專利名稱：地熱侵蝕條件下隧洞襯砌用雙層結構混凝土及其施工方法
技術領域：
本發明屬于水利和土木工程材料技術領域，具體涉及ー種地熱侵蝕條件下隧洞襯砌用雙層結構混凝土及其施工方法。
背景技術：
工程中出現的高溫條件及地下水侵蝕問題，對混凝土襯砌結構的耐久性具有不利影響。若澆筑和凝結期間的溫度較高，雖然使很早期的強度得以提高，但從澆筑7天后，便會對混凝土的強度產生不利的影響，究其原因主要在于，初期的快速水化，勢必形成了物理結構不良的水化物，且大都是多孔結構，以致大部分空隙仍保持著未被填充的狀態。由膠空比(已水化水泥漿的體積與水化水泥漿與毛細孔體積之和的比值)準則可以推斷，必將引起強度的下降，因為少孔結構雖然水化作用慢，但漿體中終將達到較高的膠空比。早期高溫對 后期強度有不利影響這ー解釋已被弗貝克(Verbek)和海爾謬斯(Helmuth)所引伸，他們認為較高溫度下初始水化速率的加快減緩了此后的水化速率，且在漿體內部產生了不均勻分布的水化產物。其原因在于，在初始水化速率較高溫度下，已經離開水泥顆粒的水化產物還來不及擴散也沒有足夠的時間使其在內部空間均勻沉淀。因此，正在水化的水泥顆粒周圍聚集了高濃度的水化產物，這就減緩了此后的水化速率且對混凝土的后期強度產生了不利的影響。除此之外，水化產物本身的不均勻分布對強度產生不利影響，因為這種內部空間的膠空比低于水化程度相同但分布較均勻情況下的膠空比，這樣，局部的薄弱點使整個漿體的強度降低。另外有研究表明，初始溫度越高，最終強度越低。已發現100°C以上高溫條件下養護的混凝土隨后在通常周圍環境溫度下暴露于濕氣中可能會使效能降低，這種現象稱為延遲鈣礬石(三十ニ水三硫鋁酸六鈣)的形成，其特點是在某些集料顆粒周圍產生“裂ロ”，這些裂ロ往往含有壓緊的鈣礬石。延長鈣礬石生成(DEF)是ー種硫酸鹽侵蝕形式，主要由于高溫破壞了鈣礬石-硫酸鹽，以及鋁酸鹽，并有跡象表明上述鹽被C-S-H吸收。冷卻吋，硫酸鹽可能重新形成鈣礬石，并伴有相應的體積膨脹。這種膨脹導致在臨近的集料顆粒處形成粗大結晶的鈣礬石，同時產生內應力，最后導致開裂。DEF的確切機理目前尚不清楚，但是因其他原因(如堿集料反應ASR或溫度梯度)造成初始損傷是DEF產生惡性膨脹的先決條件。由于在地形地貌、地質條件較復雜的地區修建隧洞工程時，往往會遇到高地熱的施工困擾，此時若仍采用傳統單層混凝土，通常難以滿足工程需要，也勢必嚴重影響混凝土的強度及耐久性，且混凝土的服役壽命較低，對工程安全帶來隱患。
發明內容
為解決采用傳統單層混凝土產生的問題，本發明提供ー種地熱侵蝕條件下隧洞襯砌用雙層結構混凝土，該隧洞襯砌混凝土由結構層混凝土和保護層混凝土組成；其中，結構層采用普通的C30鋼筋混凝土，保護層采用C20復合混凝土，其是由水122kg/m3、水泥240kg/m3、細集料750kg/m3、粗集料1233kg/m3、火山灰48kg/m3、減水劑2. 88kg/m3、聚丙烯纖維I. 8kg/m3和丙烯酸酯共聚乳液36kg/m3混合比例形成的復合混凝土。由保護層來改善地熱條件下結構層混凝土的施工條件，并利用保護層的隔熱效應降低正常運行條件下結構層內外溫度差，同時由于保護層具有較強的抗裂和抗侵蝕能力，從而進一歩提高隧洞襯砌混凝土結構的整體穩定性和耐久性能。本發明適合地熱和侵蝕環境下隧洞支護，特別適合隧洞運行階段由于地熱條件襯砌混凝土易開裂等復雜底層隧洞支護。本發明還提供了這種地熱侵蝕條件下隧洞襯砌用雙層結構混凝土的施工方法，這種雙層結構混凝土由結構層混凝土和保護層混凝土組成，其中，結構層采用普通的C30鋼筋混凝土，保護層采用C20復合混凝土，其是由水122kg/m3、水泥240kg/m3、細集料750kg/m3、粗集料1233kg/m3、火山灰48kg/m3、減水劑2. 88kg/m3、聚丙烯纖維I. 8kg/m3和丙烯酸酯共聚乳液36kg/m3混合比例形成的復合混凝土。施工時，采取了立雙模、分層澆筑的方式，即在立模的情況下先進行保護層的澆筑，養護至設計強度等級的75%時拆模，對拆模后的混凝土表面進行人工鑿毛、清渣后，再架立結構層的模板并進行澆筑。按照本發明，由保護 層來改善地熱條件下結構層混凝土的施工條件，并利用保護層的隔熱效應降低正常運行條件下結構層內外溫度差，同時由于保護層具有較強的抗裂和抗侵蝕能力，從而進一步提高隧洞襯砌混凝土結構的整體穩定性和耐久性能。本發明設計的這種地熱侵蝕條件下隧洞襯砌用雙層結構混凝土及其施工方法，針對地熱特殊的環境條件，為提高隧洞襯砌混凝土整體耐久性成為可能，開創了一種地熱侵蝕條件下隧洞襯砌支護的新方法，為解決類似工程問題提供一定的理論依據和技術指導，具有重要的社會效益和巨大的經濟效益。
圖I為本發明的結構視圖。圖中的標號1為保護層，2為結構層。
具體實施例方式本發明提供的地熱侵蝕條件下隧洞襯砌用的雙層結構混凝土如圖I所示，具體實施方式
如下(I)通過熱工學導熱原理進行保護層的理論厚度，在保證隧洞結構層穩定的前提下，聯立確定隧洞開挖寬度，提出采用60cm厚雙層混凝土復合支護結構，其保護層20cm為C20復合混凝土,結構層40cm為C30混凝土,如圖I所示。(2)通過在混凝土中摻入適量的火山灰、聚丙烯纖維以及丙烯酸酯共聚乳液，可以顯著提高隧洞襯砌混凝土的抗裂、抗侵蝕性能以及隔熱性能，以達到改善地熱條件下結構層混凝土的施工條件，降低正常運行條件下結構層內外溫度差，保證地熱下隧洞結構層混凝土的正常凝結硬化。(3)針對施工期地熱蒸汽、集中涌泉對混凝土的成型以及早期養護的不利影響，根據其分布情況，在相應位置布置Φ50mm鋼管，通過鋼管將地熱蒸汽和涌泉集中外導至保護層施工的模板倉面之外，減小其在圍巖體中的蓄積升溫。本發明與傳統單層混凝土襯砌的作用原理不同，在有效改善地熱條件下結構層混凝土的施工條件，并降低正常運行條件下結構層內外溫度差的同時，從根本上解決了地熱下隧洞混凝土無法正常凝結水化硬化的問題。在實際工程中，可以利用該設計方法來定量控制隧洞襯砌雙層混凝土各自的厚度，進而控制結構層穩定的目的，達到隧洞結構安全的同時，實現其耐久的設計要求。由于地熱溫度的不同，保護層厚度在設計吋，需要經熱工學導熱原理進行理論計算來確定，并配合室內和現場試驗聯合確定。通過熱工學導熱原理進行保護層的理論厚度，在保證隧洞結構層穩定的前提下，聯立確定隧洞開挖寬度，通過在混凝土中摻入適量的火山灰、聚丙烯纖維以及丙烯酸酯共聚乳液，可以顯著提高隧洞襯砌混凝土的抗裂、抗侵蝕性能和隔熱性能，以達到改善地熱條件下結構層混凝土的施工條件，降低正常運行條件下結構層內外溫度差，保證地熱下隧洞結構層混凝土的正常凝結硬化。同時，針對施工期地熱蒸汽、集中涌泉對混凝土的成型以及早期養護的不利影響，根據其分布情況，在相應位置布置Φ50πιπι鋼管，通過鋼管將地熱蒸汽和涌泉集中外導至保護層施工的模板倉面之外，減小其在圍巖體中的蓄積升溫。隨著我國工程建設任務的不斷推進，原有地質、地形相對簡單的工程的建設任務已逐漸接近尾聲，后續興建的水利工程必將面臨更為復雜的施工技術難度和越來越復雜的 體內修建隧洞，從而實現從根本上改善隧洞施工條件和襯砌混凝土的正常凝結硬化的目的，進而提出提高隧洞襯砌混凝土的耐久性和安全性的方法，因此，ー種地熱侵蝕條件下隧洞襯砌用雙層結構混凝土設計方法的提出，必將帶來巨大的經濟和社會效益。通過混凝土性能試驗，結果顯示保護層混凝土具有護層具有較強的抗裂、抗侵蝕能力和隔熱效應，從而進一歩提高隧洞襯砌混凝土結構的整體穩定性和耐久性能(I)抗腐蝕性能砂衆試件采用70mmX 70mmX 20mm的模具,成型Id后拆模,標準條件養護下28d后取出，在供箱內供干2h后稱重，再將其分別浸泡在5 %、10 %、15 %的硫酸溶液中，4h后取出，烘干2h再稱重，繼續浸泡4h后烘干2h稱重，計算其質量損失率。試驗結果表明，復摻聚丙烯共聚乳液和火山灰后，顯著改善了水泥砂漿的微觀結構，砂漿的密實度被進ー步增強，且對比不同聚灰比和火山灰取代率，得出火山灰和聚丙稀共聚乳液復摻時，火山灰取代率為17%，聚灰比最佳比值為O. 25時，砂漿的耐腐蝕性能最佳。表I抗腐蝕性能試驗結果
權利要求
1.一種地熱侵蝕條件下隧洞襯砌用雙層結構混凝土，其特征在于由結構層混凝土和保護層混凝土組成，其中，結構層采用普通的C30鋼筋混凝土，保護層采用C20復合混凝土 ；所述保護層是由水122 kg/m3、水泥240kg/m3、細集料750kg/m3、粗集料1233 kg/m3、火山灰48kg/m3、減水劑2. 88 kg/m3、聚丙烯纖維I. 8kg/m3和丙烯酸酯共聚乳液36kg/m3混合形成的復合混凝土。
2.一種如權利要求I所述的地熱侵蝕條件下隧洞襯砌用雙層結構混凝土的施工方法，其特征在于施工時，采取了立雙模、分層澆筑的方式，即在立模的情況下先進行保護層的澆筑，養護至設計強度等級的75%時拆模，對拆模后的混凝土表面進行人工鑿毛、清渣后，再架立結構層的模板并進行澆筑；由保護層來改善地熱條件下結構層混凝土的施工條件，并利用保護層的隔熱效應降低正常運行條件下結構層內外溫度差，同時由于保護層具有較強的抗裂和抗侵蝕能力，從而進一步提高隧洞襯砌混凝土結構的整體穩定性和耐久性能。
全文摘要
一種地熱侵蝕條件下隧洞襯砌用雙層結構混凝土及其施工方法，由結構層混凝土和保護層混凝土組成，其中，結構層采用普通的C30鋼筋混凝土，保護層采用C20復合混凝土；施工時，采取了立雙模、分層澆筑的方式，即在立模的情況下先進行保護層的澆筑，養護至設計強度等級的75%時拆模，對拆模后的混凝土表面進行人工鑿毛、清渣后，再架立結構層的模板并進行澆筑；由保護層來改善地熱條件下結構層混凝土的施工條件，并利用保護層的隔熱效應降低正常運行條件下結構層內外溫度差，同時由于保護層具有較強的抗裂和抗侵蝕能力，從而進一步提高隧洞襯砌混凝土結構的整體穩定性和耐久性能。
文檔編號E21D11/38GK102661154SQ20121014805
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月14日 優先權日2012年5月14日
發明者任星, 孫海燕, 宋天文, 彭玉林, 楊玲, 林志祥, 王福來, 石鐵彪, 邱勇, 黃海燕, 龔愛民 申請人:云南農業大學