吳凱

（贛州市公路發(fā)展中心瑞金分中心，江西贛州 342500）

0 引言

由于凍土的不穩(wěn)定性，常常會(huì)導(dǎo)致凍土區(qū)修建的建筑物出現(xiàn)不均勻的變形而發(fā)生損壞、倒塌等情況。研究表明，在凍土區(qū)采用樁基礎(chǔ)形式，對(duì)地基的溫度場擾動(dòng)較小，并且樁基的承載力較高、抗凍性較好，適合作為建筑物的基礎(chǔ)，但樁基礎(chǔ)在施工的過程中也會(huì)對(duì)土層中的凍土產(chǎn)生一定的影響，尤其是在澆筑混凝土?xí)r，其混凝土的水化作用釋放出的熱量會(huì)影響凍土的穩(wěn)定。

為進(jìn)一步對(duì)在凍土地區(qū)施工樁基的技術(shù)進(jìn)行研究，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上[1-5]，結(jié)合實(shí)際的工程案例，研究混凝土水化熱對(duì)樁周土的影響及低溫混凝土質(zhì)量的控制技術(shù)。

1 工程概況

本工程線路全長為3 255km，沿線所經(jīng)過的地貌為高原臺(tái)地貌，地勢(shì)較為平坦，通過實(shí)地的考察未發(fā)現(xiàn)地下水，現(xiàn)場地形見圖1（a）所示。本工程所建橋梁上部采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部采用摩擦樁基礎(chǔ)，所處地區(qū)的海拔高度的最低點(diǎn)約為4 688m，最高點(diǎn)約為4 707m，相對(duì)高差不大；根據(jù)勘探結(jié)果，該工程所處的工程地質(zhì)層包括草皮層、含土冰層、飽冰凍土層、多冰凍土層及少冰凍土層，具體的地質(zhì)斷面可見圖1（b）所示。

2 混凝土水化熱對(duì)樁周土的影響研究

2.1 檢測點(diǎn)布置方案

圖1 地形及地質(zhì)斷面圖

本文為研究在澆筑混凝土?xí)r混凝土水化反應(yīng)[6]釋放出的熱量對(duì)樁周土的影響，通過在現(xiàn)場布置檢測點(diǎn)，對(duì)整個(gè)澆筑過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測。在樁的左右兩側(cè)分別布置7個(gè)地溫檢測點(diǎn)，其中在樁左側(cè)分別離樁邊900mm及800mm布置一個(gè)，在樁右側(cè)分別布置五個(gè)點(diǎn)，距離分別為0mm、500mm、1 300mm、2 000mm及4 000mm，沿豎向的檢測點(diǎn)布置在地下0～10m范圍內(nèi)，檢測點(diǎn)間距為500mm、地下10～20m范圍內(nèi)，檢測點(diǎn)的間距為1 000mm。地下20m以下的檢測點(diǎn)間距為2 000mm。

2.2 檢測結(jié)果分析

本文對(duì)其中的一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，分別記錄該點(diǎn)在200mm、500mm、1 000mm、1 500mm、2 000mm及2 500mm處的溫度變化，具體的溫度變化情況見圖2所示。

圖2 不同地溫點(diǎn)的溫度變化曲線圖

從圖2中可以看出，不同深度的點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)大致相似，其總體的溫度變化趨勢(shì)為先降低后升高，最后再降低的變化趨勢(shì)。剛開始出現(xiàn)降低的主要原因是樁周凍土低溫在澆筑混凝土前為負(fù)溫，當(dāng)混凝土澆筑完成后，受到負(fù)溫的影響，樁基混凝土的溫度出現(xiàn)短暫的降低情況，大概在4h左右達(dá)到最低溫度；隨后其溫度快速上升，主要是由于隨著混凝土的澆筑，發(fā)生了水化反應(yīng)，釋放出大量的熱量，使其溫度大幅度上升，大約在30h左右達(dá)到最高溫；隨后其溫度逐漸下降，主要是由于水化反應(yīng)完成，不再釋放熱量，隨后在凍土的作用下，其周邊的溫度開始下降，大約在60h后恢復(fù)到0℃。

2.3 混凝土樁水化熱影響范圍試驗(yàn)研究

為進(jìn)一步分析混凝土樁水化熱的影響范圍，通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行研究，試驗(yàn)時(shí)采用水泥∶水∶砂∶石子為412∶180∶755∶1053配置C30的混凝土；試驗(yàn)的樁長約為150mm，試驗(yàn)的坑平面尺寸為1 325mm長，235mm寬；試驗(yàn)所采用的水泥為標(biāo)準(zhǔn)的硅酸鹽水泥，其具體的含量參數(shù)為：鋁酸三鈣7%，硅酸三鈣57.5%，游離氧化鈣小于1.2%，堿小于1.0%，比表面積350m2/kg。試驗(yàn)過程中，溫度傳感器沿豎向布置，各傳感器間距為現(xiàn)場布置成比例縮小20倍。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1入模溫度及水泥水化熱影響分析

本實(shí)驗(yàn)將混凝土的入模溫度定為10℃，根據(jù)試驗(yàn)最終得到入模溫度及水泥水化熱影響時(shí)間關(guān)系曲線圖，如圖3所示，從圖中可以看出，混凝土剛?cè)肽r(shí)的溫度與凍土地層的溫度不同，因此，整個(gè)澆筑的過程中，混凝土對(duì)地層熱量可以分為兩個(gè)部分，一是混凝土澆筑時(shí)的入模溫度，二是澆筑的過程中及澆筑完成后水泥水化作用產(chǎn)生的熱量。

圖3 地溫曲線圖

2.4.2 入模溫度及水泥水化熱空間影響分析

本文為研究混凝土的入模溫度及水泥水化熱的空間影響范圍，分別對(duì)不同樁徑距離點(diǎn)設(shè)置溫度感應(yīng)器，檢測不同范圍的溫度變化規(guī)律，具體的結(jié)果見圖4所示。從圖中可以看出，距樁中心不同距離的點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)大致相似，均隨時(shí)間的推移而緩慢上升。其中，距離樁最近的點(diǎn)，當(dāng)距離為1D時(shí)，開始時(shí)其土體的溫度迅速上升，而距離較遠(yuǎn)的2D、3D、4D的溫度變化較小，主要是由于該點(diǎn)距離澆筑點(diǎn)近，初始的入模溫度對(duì)該點(diǎn)具有較大的影響，也說明混凝土在澆筑時(shí)，其入模溫度的影響范圍約為1D；從圖中也可看出，對(duì)于距離為2D、3D及4D的距離，在前1 000min內(nèi)溫度的變化較小，當(dāng)超過1 000min后溫度開始上升，主要是由于前1 000min主要為澆筑混凝土的時(shí)間，此時(shí)的溫度影響來源主要是混凝土的入模溫度，隨后造成溫度變化的原因是水泥水化反應(yīng)放出的熱量，同時(shí)也可以看出水泥的水化作用釋放的熱量影響范圍較廣，可達(dá)到4D。

圖4 水平向溫度曲線

3 低溫混凝土

為減小凍土區(qū)施工對(duì)混凝土溫度變化帶來的影響，在工程中常采用低溫混凝土。本文對(duì)環(huán)境溫度、水膠比、外加劑及礦物摻合料對(duì)低溫混凝土的影響進(jìn)行研究。

3.1 原材料

本工程制備混凝土所采用的原材料包括水、水泥、粗集料、細(xì)集料、早強(qiáng)劑及粉煤灰等，其中水泥采用的是普通的硅酸鹽水泥，水泥的強(qiáng)度等級(jí)為42.5，經(jīng)過試驗(yàn)，該水泥的初凝時(shí)間為2.4h，終凝時(shí)間為3.5h，檢測其28d的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度為51.5MPa，抗剪強(qiáng)度為8.1MPa，均滿足國家規(guī)范要求；粉煤灰采用一級(jí)優(yōu)質(zhì)粉煤灰，密度為2 200kg/m3，細(xì)度為7.0%，燒失量為0.8%，需水量比為93%，其余的性能指標(biāo)均滿足要求；減水劑采用JM-PCA型聚羧酸高效減水劑，該減水劑的氯離子含量為0.02%，初凝時(shí)間為80min，終凝時(shí)間為70min。

3.2 混凝土的配合比

為研究不同的溫度環(huán)境對(duì)混凝土初凝及終凝的影響，分別設(shè)置四種不同溫度環(huán)境，分別為20℃、0℃、-50℃及-100℃環(huán)境，為研究不同混凝土配合比對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響，配置不同的混凝土配合比。此外，對(duì)混凝土配合比中的水膠比、礦物摻合料及外加劑等對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響進(jìn)行分析。具體的混凝土配合比見表1所示。

表1 混凝土配合比表

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 不同環(huán)境溫度對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

在四種不同溫度環(huán)境下對(duì)不同組混凝土的凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，混凝土的初凝及終凝時(shí)間逐漸縮短，其中A2組混凝土最為明顯，這主要是由于環(huán)境溫度的升高加速了水泥的水化反應(yīng)，從而縮短了混凝土的初凝及終凝時(shí)間；同時(shí)也可以看出，隨著溫度的升高，各組混凝土最后的初凝時(shí)間較為接近，而各組混凝土的終凝時(shí)間差值較大，說明環(huán)境溫度對(duì)混凝土的終凝時(shí)間影響較大。

圖5 環(huán)境溫度對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

3.3.2 早強(qiáng)劑對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

對(duì)不同早強(qiáng)劑摻量在低溫環(huán)境中對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6所示。從圖中可以看出，不同早強(qiáng)劑摻量的情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，混凝土的初凝及終凝時(shí)間逐漸縮短，且早強(qiáng)劑摻量多的混凝土溫度縮短量要比早強(qiáng)劑摻量少的混凝土多，例如當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時(shí)，早強(qiáng)劑摻量越多的情況下，混凝土的初凝及終凝時(shí)間較短；當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時(shí)，早強(qiáng)劑摻量多的混凝土初凝時(shí)間大幅縮短。

圖6 早強(qiáng)劑摻量對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

3.3.3 減水劑對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

對(duì)不同減水劑摻量在低溫環(huán)境中對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果見圖7所示。從圖中可以看出，不同減水劑摻量的情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，混凝土的初凝及終凝時(shí)間逐漸縮短，并且減水劑摻量小的混凝土溫度縮短量要比早強(qiáng)劑摻量多的混凝土多，例如當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時(shí)，減水劑摻量越小的情況下，混凝土的初凝及終凝時(shí)間均較短；當(dāng)環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，減水劑摻量小的混凝土初凝時(shí)間及終凝時(shí)間大幅縮短。

圖7 減水劑摻量對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

3.3.4 礦物摻合料對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

對(duì)礦物摻合料在低溫環(huán)境中對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果見圖8所示。從圖中可以看出，不論有無礦物摻合料，隨著環(huán)境溫度的升高，混凝土的初凝及終凝時(shí)間逐漸縮短，并且無礦物摻合料情況下的混凝土溫度縮短量要有礦物摻合料的混凝土多，例如當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時(shí)，無礦物摻合料情況下的混凝土初凝時(shí)間約為45min，而有礦物摻合料情況下的混凝土初凝時(shí)間約為60min；無礦物摻合料情況下的混凝土終凝時(shí)間約為70min，而有礦物摻合料情況下的混凝土初凝時(shí)間約為80min。表明有礦物摻合料的混凝土初凝及終凝時(shí)間較長。

圖8 礦物摻合料對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

4 結(jié)論

本文研究了混凝土水化熱對(duì)樁周土的影響及低溫混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響因素，研究結(jié)果表明：混凝土入模溫度及水泥水化熱的影響主要體現(xiàn)在樁基本身及附近土體，并且隨著樁徑倍數(shù)的增加，入模溫度對(duì)混凝土溫度的影響逐漸減?。辉诘蜏丨h(huán)境中，環(huán)境溫度越低，混凝土的初凝及終凝時(shí)間越長；隨著減水劑摻量的增加，混凝土的初凝及終凝時(shí)間越長；隨著早強(qiáng)劑摻量的增加，混凝土的初凝及終凝時(shí)間有所縮短；有礦物摻合料情況下的混凝土初凝及終凝時(shí)間也有所縮短。