隧洞衬砌混凝土工程温控应用研究

辜振睿，方博，陈伟，侯维红，纪宪坤

（1. 武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430083；2. 中建科技有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000）

0 前言

近年来，随着混凝土结构物的尺寸增大、强度等级提高、胶凝材料用量增多，很容易引起混凝土早期水化反应集中放热，热量快速蓄积于混凝土内部，且混凝土是热的不良导体，使得混凝土内部升温过快、过高，混凝土内外温差过大。不同部位的混凝土结构物，其外部存在各种不同的约束条件，内外温差过大会在混凝土中产生较大的温度应力，当温度应力大于混凝土抗拉强度时，温度裂缝随之产生。温度收缩容易引起混凝土结构物早期、后期非载荷裂缝的增多的现象的发生[1-3]，进一步影响混凝土结构物的防水性和耐久性。

隧洞衬砌混凝土，其底部受既有混凝土和岩层接触面的约束，加上隧洞中通风条件有限，内部环境温度较高，在高温季节施工，很容易由于温度应力过大在被约束的条件下产生裂缝，因此，本研究通过混凝土配合比的设计调整，掺入水化热抑制剂 HHC-S，以及对现场混凝土温度数据监测，对比其温控效果；并进行同期试验，对比掺入外加剂后的混凝土拌合物工作性能、混凝土凝结时间差以及不同龄期混凝土抗压强度比等性能。

基于此，通过调控混凝土温升历程降低混凝土结构物早期温升，以减小混凝土温度收缩应力，从而降低混凝土结构物产生裂缝的风险[4-7]。

1 工程信息概况

本次工程应用部位为浙江省某引水隧洞工程，项目地点位于杭州市富阳区，结构为钢筋混凝土衬砌，模板采用台车钢模板，每段长度为 12.0m，单段总共约140～150m3混凝土。

隧道衬砌混凝土等级为 C30W8F50。胶材总量为460kg/m3，其中水泥用量为 368kg/m3，水泥用量多，水化热大导致结构内部绝对温升值高；衬砌设计厚度为0.5m（由于爆破围岩厚度不同、导致实际衬砌厚度稍不均匀）。

2 试验原材料及方法

2.1 原材料

水泥：安徽海螺水泥厂，P·O 42.5 水泥。

粉煤灰：浙江富阳新洲建材有限公司，Ⅱ级粉煤灰。

砂：水洗砂，细度模数 2.1。

碎石：当地石灰石矿，级配良好，颗粒尺寸 5～20mm、20～40mm，混凝土配比比例 45:55。

减水剂：兰溪市科建工程材料有限公司，型号：ZP-Ⅱ，聚羧酸型。

引气剂：河北混凝土外加剂厂，型号：DH-9。

水化热抑制剂 HHC-S：主要成分为羟基羧酸类化合物，武汉三源特种建材有限责任公司。

2.2 仪器设备

预埋式测温线：参数符合 GB/T 51028—2015《大体积混凝土温度测控技术规范》的要求；

建筑电子测温仪：北京海创高科科技有限公司，型号 JDC-2。

2.3 试验方法

2.3.1 混凝土抗压强度比、拆模时间

按 GB 8076—2008《混凝土外加剂》中规定，检测各样品的混凝土拆模时间、抗压强度；混凝土试验配合比采用实际生产配合比。

2.3.2 混凝土初始坍落度及其经时变化

按照 GB 8076—2008中规定试验方法测定混凝土坍落度。2.3.3 混凝土温度测试方法

参照 GB 50496—2009《大体积混凝土工程施工规范》中规定选用测温元件测试混凝土温度，包括混凝土入模—达到温峰—降温至室温的整个温度变化历程。

3 试验结果与分析

3.1 混凝土试配

相关混凝土各项物理性能试验均采用现场混凝土实际生产配合比，设计坍落度 190mm，具体配合比见表1。HHC-S 的掺量为胶凝材料的 1.0%。由于掺量较小，掺入方式为直接外掺。

表 1 混凝土配合比

空白混凝土与掺加外加剂的混凝土的配合比保持不变，通过调整减水剂的用量调节混凝土的初始坍落度，混凝土初始坍落度控制在 (180±20) mm，具体见表 2。

表 2 混凝土坍落度及抗压强度

3.2 试验测温设备的准备

温度监控仪为建筑电子测温仪，为确保监控数据的准确性，正式使用前对每一根测温线进行了校准，以保证后期数据的准确性。校准过程为将温度线的传感器与标准温度计（已经过计量检测部门校准）同时放入不同温度的水中，读数后记录二者的差值（温度计读数减测温仪器读数）。

各测温线之间区别较小，误差范围大致-0.3～+0.5℃，符合 GB 51028—2015《大体积混凝土温度测控技术规范》中 5.1.3 中要求的“温度监测仪器应定期进行校准，其允许误差不应大于 0.5℃”

3.3 混凝土内部温度历程测试与结果分析

隧洞衬砌的混凝土设计及埋线见图 1 所示，测温线的埋设参照 GB 50496—2009《大体积混凝土工程施工规范》，埋设部位选在隧洞的垂直方向的中心部位，分别埋设了距岩层侧 5cm 处、距空层侧 5cm 处以及中心部位 25cm 处。

混凝土温升试验数据见表 3 所示。空白、掺HHC-S 水化热抑制剂混凝土中心部 25cm、岩层侧5cm、空层侧 5cm 的温升曲线见图 2、图 3 所示。

图 1 隧洞衬砌设计及埋线图

进行试验段工程应用时，隧道未完全打通，所以隧道内部的环境温度较为恒定，工作时间段 31.0～32.0℃，非工作时间段 28.5～29.5℃；空白混凝土试验段 10h 时撤去模板，掺水化热抑制剂 HHC-S 较空白混凝土有 6～7h 缓凝，HHC-S 混凝土试验段 17h 时撤去模板，较空白延迟 7h。

温峰出现时间，空白为 14～17h，较拆模时间晚4～7h；掺 HHC-S 为 19～22h，较拆模时间晚 2～5h，具体见表 4。在混凝土尚未到达温峰之前，且混凝土强度已满足拆模强度时，拆模带来的散热条件，有利于早期温升的降低，但是要注意控制里、表、环境的温差，须满足 GB 50496—2009《大体积混凝土工程施工规范》的规定；且在混凝土达到温峰且内外温差较大，超出规定值时，应采取合适的保温措施。

表 3 混凝土温升试验数据

4 结论

（1）在混凝土工程应用试验中，对比空白混凝土，掺 HHC-S 水化热抑制剂，通过调控混凝土的早期水化进程，避免了胶凝材料早期水化反应的集中放热，混凝土温升降低了 10.4～11.5℃，温峰时间延迟约2.4～7.2h。

（2）掺入 HHC-S 的混凝土对比空白混凝土，3d抗压强度有不同程度的降低。但其后强度增长稳定，7d与空白混凝土近似、28d 混凝土抗压强度略有提高。掺HHC-S 的混凝土工作性能良好，初始坍落度及 1h 无明显影响。

（3）掺入 HHC-S 的混凝土对比空白混凝土，初凝时间相近，终凝时间差在 7h 左右，其凝结时间差较大，一定程度上有利于胶凝材料中 C3A 等矿物早期先行水化放热，其后提供散热区间，避免混凝土中胶凝材料矿物集中水化放热。

综上所述，掺入水化热抑制剂 HHC-S，能降低混凝土结构物内外温差，从而降低混凝土结构物产生裂缝的风险，但需要注意提前作好混凝土试配，控制、协调混凝土的凝结时间、拆模时间与现场施工进度。确保混凝土的里、表、环境的温差满足 GB 50496—2009《大体积混凝土工程施工规范》的规定，在混凝土达到温峰后内外温差超出规定值时，应采取合适的保温措施，避免降温速率过快。

图 2 空白混凝土温升曲线

图 3 掺 HHC-S 混凝土温升曲线