看，3% 的防冻剂掺量，能在负温下获得较高的混凝土强度。为进一步确认防冻剂掺量对混凝土强度的影响，在微调配合比后，对3% 和4% 防冻剂掺量的混凝土进行强度测试，以确定防冻剂掺量，数据见表4。

表4 负温-15℃下混凝土的强度数据Table 4 Strength data of concrete at constant minus temperature(-15℃)MPa

3%和4%防冻剂掺量的混凝土在-15℃负温下早期强度差别不大，掺4%防冻剂时混凝土强度略高。

〛此外，试验中发现:防冻剂掺量的不同对混凝土的凝结时间有影响，表5为掺加不同量防冻剂的混凝土的凝结时间数据。

表5 掺加不同量防冻剂的混凝土的凝结时间Table 5 Setting time of concrete with different amount of anti-freezing admixture

混凝土凝结时间的延长，易造成混凝土早期的冻害［8］。从表5中可以看出随着防冻剂掺量的增大，凝结时间变短，也就是说掺量越大混凝土早期抗冻性越好。但是混凝土中防冻剂的掺量过高，会对混凝土耐久性带来不利影响［9］，且强度实验数据也表明，混凝土在负温条件下强度也不是随着防冻剂掺量的增加而正比例增长的。综合考虑，掺加4% 的防冻剂较合适。

4．3 自密实工作性研究

自密实混凝土的工作性能是非常重要的一方面［10］，其负温下的特性更是值得研究探讨。试验发现，混凝土在低温下的工作性能与常温时有所不同。从表5可以看出，常温时，外加剂中的缓凝成分对混凝土坍落度和扩展度影响不大。低温时(5℃)，外加剂中缓凝成分的增加对工作性能有利。低温下，掺加普通FLE—2外加剂的混凝土，坍落度经时损失和扩展度损失非常大，1 h后混凝土几乎丧失流动性，根本不满足自密实的要求;而改用缓凝LEX—9P聚羧酸外加剂后，坍落度经时损失和扩展度损失明显减小，1 h后混凝土仍能保持较好的工作性。因此，本工程中选用缓凝的FLE—2外加剂。

表6 混凝土的工作性Table 6 Workability of concrete

5 施工与养护措施

由于负温混凝土的特性，其对施工与养护要求较高。参考一些负温工程的成功案例［11-12］及本公司以往低温混凝土的施工经验，制定以下相关措施确保负温自密实混凝土在隧道冰冻法施工中的成功应用。

1)混凝土浇注前，做好浇注部位的保温工作，加设大功率太阳灯或电热毯来提高局部环境温度。

2)运输过程中，混凝土搅拌车需不间断地进行搅拌，倒料前快转1 min，以保证混凝土的和易性，同时促进混凝土的水化进行。

3)混凝土浇注后，加强保温工作，用多台大功率太阳灯对结构局部进行加热，尤其是受力的底部区域，待混凝土强度增长上来后，可逐渐减少太阳灯数量直至撤销。

4)除正常留置混凝土试块外，增设同条件养护试块，测试从第1 d开始至第5 d，测试同条件养护试块强度，以了解混凝土强度增长情况。

6 工程应用情况

南京地铁二号线抢险工程中，本公司研制生产的负温自密实混凝土成功地应用于冰冻法施工环境。自密实混凝土在低温环境下具有较好的流动性和和易性，一次性浇注并填充满结构;且浇注后强度保持一定的增长，据同条件养护试块的测试结果看，3 d强度达5 MPa以上，能够起到一定的支撑作用;如期拆模，使后续工程得以顺利地按计划进行。

7 结论

综上所述，可得到以下结论:

1)变负温环境较恒定负温更利于混凝土强度的增长。

2)随着防冻剂掺量的增大，混凝土凝结时间变短，早期抗冻性好，强度较高，但防冻剂过量对混凝土耐久性不利，综合考虑3% ～4%的防冻剂掺量较合适。

3)常温时，外加剂中的缓凝成分对混凝土坍落度和扩展度影响不大。低温时(5℃)，外加剂中缓凝成分的增加对工作性有利。

4)低温下，混凝土浇注后的保温措施对其强度增长尤为关键。

目前关于人工负温混凝土的性能研究极少，本文对恒负温自密实混凝土的研究，丰富了这一领域的理论知识和应用范例，对今后冰冻法施工中所用混凝土的生产与质量控制将起到较大的指导作用，对冰冻法施工安全性的提高具有实际意义，推进了冰冻法在隧道工程施工中的应用。若今后对低温混凝土防冻剂进行更为深入的研究与开发，相信负温混凝土在隧道施工中的应用将更为广泛。

［1］ 杨英姿，高小建，邓宏卫，等．自然变负温养护和恒负温养护对混凝土强度的影响［J］．低温建筑技术，2009(4):1-4．

［2］ Fuminori T，Kwangryul H．A Study on the Concrete Using Fly Ash as a Part of Fine Aggregate［J］．Summaries of Technical Papers of Annual Meeting，1997(3):253-261．

［3］ Kwangryul H，Fuminori T．A Properties of Pore Structure on the Concrete Using Fly Ash as a Partial Replacement for FineAggregate ［J］． CementScience and Concrete Technology Japan Cement Association，1998(52):86-87．

［4］ 刘军，田悦，刘智．低温条件下矿物掺合料对混凝土孔隙率的影响［J］．沈阳建筑大学学报:自然科学版，2007，23(4):597-601．

［5］ 刘军，李振国，田悦．低温条件下矿物掺合料对混凝土强度发展及抗冻临界强度的影响［J］．沈阳建筑大学学报:自然科学版，2006，22(3):415-420．

［6］ ChatterjiS． Freezing of air-entrained cement-based materials and specific actions of air-entraining agents［J］．Cement and Concrete Composites，2003(25):759-765．

［7］ 刘军，李振国，姜黎黎，等．外加剂对低温条件混凝土抗冻临界强度的影响［J］．沈阳建筑大学学报:自然科学版，2005，21(6):676-680．

［8］ 杨英姿，王政，巴恒静．工作性对负温防冻剂混凝土性能的影响［J］．武汉理工大学学报，2009，31(1):30-34．

［9］ 朱卫中．负温混凝土科学技术研究再反思［J］．低温建筑技术，2002(3):1-4．

［10］ Nader Ghafoori，Hamidou Diawara．Influence of temperature on fresh performance ofself-compacting concrete［J］．Construction and Building Materials，2009(11):1-10．

［11］ 周涛，陈永刚．釜山隧洞低温季节混凝土衬砌施工技术［J］．葛洲坝集团科技，2008(3):50-53．

［12］ 林政．高强自密实负温混凝土结构损伤的探讨和控制［J］．地下工程与隧道，2009(1):24-27．