高原地区气候环境对混凝土抗渗性影响

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1引言

对于混凝土施工项目来说，在混凝土的制备环节、施工环节以及养护环节所采用的方式，都将对混凝土的强度和抗渗性产生影响。以青海省加定（青甘界）至海晏（西海）公路JX-3标工程为例，分析高原地区气候环境对相关工程混凝土强度和抗渗性的影响。

2工程概况

项目为青海省加定（青甘界）至海晏（西海）公路JX-3标，位置位于青海省海北藏族自治州海晏县，工程内容为隧道土建工程。路线由特长隧道中点穿越黑林垭口山脉，至马兰恩格乌苏河东侧陡岸出洞，路线全长为3200m。青海省海晏县最高海拔为4583m，项目位于海拔3460m的位置。该地区全年平均气温为1.5℃，年降水量为400mm，频繁发生风沙、干旱、霜冻、冰雹等自然灾害。考虑到气候环境会对混凝土强度和抗渗性造成影响，为确保使用安全性和使用年限，需要对影响因素加以全面分析，并通过实验方式进行验证。

3环境勘察

在土建项目中，施工现场的气候环境所形成的水文地质环境对混凝土强度和抗渗性也存在一定的影响。故而在施工前，需要对当地土质情况进行全面勘察，确保施工设计方案的合理性、科学性。在该项目中，相关人员在施工前，应对当地的地理环境和自然环境进行全面勘察。

3.1项目地质环境主要特点

1）位于侵蚀构造区，施工段海拔最高为3707m，最低为3350m，施工现场地形存在较大起伏，海拔落差为357m。2）隧道的进口位置山体坡度6°～25°，固坡能力较差，边坡稳定。3）隧道出口山体坡角3°～15°，固坡能力较差，边坡稳定。4）施工区段地层岩性主要为含砾粉土、坡洪积层角砾、粉土、碎石、碎石层，第四系上更新统冰水堆积含砾粉土、角砾、含粉土碎石，三叠系上统下亚群砾岩、风化砂岩，震旦系下统湟源群青石坡组风化变砂岩、风化板岩和风化泥质砂岩。

3.2水文地质和气候

该项目隧道施工区段气候特征无霜期短、多风少雨、寒长暑短，冬季漫长，日夜温差较大。年平均气温为-0.3～3.5℃，最高气温24～29℃。极端最低气温-33℃，7月份为一年中最热月份，平均气温12～14℃，1月份气温最低-15～-10℃，年平均降水量400～500mm。最大降水量560～690mm。6～9月降水量较大，相对湿度为61%～66%，年日照时长2580～1750h，7月份日照时数最多，1月最少。平均冻土深度1.14～1.77m。在施工材料的运输方面，因为城西道路年久失修，对于材料的运输不便，进入冬季后大雪封山，所以需要提前准备施工材料。此外，为确保在气候环境影响下，混凝土施工质量需要对其具体影响因素进行分析，从而更好地确保施工质量。

4试验方法

4.1宏观性能测试

按照相关规定对混凝土强度和抗渗性进行测试，使用抗渗仪对混凝土抗渗性进行测试，按照试验渗水高度对渗透系数进行计算，水压控制在（0.8±0.05）MPa，计算公式见式（1）：Sk=mD2m2tH（1）式中，Sk为渗透系数；m为吸水率，通常取值0.03；Dm为渗水高度，mm；t为恒压经历时间，h；H为压力水头，m。

4.2气孔特征测试

混凝土孔结构通过新搅拌混凝土含气量和气孔结构分析表征，按照相关试验方法对新拌混凝土初始含气量进行测试。具体操作为将混凝土放置在测定仪中测定。分析气孔结构时的步骤：（1）对混凝土进行预处理，将养护龄达28d混凝土切为20mm×100mm×100mm薄片，分别使用600目、800目、1000目、1500目、2000目砂纸反复打磨薄片，至镜面观察不到划痕；（2）使用清洗器、无水乙醇进行清洗，时间以10min为宜，并清除样片表面和空隙中粉末，同时通过黑色墨水染色，墨水干燥后使用纳米级碳酸钙粉末填充空隙；（3）刮除多余粉末。值得注意的是，要按照相关标准使用分析仪对气孔结构进行分析，参数内容包括含气量、孔隙间距系数以及平均孔径[1]。

5试验结果整理以及分析

5.1宏观性能测试结果

5.1.1分析抗压强度。在不同的养护环境下，混凝土7d与28d的抗压等级存在一定差异。在3组试验结果中，不同养护环境下，MC组（试验大气压65.2kPa，相对湿度控制为20%±10%，温度18~22℃）混凝土强度最低，SC组（试验大气压65.3kPa，相对湿度控制在95%，温度-7~9℃）混凝土强度最高；相比于SC组，DC组（试验大气压103.2kPa，相对湿度控制在95%，温度-7~9℃）7d养护环境下，混凝土抗压强度下降10.8%，28d养护环境下，混凝土抗压强度下降8.4%。通过初步分析，判断为SC组与DC组因为植被环境与气压的差异，导致混凝土气孔结构和含气量发生变化，从而对混凝土强度产生影响。相比于SC组，MC组7d养护环境下，混凝土强度下降36.2%，28d混凝土强度下降21.8%；而两者制备环境、气压相同时，由于MC组为高原室外养护，故会因湿度低以及温差大，所以对混凝土强度造成了影响。5.1.2分析抗渗性。抗渗性能测试主要是针对混凝土抵御外界液体、气体、有毒介质能力，与抗渗性能和抗腐蚀性、抗冻性、抗碳化性存在较大的关联。通过测定后的数据整理见表1。表1数据说明，相比于SC组，DC组平均渗水高度提升8.8mm，约增加117%，渗透系数提升1.7×10-7mm·s-1，增幅约425%，MC组平均渗水高度提升18.7mm，约增加249%，渗透系数提升4.6×10-7mm·s-1，增幅约1150%。通过数据分析得出结论：相比于SC组，DC组成型条件较好，但是因为制备时易受气压因素影响，所以会导致气孔结构受到影响，因此引起混凝土内部连通性也受到影响，从而造成其抗渗性能发生变化；也就是说，在低湿度、大温差条件下，混凝不仅会土水化不充足，还会因体积变化出现裂纹，从而导致内部混凝土结构受损，所以MC组混凝土抗渗性最差。由此可知，在高原地区，通过相应方式提升混凝土强度后，为确保其耐久性、抗渗性达标需要采取相应的养护方式，需避免混凝土内部出现裂纹，以更好地保障工程项目质量和使用年限不受影响[2]。

5.2气孔特征测试分析

5.2.1收集气孔特征参数。通过含气量测定仪器对不同环境下制备的混凝土含气量进行测定，应用气孔分析仪对不同养护环境中硬化混凝土的气孔特征参数进行分析（见表2）。通过参数分析可得出2个结论。1）在不同的制备环境下，混凝土初始含气量DC组和MC组、SC组存在显著差异，使用相同的原材料在平原环境中搅拌的混凝土含气量相比于高原地区高1.1%，增幅21.3%。这主要是因为，平原地区大气压高于高原地区，高原地区大气压仅为平原地区的64%。相关研究报告表明，空气-溶液表面的张力会随着气压的降低而提升，而空气-溶液表面张力增加将导致混凝土内气泡的稳定性变差，造成在低压环境中搅拌的混凝土含气量比较低。2）混凝土含气量下降表明气泡润滑作用下降，导致黏稠阻力提升，流动性下降，坍落度下降，所以相比于MC组、SC组，DC组坍落度较高。5.2.2分析硬化后混凝土的气孔特征结果。通过实验结果分析可知，MC、SC组虽然初始含气量相同，但是在不同的养护环境下，气孔参数发生变化，而MC组含气量以及平均孔径均存在显著变化。与此同时，在分析气孔孔径的分布规律后，可总结有：（1）养护环境差异对混凝土的气孔结构及宏观性能存在较大的影响，所以在高原地区进行混凝土施工需要采取保湿和保温措施；（2）在混凝土抗冻设计时，需要对低气压环境下气泡损失加以充分考虑，并通过增加初始含气量或者使用受气压影响比较小的引气剂，从而提升混凝土的宏观性能。

6结语

以青海省加定（青甘界）至海晏（西海）公路JX-3标工程为例，对高原气候环境下混凝土强度和抗渗性影响进行分析。在该项目中，由于施工环境气温低、气压低、湿度大，对混凝土强度和抗渗性存在较大的影响，因此在实际施工前，需要对混凝土强度和抗渗性进行测试，选择最为合理的施工方式和养护方式，从而确保混凝土施工质量。

【参考文献】

[1]何锐,王铜,陈华鑫,等.青藏高原气候环境对混凝土强度和抗渗性的影响[J].中国公路学报，2020（7）：29-41.

[2]熊羽.高原低温环境下桥梁高性能混凝土的制备及性能研究[D].南京：东南大学，2017.

作者:袁孟 单位:中交二公局第三工程有限公司