高海拔隧道内防冻剂对混凝土强度影响

摘要：在海拔较高地区的某隧道施工过程中，由于高原缺氧状态下昼夜温差较大，在完成洞内混凝土衬砌一个月内，发生了较长段的裂缝和变形。通过对混凝土内添加适合剂量的防冻剂来提高混凝土的强度，对于海拔约4000m地区，养护条件对隧道内混凝土最终强度影响较大，分别在混凝土中掺配0%、2%、4%、6%比例的防冻剂，混凝土抗压强度均有所改变，综合考虑隧道内混凝土强度提升和投资成本等多重因素，最终得出当防冻剂掺配比例为4%的时候是最为经济合理的。将结论应用于实践，在衬砌C40混凝土内添加了4%比例的防冻剂，效果良好。

关键词：隧道工程；高海拔地区；防冻剂；混凝土强度；掺配比例

0引言

我国地域辽阔，特别在部分北方地区，冬季气温都基本在0℃以下，甚至有些地区极端最低气温-30℃以下。水泥混凝土在施工过程中当温度降低到0℃以下时，存在于混凝土浆体中的水或浆体硬化后毛细孔中的水结冰现象，随着液相（水）到固相（冰）状态的改变，会导致浆体胀裂，如果混凝土尚未建立初始强度，或者初始强度较低时内部水分结冰，水泥水化作用停止，强度就不再增长，而结冰引起的冰晶压更容易破坏混凝土[1]。交通节能与环保TransportEnergyConservation&EnvironmentalProtection第16卷第78期2020年8月Vol.16No.4August.2020投稿日期：2020-03-07作者简介：刘宏波（1975-），男，陕西大荔人，高级工程师，研究方向为道路桥梁勘察设计。本研究针对的是在海拔较高西藏地区“国道G317矮拉山隧道新建工程”的施工过程中，由于高原缺氧状态下昼夜温差较大，在完成洞内混凝土衬砌一个月内，发生了较长段的裂缝和变形。在改善新拌混凝土抗冻害性能方面，除了注重保温和养护措施外，主要依靠添加混凝土防冻剂来增强抗冻性[2]。为促进水泥混凝土在低温情况下仍能进行水化和硬化作用，尽早提高早期强度和防止负温下混凝土被冻害以获得混凝土的防冻性能[3]，因此决定对混凝土内添加适合剂量的防冻剂来提高混凝土强度，并对防冻剂的强度影响做相应分析。

1项目概况

本项目设计为行车主洞和平行导洞二座平行隧道，主洞隧道全长4800m，隧道进口的设计高程为3970.736m，大气压强为63.885kPa；出口设计高程3905.71m，大气压强为64.054kPa。隧道平面位于直线上，衬砌采用C40钢筋泵送混凝土。本隧道地区极端最高气温33.4℃，极端最低气温-20.7℃，冻结月份为12月至来年2月。

2防冻剂对混凝土强度影响分析

2.1防冻剂产品介绍。本次分析实验采用的防冻剂是以减水、早强、降低冰点、防止冻害等组分复合而成的无氯型防冻剂，呈粉状，具有早强、防冻、适量引气、护蚀等多种功能，目的是使混凝土加入该添加剂后，可显著改善毛细孔结构，减少游离水量，有效降低混凝土液相冰点，促进低温条件下水泥水化和混凝土硬化，大幅度提高早期强度，中后期强度持续增长。防冻剂的均匀性指标见表1。2.3强度分析实验设计。实验设计依托项目实际情况，采用泵送C40混凝土成型试件，强度标准采用混凝土抗压强度，结合《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55－2011）[5]相关要求，试块尺寸采用150mm×150mm×150mm标准试块。试件于施工期内10月21日施作，养护周期28d，养护条件分别为：实验室标准养护、距离隧道口50m处养护、距离隧道口500m处养护；养护龄期分别为3d、7d、28d；防冻剂掺配比例分别按0%、2%、4%、6%掺量进行强度分析。2.4养护期间温度变化情况。实验中分别对养护期间的温度变化数据进行了采集及分析，数据采集时间分别为早上8:00时；下午14:00时，晚上20:00时及午夜24:00时。具体温度与湿度条件如下：试件标准养护温度设定为20℃，湿度不低于90%；距离隧道口内500m位置通过现场数据采集分析基本为恒温状态，温度为11℃，实测平均湿度为52%；距离隧道口内50m位置现场数据采集分析出现昼夜温差较大状态，实测平均湿度为31%，养护期间温度变化曲线见图1。图1养护期间50m处温度变化曲线Fig.1Temperaturechangecurveat50mduringcuring2.5混凝土不同条件下强度对比分析。2.5.1不同参量在不同养护条件下数据分析。（1）混凝土中不掺加防冻剂时（即0%掺量），在标准养护、恒温（洞口内500m）和昼夜温差大（洞口内50m）三种养护条件下，混凝土试件在不同龄期数据反映的强度为逐渐降低。其中昼夜温差较大和标养条件下同样标号混凝土3d早期强度降低了26%左右，28d龄期强度降低16%。0%掺量在不同养护条件下强度数据对比见图2。（2）混凝土中掺加2%防冻剂时，在标准养护、恒温（洞口内500m）和昼夜温差大（洞口内50m）三种养护条件下，混凝土试件在不同龄期数据反映的强度为逐渐降低。3d龄期养护条件下，昼夜温差大和标养条件下混凝土强度降低了14%左右，7d龄期降低了20%，28d龄期降低22%。而在恒温养护条件下早期强度增加明显，7d后强度增加较慢，最终强度与昼夜温差较大养护条件下最终混凝土强度相差9.3%；7d龄期标养与洞内恒温条件下，混凝土强度十分接近，说明在高寒高海拔地区隧道施工，当隧道掘进达到一定长度使洞内达到恒温条件时，其混凝土强度可以得到基本保证。2%掺量在不同养护条件下强度数据对比见图3。（3）混凝土中掺加4%防冻剂时，在标准养护、恒温（洞口内500m）和昼夜温差大（洞口内50m）三种养护条件下，混凝土试件在不同龄期数据反映的强度为逐渐降低，但是在28d龄期附近恒温和昼夜温差大两种养护条件下，强度几乎接近。3d龄期在不同养护条件下，早期混凝土强度非常接近，相差不足9%，说明防冻剂效果明显。标养条件下、恒温条件下和昼夜温差大条件下，7d龄期的强度比较接近，相差约5.5%和8%，说明在混凝土中掺量4%的防冻剂对前期和后期混凝土强度影响较大。28d龄期时标养条件下混凝土强度增强，而恒温条件下和昼夜温差大条件下的强度存在十分接近的趋势，说明在自然施工过程中，混凝土中掺量4%的防冻剂对混凝土强度的影响差别在逐渐减少。4%掺量在不图44%掺量在不同养护条件下强度对比Fig.4Strengthcomparisonof4%dosageunderdifferentcuringconditions同养护条件下强度数据对比见图4。（4）混凝土中掺加6%防冻剂时，在标准养护、恒温（洞口内500m）和昼夜温差大（洞口内50m）三种养护条件下，混凝土试件在不同龄期数据反映的强度为逐渐降低。其中恒温、昼夜温差大和标养条件下同样标号混凝土3d早期强度相对比较接近，分别降低3.5%和6.5%。特别是随着龄期增加，在28d龄期时，标养条件下混凝土强度相对4%掺量时有所减少，而昼夜温差较大和恒温养护条件下的混凝土强度与标养条件下的混凝土强度差别开始变大。6%掺量在不同养护条件下强度数据对比见图5。图56%掺量在不同养护条件下强度对比Fig.5Strengthcomparisonof6%dosageunderdifferentcuringconditions2.5.2不同掺量在相同养护条件下数据分析。（1）将3d龄期内在同样养护条件下，对不同掺量的混凝土强度做曲线图对比，可以看出标养条件下的各掺量混凝土强度都高于其他两种养护条件，恒温条件下次之。针对同一养护条件对比，0%至4%不同掺量的混凝土强度是逐渐增大的（除标养条件2%掺量时有所减少），在掺量4%时强度最高，6%掺量时强度呈下降趋势。3d龄期不同掺量在相同养护条件下强度曲线图见图6。（2）将7d龄期内在同样养护条件下，对不同掺量的混凝土强度做曲线图对比，可以看出标养条件下的各掺量（除2%掺量时）混凝土强度都高于其他两种养护条件，恒温条件下次之。针对同一养护条件对比，0%至4%不同掺量的混凝土强度是逐渐增大的（除标养条件2%掺量时减少），在掺量4%时强度最高，6%掺量时强度呈下降趋势。7d龄期不同掺量在相同养护条件下强度曲线图见图7。图77d龄期不同掺量条件下强度曲线Fig.7Intensitycurveunderdifferentdosageconditionsat7dage（3）将28d龄期内在同样养护条件下，对不同掺量的混凝土强度做曲线图对比，可以看出标养条件下的各掺量混凝土强度都高于其他两种养护条件，恒温条件下次之。针对同一养护条件对比，0%至4%不同掺量的混凝土强度是逐渐增大的（除标养和温差大条件下2%掺量时减少），在掺量4%时强度最高，6%掺量时强度呈明显下降趋势。28d龄期不同掺量在相同养护条件下强度曲线图见图8。2.5.3数据对比分析。由28d龄期混凝土抗压强度可以看出，4%掺量为最优掺量，2%低掺量和6%高掺量在恒温养护条件下强度增长较小，其他养护条件下均有所降低。养护条件对混凝土最终强度有决定性影响，昼夜温差较大的养护条件下混凝土抗压强度有大幅度降低，当4%最优掺量情况下，除去误差影响外，标养条件下混凝土强度（47.4MPa）达到了设计强度，其他养护条件下强度（39.8MPa，39.3MPa）基本满足。

3结论

通过对比分析，对于海拔约4000m地区，养护条件对隧道内混凝土最终强度影响较大，分别在混凝土中掺配0%、2%、4%、6%比例的防冻剂，混凝土抗压强度均有所改变，综合考虑隧道内混凝土强度提升和投资成本等的多重因素，最终得出当防冻剂掺配比例为4%的时候是最为经济合理的。随后，对于项目内隧道裂缝和变形段进行了拆除重建，并在衬砌C40混凝土内添加了4%比例的防冻剂，目前隧道已建成通车，洞内衬砌并未发现有任何裂缝和变形出现。

参考文献：

[1]白明鑫，庄志芳，吴高峰.浅析混凝土中防冻剂作用机理[J].甘肃科技，2007，4（23）：172-198.

[2]段东方，温庆如，刘尊玉.混凝土防冻剂的配制及应用[J].河南建材，2015，（01）：140-141.

[3]王子明，潘科峰.混凝土防冻剂配制新思路[J].低温建筑技术，2005，106（4）：15-16.

[4]中华人民共和国发展和改革委员会.JC475－2004，混凝土防冻剂[S].北京：中国建材工业出版社，2005.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ55－2011，普通混凝土配合比设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[6]刘宏波.高寒高海拔地区外掺减水剂时对混凝土强度的影响研究[J].昆明冶金高等专科学校学报，2019，01（35）：88-91.

作者:刘宏波 单位:国家林业局昆明勘察设计院