李華斌

(吉安市水利水電規(guī)劃設計院，江西 吉安 343000)

隨著技術的不斷發(fā)展和進步，我國的水利工程建設逐步向地質復雜環(huán)境推進，在推進水資源優(yōu)化利用方面發(fā)揮重要作用的同時，也給水利工程建設和施工提出了更高的技術性要求[1]。例如，隨著深部巖土體中水工隧洞建設數(shù)量的逐年增加，高低熱隧洞也屢見不鮮。部分地下隧洞工程的圍巖巖溫達到70℃甚至更高。顯然，在高巖溫情況下，隧洞的襯砌混凝土結構施工會受到嚴重影響，不僅會造成襯砌混凝土強度降低，還會造成結構的嚴重損傷，從而影響到施工建設的順利進行和隧洞工程的整體安全性和穩(wěn)定性[2]。養(yǎng)護劑是一種噴涂在新澆筑混凝土表面的外加劑，可以有效阻止混凝土養(yǎng)護過程中的內部水分蒸發(fā)，以達到長期養(yǎng)護的效果[3]?；诖?，此次研究利用室內模擬試驗的方式，探討?zhàn)B護劑對高巖溫水工隧洞不同類型襯砌混凝土抗壓強度的影響，以便為工程設計和應用提供的借鑒和思考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

水泥是水工隧洞襯砌混凝土的主要膠凝材料，會對其抗壓強度產(chǎn)生直接影響[4]。此次研究選擇的是普通硅酸鹽水泥，經(jīng)測定，其初凝時間為156min、終凝時間為216min、28d抗壓強度和抗折強度分別為44.2MPa和7.4MPa，各項指標均滿足相關標準的要求，可以用于此次試驗研究。

試驗用混凝土的礦物摻合料為粉煤灰和礦粉。其中，粉煤灰為電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，其比表面積為365m2/kg，堆積密度為0.81g/cm3，燒失量為5.4%；試驗用礦粉為?；郀t礦渣粉，其28d活性指數(shù)為99%，燒失量為1.12%，比表面積為454m2/kg。試驗用細骨料為級配良好的河沙，粗骨料為人工石灰?guī)r碎石。試驗用減水劑為聚羧酸高性能減水劑。試驗用養(yǎng)護劑有兩種，分別為水玻璃型養(yǎng)護劑和石蠟乳液型養(yǎng)護劑。其中，水玻璃型養(yǎng)護劑的保水率為62%，成膜干燥時間為30min；石蠟乳液型養(yǎng)護劑的保水率為81%，成膜干燥時間為40min。試驗用速凝劑為低堿液體速凝劑，摻量為4.0%。

1.2 試件制備

試驗中按照水工隧洞襯砌工程常用的C35混凝土的配比要求，稱量出各種不同材料的用量，然后將水泥、骨料以及礦物摻合料倒入HJW-30型單臥強制式攪拌機進行攪拌，在攪拌30s之后加入水和減水劑再攪拌60s[5]。

為了模擬襯砌混凝土施工所處的高巖溫圍巖環(huán)境，研究中選擇長120cm、寬50cm、厚5cm的片麻巖石板模擬高溫圍巖[6]。在試驗過程中，首先將巖板的表面人工鑿毛，然后利用電爐在巖板下方均勻加熱，同時調整電爐和巖板之間的距離，使巖板上側的溫度穩(wěn)定在設定的溫度水平[7]。

將拌制好的混凝土倒在巖板上，然后插搗振動至密實，待初凝之后分別使用兩種養(yǎng)護劑涂敷，然后在養(yǎng)護室內養(yǎng)護至28d齡期[8]。在養(yǎng)護結束之后，取下巖板上的混凝土大試塊，再利用切割機將其切割為100mm×100mm×100mm的立方體試件。

1.3 試驗方法

抗壓試驗采用三軸試驗機進行[9]。在試驗過程中按照SL 264—2016《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》進行試塊的力學試驗，整個試驗過程采用變形控制的方式進行，試驗中的加載速率為0.02mm/s，直至試件完全破壞[10]。每種試驗工況取3個芯樣進行試驗，并將其試驗結果的均值作為最終試驗結果，單軸抗壓強度的計算公式為：

(1)

式中，σ—試件的抗壓強度，MPa；P—破壞荷載，N；A—試件的截面面積，mm2

試件的抗拉強度試驗中按照0.05kN/s的加載速率進行加載試驗，直至試件完全破壞，每種方案試驗6個芯樣，將其試驗數(shù)據(jù)的均值作為最終試驗結果，具體的計算公式為：

(2)

式中，σt—試件的抗拉強度，MPa；p—劈裂強度，N；d—試件直徑，mm；h—試件厚度，mm。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

利用上節(jié)提出的試驗方法對不同試驗方案下的襯砌混凝土抗壓強度進行試驗，結果見表1。利用表1中的數(shù)據(jù)繪制出如圖1所示不同養(yǎng)護劑條件下襯砌混凝土抗壓強度隨圍巖溫度變化曲線，由表1和圖1可以看出，巖溫對襯砌混凝土的抗壓強度影響顯著，隨著圍巖巖溫的升高，襯砌混凝土的抗壓強度不斷減小。由此可見，較高的圍巖巖體溫度不利于襯砌混凝土抗壓強度的提高，會對襯砌施工質量造成不利影響。究其原因是，圍巖巖體溫度的升高，會促進混凝土內部水泥等膠凝成分水化反應，并在短期內產(chǎn)生大量的水化產(chǎn)物，這些水化反應生成物由于不能得到有序沉淀，會致使其中一部分包圍在水泥顆粒周圍，影響混凝土內部后期水化反應的順利進行，最終影響到混凝土的抗壓強度。

表1 不同試驗方案下噴射混凝土抗壓強度試驗結果

圖1 不同養(yǎng)護劑條件下抗壓強度隨圍巖溫度變化曲線

另一方面，養(yǎng)護劑也是混凝土抗壓強度的重要影響因素。首先，與未使用養(yǎng)護劑的方案相比，在使用養(yǎng)護劑的情況下，襯砌混凝土的抗壓強度有顯著提升，說明使用養(yǎng)護劑可以提高高巖溫環(huán)境下襯砌混凝土的抗壓強度。從不同的養(yǎng)護劑種類對比來看，在其他條件相同的情況下，使用水玻璃型養(yǎng)護劑試件的抗壓強度值明顯偏大。以巖溫60℃工況為例，使用石蠟乳液型養(yǎng)護劑條件下，試件的抗壓強度值為30.0MPa，與無養(yǎng)護劑方案28.9MPa的抗壓強度值相比，提升了約3.81%；在使用水玻璃型養(yǎng)護劑條件下，試件的抗壓強度值為34.1MPa，與無養(yǎng)護劑方案相比，抗壓強度值提升了約17.99%。此外，從圖1還可以看出，圍巖巖溫越高，水玻璃型養(yǎng)護劑的優(yōu)勢越明顯。例如，圍巖溫度為80℃時，使用石蠟乳液型養(yǎng)護劑條件下，試件的抗壓強度值為23.3MPa，與無養(yǎng)護劑方案22.6MPa的抗壓強度值相比，僅提升了約3.09%；使用水玻璃型養(yǎng)護劑條件下，試件的抗壓強度值為29.7MPa，與無養(yǎng)護劑方案相比，抗壓強度值提升了約27.47%。由此可見，在高巖溫環(huán)境下，使用水玻璃型養(yǎng)護劑更有利于提高襯砌混凝土的抗壓強度。

2.2 劈裂抗拉強度

利用上節(jié)提出的試驗方法對不同試驗方案下的襯砌混凝土劈裂抗拉強度進行試驗，結果見表2。利用表2中的數(shù)據(jù)繪制出如圖2所示不同養(yǎng)護劑條件下襯砌混凝土劈裂抗拉強度隨圍巖溫度變化曲線，由表2和圖2可以看出，在高巖溫情況下，襯砌混凝土的劈裂抗拉強度隨著圍巖溫度的升高而持續(xù)降低。且變化規(guī)律與抗壓強度基本相似。由此可見，高巖溫會對襯砌混凝土的劈裂抗拉強度產(chǎn)生不利影響，且?guī)r溫越高影響越大。究其原因，主要是圍巖的溫度越高，襯砌混凝土的漿體就越稀疏，造成水泥水化產(chǎn)物的密實度降低，進而導致骨料和水泥漿體之間的粘結力減弱。從不同養(yǎng)護劑類型來看，在巖溫相同時，使用養(yǎng)護劑的襯砌混凝土試件的劈裂抗拉強度明顯提高，說明使用養(yǎng)護劑對提升襯砌混凝土的劈裂抗拉強度有利。從兩種養(yǎng)護劑類型的對比來看，也呈現(xiàn)出與抗壓強度類似的變化規(guī)律，在其他條件相同的情況下，使用水玻璃型養(yǎng)護劑試件的劈裂抗拉強度明顯偏大，且?guī)r溫越高優(yōu)勢越明顯。由此可見，在高巖溫條件下，使用水玻璃型養(yǎng)護劑更為有利。

表2 不同試驗方案下噴射混凝土劈裂抗拉強度試驗結果

圖2 不同養(yǎng)護劑條件下劈裂抗拉強度隨圍巖溫度變化曲線

2.3 彈性模量和峰值應變

彈性模量和峰值應變也是衡量襯砌混凝土力學性能的重要參數(shù)，可以有效反應混凝土材料的受力和變形之間的關系。根據(jù)不同試驗方案的試驗數(shù)據(jù)，計算出水工襯砌混凝土的彈性模量和峰值應變，結果見表3。由表3中的試驗結果可知，在不同養(yǎng)護劑條件下，襯砌混凝土的彈性模量隨著圍巖溫度的升高而減小，峰值應變則隨著圍巖溫度的升高而增大。究其原因，主要是隨著圍巖溫度的升高，混凝土中的膠結材料的水化反應速度加快，其生成物迅速凝集阻礙后期水化反應的充分進行，因此會造成襯砌混凝土彈性模量的降低和峰值應變的增大。從不同養(yǎng)護劑條件的對比來看，水玻璃型養(yǎng)護劑在提高襯砌混凝土彈性模量，降低峰值應變方面的作用最佳。

表3 不同試驗方案下噴射混凝土劈裂抗拉強度試驗結果

3 結論

高巖溫是深部巖土工程中普遍存在的環(huán)境現(xiàn)象，會對襯砌混凝土細觀結構的演化和整體穩(wěn)定性造成嚴重影響，已經(jīng)成為巖土工程研究領域的熱點和難點問題。此次研究通過室內試驗的方式，探討了水工隧洞高巖溫圍巖及不同養(yǎng)護劑對襯砌混凝土力學性能的影響。結果顯示，養(yǎng)護劑在改善高巖溫襯砌混凝土力學性能方面存在重要價值，且水玻璃型養(yǎng)護劑的效果最佳，可以為相關工程設計和建設提供有益的支持和借鑒。當然，此次研究僅對兩種常用養(yǎng)護劑進行對比研究，今后還應該針對高巖溫工況開展新型混凝土養(yǎng)護劑的研發(fā)，進一步發(fā)揮養(yǎng)護劑在高巖溫洞室工程施工中的作用和價值。

圖3 不同養(yǎng)護劑條件下彈性模量和峰值應變隨圍巖溫度變化曲線