徐海濤

(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鐵隧道的搶險(xiǎn)工作中，冰凍法施工技術(shù)已相對(duì)成熟，其應(yīng)用也越來(lái)越多。冰凍土體的溫度較低，鹽水冷凍的土體溫度約為-5℃，液氮冷凍的土體溫度可達(dá)-40℃，且隨著地下施工深度和復(fù)雜性的增加，對(duì)安全性的要求越來(lái)越高，土地冷凍的溫度相應(yīng)地不斷降低。因?yàn)槔鋬鲆?鹽水或液氮)是持續(xù)不斷在土體間循環(huán)的，這樣與土體直接或間接接觸的混凝土便處于一個(gè)負(fù)溫的環(huán)境當(dāng)中。人工負(fù)溫混凝土與自然變負(fù)溫混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律不同，據(jù)現(xiàn)有資料所述，恒負(fù)溫情況下混凝土的強(qiáng)度比自然變負(fù)溫更低［1］。負(fù)溫混凝土的強(qiáng)度發(fā)展和質(zhì)量好壞直接關(guān)系著整個(gè)工程的質(zhì)量安全及進(jìn)度。而人工負(fù)溫混凝土的相關(guān)研究極少，隨著地下工程和冰凍法施工的迅速發(fā)展，對(duì)恒負(fù)溫混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律和配制技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究已迫在眉睫。

本文以南京地鐵二號(hào)線搶險(xiǎn)工程為例，對(duì)凍結(jié)法施工專用的負(fù)溫混凝土的配制技術(shù)及相關(guān)施工養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行了簡(jiǎn)述。

1 工程概述

由于工程所在地為河漫灘地質(zhì)，河西地下水資源豐富，南京地鐵二號(hào)線施工多次發(fā)生坍塌事故。此次事故發(fā)生時(shí)，前期暗挖施工，一次支護(hù)型鋼支架已安裝，噴射混凝土工作已施工完成，正著手下一步的二次襯砌施工暗挖區(qū)域。險(xiǎn)情發(fā)生后，元通站南端頭井、中和村路站右線西端頭井始發(fā)井已經(jīng)封閉，同時(shí)右線區(qū)間隧道內(nèi)灌水保持隧道洞內(nèi)外水土壓力平衡，管片基本完好，局部存在裂縫、錯(cuò)臺(tái)、滲漏水現(xiàn)象。據(jù)此，項(xiàng)目部決定仍采用液氮原位凍結(jié)法修復(fù)方案，使現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與完好隧道對(duì)接。凍結(jié)土體最低溫達(dá)-40℃，與土體直接或間接接觸的混凝土處于一個(gè)恒負(fù)溫的惡劣環(huán)境當(dāng)中，工程要求混凝土澆注后3 d強(qiáng)度達(dá)到5 MPa以上，能夠起到一定支撐作用，以便進(jìn)行工程后期的工作。且由于結(jié)構(gòu)的特殊性，混凝土澆注后無(wú)法進(jìn)行澆搗，要求混凝土具有自密實(shí)性。

2 恒負(fù)溫自密實(shí)混凝土配制路線

恒負(fù)溫混凝土的配制可借鑒自然變負(fù)溫混凝土的研究成果和方法。且我公司已對(duì)恒負(fù)溫混凝土的配制路線及抗凍損傷性能進(jìn)行了部分研究，并已成功應(yīng)用于長(zhǎng)江隧道聯(lián)絡(luò)通道的頂板中。但長(zhǎng)江隧道聯(lián)絡(luò)通道使用的是鹽水冰凍，土體溫度大約-5℃，混凝土實(shí)際接觸面溫度約0～5℃，負(fù)溫環(huán)境遠(yuǎn)不如本工程惡劣。根據(jù)以往研究和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，在此工程中，采取通過(guò)混凝土膠凝材料體系自身抗凍與防凍劑對(duì)混凝土在負(fù)溫下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保護(hù)不受凍的雙重抗凍技術(shù)的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)混凝土的極限負(fù)溫條件下不凍傷和滿足施工使用的功能要求。

3 試驗(yàn)用原材料及設(shè)備

1)水泥:P·O42．5，上海海螺明珠水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn);

2)粉煤灰:FI，常熟蘇虞天潤(rùn)粉煤灰有限責(zé)任公司生產(chǎn);

3)礦碴粉:S95，上海寶田礦粉廠生產(chǎn);

4)復(fù)合礦物摻合料:FSC，自配;

5)高效減水劑:FLE—2，自配;

6)防凍劑:西卡;

7)砂:中砂，細(xì)度模數(shù)2．7;

8)碎石:自密實(shí)專用石子;

9)低溫試驗(yàn)箱:QHL—2S—B，上海奇珊電子科技有限公司生產(chǎn)。

4 試驗(yàn)與結(jié)果討論

摻合料的適量摻入，取代部分水泥并以細(xì)顆粒填充空隙，使孔隙率顯著降低，密實(shí)度增加，提高混凝土的抗凍性［2］。且其后期的二次水化反應(yīng)，能顯著提高后期強(qiáng)度及增加抗腐蝕能力等耐久性［3］。但在低溫條件下，粉煤灰的摻量不宜高于15%［4-5］。高效減水劑在保持坍落度相同的情況下，能相對(duì)增長(zhǎng)混凝土抵抗凍害的能力［6］。以減水、引氣、早強(qiáng)為主的復(fù)合外加劑并復(fù)摻礦物摻合料的混凝土，在低溫條件下強(qiáng)度發(fā)展好［7］。

因此，在配方設(shè)計(jì)時(shí)，選擇粉煤灰、礦碴粉及復(fù)合礦物摻合料混摻，同時(shí)使用聚羧酸高效減水劑及西卡高效防凍劑，并根據(jù)以往配制經(jīng)驗(yàn)及前期摸索試驗(yàn)，確定基本配合比，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 配合比主要參數(shù)Table 1 Major parameters of mix proportion

4．1 負(fù)溫下混凝土強(qiáng)度發(fā)展研究

選取3個(gè)防凍劑摻量(2%，3%，5%)拌制混凝土，把立方試塊置于 -15℃ 的負(fù)溫箱中養(yǎng)護(hù)，測(cè)試各齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和圖1。

表2 負(fù)溫-15℃下混凝土的強(qiáng)度數(shù)據(jù)Table 2 Strength data of concrete at-15℃ MPa

從表2和圖1可以看出，恒負(fù)溫下混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)非常緩慢，尤其是早期較低，7 d強(qiáng)度在5 MPa以下，還不到標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度的10%，28 d強(qiáng)度略好。隨著防凍劑摻量的增大對(duì)混凝土在負(fù)溫下強(qiáng)度增長(zhǎng)有利。其中摻有3%防凍劑的混凝土強(qiáng)度明顯高于2%摻量的混凝土，5%與3%防凍劑摻量的混凝土強(qiáng)度相當(dāng)。

圖1 負(fù)溫下混凝土的強(qiáng)度Fig．1 Strength of concrete at minus temperature

把立方試塊置于 -15℃ 的負(fù)溫箱中養(yǎng)護(hù)2 d，然后移入0℃的冰箱養(yǎng)護(hù)2 d，再移回-15℃的負(fù)溫箱中養(yǎng)護(hù)，測(cè)試各齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和圖1所示。

表3 變負(fù)溫(-15～0℃)下混凝土的強(qiáng)度數(shù)據(jù)Table 3 Strength data of concrete at varied minustemperature(-15～0℃)MPa

從表3和表2的數(shù)據(jù)對(duì)比及圖1可以看出，變化的負(fù)溫環(huán)境較恒定負(fù)溫對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)更有利，在0℃養(yǎng)護(hù)2 d后混凝土強(qiáng)度有較大增長(zhǎng)，即使再放回-15℃的低溫養(yǎng)護(hù)，其后期強(qiáng)度也較恒定負(fù)溫有較大提高?？梢?jiàn)對(duì)于處于冰凍法施工負(fù)溫條件下的混凝土，養(yǎng)護(hù)起到至關(guān)重要的作用，只要養(yǎng)護(hù)措施得當(dāng)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值、結(jié)構(gòu)能較早地起到支撐作用。

4．2 防凍劑摻量的確定

從強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)看，3% 的防凍劑摻量，能在負(fù)溫下獲得較高的混凝土強(qiáng)度。為進(jìn)一步確認(rèn)防凍劑摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，在微調(diào)配合比后，對(duì)3% 和4% 防凍劑摻量的混凝土進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，以確定防凍劑摻量，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 負(fù)溫-15℃下混凝土的強(qiáng)度數(shù)據(jù)Table 4 Strength data of concrete at constant minus temperature(-15℃)MPa

3%和4%防凍劑摻量的混凝土在-15℃負(fù)溫下早期強(qiáng)度差別不大，摻4%防凍劑時(shí)混凝土強(qiáng)度略高。

?此外，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):防凍劑摻量的不同對(duì)混凝土的凝結(jié)時(shí)間有影響，表5為摻加不同量防凍劑的混凝土的凝結(jié)時(shí)間數(shù)據(jù)。

表5 摻加不同量防凍劑的混凝土的凝結(jié)時(shí)間Table 5 Setting time of concrete with different amount of anti-freezing admixture

混凝土凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，易造成混凝土早期的凍害［8］。從表5中可以看出隨著防凍劑摻量的增大，凝結(jié)時(shí)間變短，也就是說(shuō)摻量越大混凝土早期抗凍性越好。但是混凝土中防凍劑的摻量過(guò)高，會(huì)對(duì)混凝土耐久性帶來(lái)不利影響［9］，且強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，混凝土在負(fù)溫條件下強(qiáng)度也不是隨著防凍劑摻量的增加而正比例增長(zhǎng)的。綜合考慮，摻加4% 的防凍劑較合適。

4．3 自密實(shí)工作性研究

自密實(shí)混凝土的工作性能是非常重要的一方面［10］，其負(fù)溫下的特性更是值得研究探討。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土在低溫下的工作性能與常溫時(shí)有所不同。從表5可以看出，常溫時(shí)，外加劑中的緩凝成分對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度影響不大。低溫時(shí)(5℃)，外加劑中緩凝成分的增加對(duì)工作性能有利。低溫下，摻加普通FLE—2外加劑的混凝土，坍落度經(jīng)時(shí)損失和擴(kuò)展度損失非常大，1 h后混凝土幾乎喪失流動(dòng)性，根本不滿足自密實(shí)的要求;而改用緩凝LEX—9P聚羧酸外加劑后，坍落度經(jīng)時(shí)損失和擴(kuò)展度損失明顯減小，1 h后混凝土仍能保持較好的工作性。因此，本工程中選用緩凝的FLE—2外加劑。

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

5 施工與養(yǎng)護(hù)措施

由于負(fù)溫混凝土的特性，其對(duì)施工與養(yǎng)護(hù)要求較高。參考一些負(fù)溫工程的成功案例［11-12］及本公司以往低溫混凝土的施工經(jīng)驗(yàn)，制定以下相關(guān)措施確保負(fù)溫自密實(shí)混凝土在隧道冰凍法施工中的成功應(yīng)用。

1)混凝土澆注前，做好澆注部位的保溫工作，加設(shè)大功率太陽(yáng)燈或電熱毯來(lái)提高局部環(huán)境溫度。

2)運(yùn)輸過(guò)程中，混凝土攪拌車需不間斷地進(jìn)行攪拌，倒料前快轉(zhuǎn)1 min，以保證混凝土的和易性，同時(shí)促進(jìn)混凝土的水化進(jìn)行。

3)混凝土澆注后，加強(qiáng)保溫工作，用多臺(tái)大功率太陽(yáng)燈對(duì)結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行加熱，尤其是受力的底部區(qū)域，待混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)上來(lái)后，可逐漸減少太陽(yáng)燈數(shù)量直至撤銷。

4)除正常留置混凝土試塊外，增設(shè)同條件養(yǎng)護(hù)試塊，測(cè)試從第1 d開(kāi)始至第5 d，測(cè)試同條件養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度，以了解混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)情況。

6 工程應(yīng)用情況

南京地鐵二號(hào)線搶險(xiǎn)工程中，本公司研制生產(chǎn)的負(fù)溫自密實(shí)混凝土成功地應(yīng)用于冰凍法施工環(huán)境。自密實(shí)混凝土在低溫環(huán)境下具有較好的流動(dòng)性和和易性，一次性澆注并填充滿結(jié)構(gòu);且澆注后強(qiáng)度保持一定的增長(zhǎng)，據(jù)同條件養(yǎng)護(hù)試塊的測(cè)試結(jié)果看，3 d強(qiáng)度達(dá)5 MPa以上，能夠起到一定的支撐作用;如期拆模，使后續(xù)工程得以順利地按計(jì)劃進(jìn)行。

7 結(jié)論

綜上所述，可得到以下結(jié)論:

1)變負(fù)溫環(huán)境較恒定負(fù)溫更利于混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

2)隨著防凍劑摻量的增大，混凝土凝結(jié)時(shí)間變短，早期抗凍性好，強(qiáng)度較高，但防凍劑過(guò)量對(duì)混凝土耐久性不利，綜合考慮3% ～4%的防凍劑摻量較合適。

3)常溫時(shí)，外加劑中的緩凝成分對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度影響不大。低溫時(shí)(5℃)，外加劑中緩凝成分的增加對(duì)工作性有利。

4)低溫下，混凝土澆注后的保溫措施對(duì)其強(qiáng)度增長(zhǎng)尤為關(guān)鍵。

目前關(guān)于人工負(fù)溫混凝土的性能研究極少，本文對(duì)恒負(fù)溫自密實(shí)混凝土的研究，豐富了這一領(lǐng)域的理論知識(shí)和應(yīng)用范例，對(duì)今后冰凍法施工中所用混凝土的生產(chǎn)與質(zhì)量控制將起到較大的指導(dǎo)作用，對(duì)冰凍法施工安全性的提高具有實(shí)際意義，推進(jìn)了冰凍法在隧道工程施工中的應(yīng)用。若今后對(duì)低溫混凝土防凍劑進(jìn)行更為深入的研究與開(kāi)發(fā)，相信負(fù)溫混凝土在隧道施工中的應(yīng)用將更為廣泛。

［1］ 楊英姿，高小建，鄧宏衛(wèi)，等．自然變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)和恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響［J］．低溫建筑技術(shù)，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．

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［4］ 劉軍，田悅，劉智．低溫條件下礦物摻合料對(duì)混凝土孔隙率的影響［J］．沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，23(4):597-601．

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［8］ 楊英姿，王政，巴恒靜．工作性對(duì)負(fù)溫防凍劑混凝土性能的影響［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(1):30-34．

［9］ 朱衛(wèi)中．負(fù)溫混凝土科學(xué)技術(shù)研究再反思［J］．低溫建筑技術(shù)，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］ 周濤，陳永剛．釜山隧洞低溫季節(jié)混凝土襯砌施工技術(shù)［J］．葛洲壩集團(tuán)科技，2008(3):50-53．

［12］ 林政．高強(qiáng)自密實(shí)負(fù)溫混凝土結(jié)構(gòu)損傷的探討和控制［J］．地下工程與隧道，2009(1):24-27．