高原地區(qū)氣候環(huán)境對混凝土抗?jié)B性影響

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1引言

對于混凝土施工項目來說，在混凝土的制備環(huán)節(jié)、施工環(huán)節(jié)以及養(yǎng)護環(huán)節(jié)所采用的方式，都將對混凝土的強度和抗?jié)B性產(chǎn)生影響。以青海省加定（青甘界）至海晏（西海）公路JX-3標(biāo)工程為例，分析高原地區(qū)氣候環(huán)境對相關(guān)工程混凝土強度和抗滲性的影響。

2工程概況

項目為青海省加定（青甘界）至海晏（西海）公路JX-3標(biāo)，位置位于青海省海北藏族自治州海晏縣，工程內(nèi)容為隧道土建工程。路線由特長隧道中點穿越黑林埡口山脈，至馬蘭恩格烏蘇河?xùn)|側(cè)陡岸出洞，路線全長為3200m。青海省海晏縣最高海拔為4583m，項目位于海拔3460m的位置。該地區(qū)全年平均氣溫為1.5℃，年降水量為400mm，頻繁發(fā)生風(fēng)沙、干旱、霜凍、冰雹等自然災(zāi)害。考慮到氣候環(huán)境會對混凝土強度和抗?jié)B性造成影響，為確保使用安全性和使用年限，需要對影響因素加以全面分析，并通過實驗方式進行驗證。

3環(huán)境勘察

在土建項目中，施工現(xiàn)場的氣候環(huán)境所形成的水文地質(zhì)環(huán)境對混凝土強度和抗?jié)B性也存在一定的影響。故而在施工前，需要對當(dāng)?shù)赝临|(zhì)情況進行全面勘察，確保施工設(shè)計方案的合理性、科學(xué)性。在該項目中，相關(guān)人員在施工前，應(yīng)對當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境和自然環(huán)境進行全面勘察。

3.1項目地質(zhì)環(huán)境主要特點

1）位于侵蝕構(gòu)造區(qū)，施工段海拔最高為3707m，最低為3350m，施工現(xiàn)場地形存在較大起伏，海拔落差為357m。2）隧道的進口位置山體坡度6°～25°，固坡能力較差，邊坡穩(wěn)定。3）隧道出口山體坡角3°～15°，固坡能力較差，邊坡穩(wěn)定。4）施工區(qū)段地層巖性主要為含礫粉土、坡洪積層角礫、粉土、碎石、碎石層，第四系上更新統(tǒng)冰水堆積含礫粉土、角礫、含粉土碎石，三疊系上統(tǒng)下亞群礫巖、風(fēng)化砂巖，震旦系下統(tǒng)湟源群青石坡組風(fēng)化變砂巖、風(fēng)化板巖和風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

3.2水文地質(zhì)和氣候

該項目隧道施工區(qū)段氣候特征無霜期短、多風(fēng)少雨、寒長暑短，冬季漫長，日夜溫差較大。年平均氣溫為-0.3～3.5℃，最高氣溫24～29℃。極端最低氣溫-33℃，7月份為一年中最熱月份，平均氣溫12～14℃，1月份氣溫最低-15～-10℃，年平均降水量400～500mm。最大降水量560～690mm。6～9月降水量較大，相對濕度為61%～66%，年日照時長2580～1750h，7月份日照時數(shù)最多，1月最少。平均凍土深度1.14～1.77m。在施工材料的運輸方面，因為城西道路年久失修，對于材料的運輸不便，進入冬季后大雪封山，所以需要提前準(zhǔn)備施工材料。此外，為確保在氣候環(huán)境影響下，混凝土施工質(zhì)量需要對其具體影響因素進行分析，從而更好地確保施工質(zhì)量。

4試驗方法

4.1宏觀性能測試

按照相關(guān)規(guī)定對混凝土強度和抗?jié)B性進行測試，使用抗?jié)B儀對混凝土抗?jié)B性進行測試，按照試驗滲水高度對滲透系數(shù)進行計算，水壓控制在（0.8±0.05）MPa，計算公式見式（1）：Sk=mD2m2tH（1）式中，Sk為滲透系數(shù)；m為吸水率，通常取值0.03；Dm為滲水高度，mm；t為恒壓經(jīng)歷時間，h；H為壓力水頭，m。

4.2氣孔特征測試

混凝土孔結(jié)構(gòu)通過新攪拌混凝土含氣量和氣孔結(jié)構(gòu)分析表征，按照相關(guān)試驗方法對新拌混凝土初始含氣量進行測試。具體操作為將混凝土放置在測定儀中測定。分析氣孔結(jié)構(gòu)時的步驟：（1）對混凝土進行預(yù)處理，將養(yǎng)護齡達28d混凝土切為20mm×100mm×100mm薄片，分別使用600目、800目、1000目、1500目、2000目砂紙反復(fù)打磨薄片，至鏡面觀察不到劃痕；（2）使用清洗器、無水乙醇進行清洗，時間以10min為宜，并清除樣片表面和空隙中粉末，同時通過黑色墨水染色，墨水干燥后使用納米級碳酸鈣粉末填充空隙；（3）刮除多余粉末。值得注意的是，要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)使用分析儀對氣孔結(jié)構(gòu)進行分析，參數(shù)內(nèi)容包括含氣量、孔隙間距系數(shù)以及平均孔徑[1]。

5試驗結(jié)果整理以及分析

5.1宏觀性能測試結(jié)果

5.1.1分析抗壓強度。在不同的養(yǎng)護環(huán)境下，混凝土7d與28d的抗壓等級存在一定差異。在3組試驗結(jié)果中，不同養(yǎng)護環(huán)境下，MC組（試驗大氣壓65.2kPa，相對濕度控制為20%±10%，溫度18~22℃）混凝土強度最低，SC組（試驗大氣壓65.3kPa，相對濕度控制在95%，溫度-7~9℃）混凝土強度最高；相比于SC組，DC組（試驗大氣壓103.2kPa，相對濕度控制在95%，溫度-7~9℃）7d養(yǎng)護環(huán)境下，混凝土抗壓強度下降10.8%，28d養(yǎng)護環(huán)境下，混凝土抗壓強度下降8.4%。通過初步分析，判斷為SC組與DC組因為植被環(huán)境與氣壓的差異，導(dǎo)致混凝土氣孔結(jié)構(gòu)和含氣量發(fā)生變化，從而對混凝土強度產(chǎn)生影響。相比于SC組，MC組7d養(yǎng)護環(huán)境下，混凝土強度下降36.2%，28d混凝土強度下降21.8%；而兩者制備環(huán)境、氣壓相同時，由于MC組為高原室外養(yǎng)護，故會因濕度低以及溫差大，所以對混凝土強度造成了影響。5.1.2分析抗?jié)B性。抗?jié)B性能測試主要是針對混凝土抵御外界液體、氣體、有毒介質(zhì)能力，與抗?jié)B性能和抗腐蝕性、抗凍性、抗碳化性存在較大的關(guān)聯(lián)。通過測定后的數(shù)據(jù)整理見表1。表1數(shù)據(jù)說明，相比于SC組，DC組平均滲水高度提升8.8mm，約增加117%，滲透系數(shù)提升1.7×10-7mm·s-1，增幅約425%，MC組平均滲水高度提升18.7mm，約增加249%，滲透系數(shù)提升4.6×10-7mm·s-1，增幅約1150%。通過數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論：相比于SC組，DC組成型條件較好，但是因為制備時易受氣壓因素影響，所以會導(dǎo)致氣孔結(jié)構(gòu)受到影響，因此引起混凝土內(nèi)部連通性也受到影響，從而造成其抗?jié)B性能發(fā)生變化；也就是說，在低濕度、大溫差條件下，混凝不僅會土水化不充足，還會因體積變化出現(xiàn)裂紋，從而導(dǎo)致內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)受損，所以MC組混凝土抗?jié)B性最差。由此可知，在高原地區(qū)，通過相應(yīng)方式提升混凝土強度后，為確保其耐久性、抗?jié)B性達標(biāo)需要采取相應(yīng)的養(yǎng)護方式，需避免混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，以更好地保障工程項目質(zhì)量和使用年限不受影響[2]。

5.2氣孔特征測試分析

5.2.1收集氣孔特征參數(shù)。通過含氣量測定儀器對不同環(huán)境下制備的混凝土含氣量進行測定，應(yīng)用氣孔分析儀對不同養(yǎng)護環(huán)境中硬化混凝土的氣孔特征參數(shù)進行分析（見表2）。通過參數(shù)分析可得出2個結(jié)論。1）在不同的制備環(huán)境下，混凝土初始含氣量DC組和MC組、SC組存在顯著差異，使用相同的原材料在平原環(huán)境中攪拌的混凝土含氣量相比于高原地區(qū)高1.1%，增幅21.3%。這主要是因為，平原地區(qū)大氣壓高于高原地區(qū)，高原地區(qū)大氣壓僅為平原地區(qū)的64%。相關(guān)研究報告表明，空氣-溶液表面的張力會隨著氣壓的降低而提升，而空氣-溶液表面張力增加將導(dǎo)致混凝土內(nèi)氣泡的穩(wěn)定性變差，造成在低壓環(huán)境中攪拌的混凝土含氣量比較低。2）混凝土含氣量下降表明氣泡潤滑作用下降，導(dǎo)致黏稠阻力提升，流動性下降，坍落度下降，所以相比于MC組、SC組，DC組坍落度較高。5.2.2分析硬化后混凝土的氣孔特征結(jié)果。通過實驗結(jié)果分析可知，MC、SC組雖然初始含氣量相同，但是在不同的養(yǎng)護環(huán)境下，氣孔參數(shù)發(fā)生變化，而MC組含氣量以及平均孔徑均存在顯著變化。與此同時，在分析氣孔孔徑的分布規(guī)律后，可總結(jié)有：（1）養(yǎng)護環(huán)境差異對混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)及宏觀性能存在較大的影響，所以在高原地區(qū)進行混凝土施工需要采取保濕和保溫措施；（2）在混凝土抗凍設(shè)計時，需要對低氣壓環(huán)境下氣泡損失加以充分考慮，并通過增加初始含氣量或者使用受氣壓影響比較小的引氣劑，從而提升混凝土的宏觀性能。

6結(jié)語

以青海省加定（青甘界）至海晏（西海）公路JX-3標(biāo)工程為例，對高原氣候環(huán)境下混凝土強度和抗?jié)B性影響進行分析。在該項目中，由于施工環(huán)境氣溫低、氣壓低、濕度大，對混凝土強度和抗?jié)B性存在較大的影響，因此在實際施工前，需要對混凝土強度和抗?jié)B性進行測試，選擇最為合理的施工方式和養(yǎng)護方式，從而確保混凝土施工質(zhì)量。

【參考文獻】

[1]何銳,王銅,陳華鑫,等.青藏高原氣候環(huán)境對混凝土強度和抗?jié)B性的影響[J].中國公路學(xué)報，2020（7）：29-41.

[2]熊羽.高原低溫環(huán)境下橋梁高性能混凝土的制備及性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2017.

作者:袁孟 單位:中交二公局第三工程有限公司