水工隧洞混凝土工作性能与温升控制措施研究

于喜洋

（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁沈阳110000）

0 引言

隧洞混凝土施工过程中要求混凝土具有良好的和易性，当混凝土具有扩展度小、粘聚性差、静置泌浆以及泵送损失等问题时，极易造成堵管，且泵送损失混凝土不具备可调性，极容易出现混凝土漏孔以及蜂窝麻面等质量问题，导致实体结构存在安全隐患[1-3]。引入优质的粉煤灰以及硅灰，针对工程存在的泵送损失、流动性差、堵管以及跑浆问题，开展研究[4-6]。为避免项目实体结构中再出现类似的工程质量问题，针对混凝土原材料配合比、优质矿物掺合料取代率及混凝土基本性能进行研究，通过测试扩展度、倒筒时间、抗压强度以及水化温升等关键指标建立评价体系，把控源头，避免由于混凝土和易性导致的工程质量问题。

1 工程概况

某水电站引水隧洞设计总长度为9 967.8 m，开挖断面面积为31.70 m2，过水断面面积为14.99 m2，全断面钢筋混凝土衬砌，浇筑混凝土衬砌厚48 cm，混凝土设计强度值为C45。工程浇筑过程中，出现泵送损失、流动性差以及跑浆问题，严重影响施工进度，且对实体结构造成安全隐患。分析原因：混凝土浇筑过程中和易性差，流动性差，整体粘度较高，导致泵送设备因阻力过大无法泵送，同时由于引入的矿物掺合料为劣质材料，检测指标无法满足施工状态要求。

2 试验原材料

试验水泥为P·O42.5 级水泥，测试标准稠度需水量为 27.8%，3 d 抗压强度为 27.9 MPa，28 d 抗压强度为52.1 MPa；试验粉煤灰为I 级粉煤灰，细度为6.4%，烧失量为1.9%，需水量比为92%；试验硅灰需水量比为124%，7 d 活性指数达104%；试验中粗河砂细度模数为2.5～2.7，含泥量2.1%，碎石5～25 mm 连续级配，含泥量0.3%；外加剂为聚羧酸高效外加剂，固含量为16.7%，减水率为20%；水为饮用水。

3 水工隧洞混凝土配合比设计

混凝土配合比设计依据项目的设计要求、配合比设计规范，确保混凝土具有良好的和易性，整体粘度较低，降低泵送过程中的阻力。混凝土流动性好、包裹性好、无跑浆问题。粉料用量为单方480～500 kg，粉煤灰取代范围为0~39%，硅灰取代范围为0~10%，通过调整聚羧酸减水剂不同组分的搭配比例，达到调整混凝土和易性的目的，具体配合比如表1 所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

4 实验结果分析

4.1 不同因素对隧洞混凝土和易性的影响

针对实体出现的泵送损失、流动性差、堵管以及跑浆问题，研究矿物掺合料中粉煤灰、硅灰取代率对于混凝土扩展度、倒筒时间等和易性关键指标的影响，具体测试结果见图1。

图1 不同因素混凝土扩展度测试结果

研究矿物掺合料不同取代率对混凝土流动性的影响。研究结果表明，对比粉煤灰体系和硅灰体系，硅灰的掺入可进一步降低混凝土粘度，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土扩展度呈现先增加后不变的趋势，倒筒时间呈现先下降后不变的趋势。当粉煤灰掺量为30%时，混凝土整体粘度下降明显，倒筒时间明显降低，为3.6 s，但随粉煤灰掺量增加，粘度改善并不明显，表明粉煤灰滚珠效应已到极限。当硅灰掺量为4.2%时，混凝土粘度进一步改善，倒筒时间为3.6 s，粘聚性提升幅度明显。

4.2 不同因素对隧洞混凝土抗压强度的影响

研究矿物掺合料中不同取代率对于混凝土不同龄期抗压强度的影响，具体测试结果见图2。随着粉煤灰掺量增加，混凝土长龄期（60，90 d）强度增长幅度明显，当粉煤灰掺量为30%时，长龄期强度基本接近最大值，达到69.1 MPa，随着粉煤灰掺量继续增加，强度增幅基本不变，甚至不增长，由于粉煤灰通过水泥水化形成的碱性产物激发，进一步发生二次水化反应，形成的水化产物使结构更加密实，提高混凝土中后期抗压强度；随着硅灰掺量增加，混凝土早期强度增长幅度明显，当硅灰掺量达到4.2%时，混凝土抗压强度达到最大值，由于硅灰7 d 活性指数超过100%，因此早期强度贡献率高于水泥和粉煤灰。

图2 混凝土不同龄期抗压强度

4.3 隧洞混凝土温升性能研究

研究模拟混凝土实体结构点的温差变化规律，提供理论依据，避免由于局部温升过高导致的裂缝出现。测温点温差变化规律如图3 所示。

图3 各测温点温变规律

实验选取实验点位置处于混凝土试块边缘的中线，按照纵向分布方式设置8 个测温点，其中第4 个测温点位于纵向的中心位置，也是温度最高的测温点，为61.0 ℃；第1，2，3，4，6，7 测温点的升温速率基本一致；第1 测温点位于混凝土模拟试件底部，降温速率不快；第6，7 测温点靠近混凝土试块表面位置，降温速率稍微快一些，约1.2 ℃/ d；第8测温点处于混凝土表面，受环境温度影响较大。实验测试结果表明：混凝土内外温差均控制在25 ℃内，有效避免了实体结构由于温差导致的温度裂缝，拆模后，混凝土整体无裂缝，表面光滑。

5 结论

1）随着粉煤灰掺量的增加，混凝土和易性改善明显，流动度呈现先增加后不变的趋势，粘度呈现先下降后不变的趋势。同时，由于二次水化反应的持续进行，水化产物不断密实整体结构，提升密实度，因此，粉煤灰可提供长龄期60 d 及以上抗压强度，当粉煤灰掺量为30%时，混凝土流动性、粘度及长期强度基本达到最优值。

2）由于硅灰7 d 活性指数超过100%，因此，混凝土早期抗压强度提升显著，对比粉煤灰体系，硅灰体系可进一步降低混凝土粘度，当硅灰掺量达到4.2%时，混凝土整体粘度及粘聚性达到最优值。

3）通过对混凝土模拟实验，采用纵向选取测温点的方式，实体整体效果良好，温度差控制在25 ℃之内，有效避免里表温差导致的温度裂缝等质量问题的出现。