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1、10申请公布号CN102661154A43申请公布日20120912CN102661154ACN102661154A21申请号201210148056222申请日20120514E21D11/10200601E21D11/38200601C04B28/0020060171申请人云南农业大学地址650201云南省昆明市盘龙区北郊黑龙潭72发明人邱勇孙海燕龚爱民彭玉林宋天文林志祥杨玲黄海燕王福来石铁彪任星74专利代理机构昆明正原专利商标代理有限公司53100代理人陈左54发明名称地热侵蚀条件下隧洞衬砌用双层结构混凝土及其施工方法57摘要一种地热侵蚀条件下隧洞衬砌用双层结构混凝土及其施工方法，由结构。
2、层混凝土和保护层混凝土组成，其中，结构层采用普通的C30钢筋混凝土，保护层采用C20复合混凝土；施工时，采取了立双模、分层浇筑的方式，即在立模的情况下先进行保护层的浇筑，养护至设计强度等级的75时拆模，对拆模后的混凝土表面进行人工凿毛、清渣后，再架立结构层的模板并进行浇筑；由保护层来改善地热条件下结构层混凝土的施工条件，并利用保护层的隔热效应降低正常运行条件下结构层内外温度差，同时由于保护层具有较强的抗裂和抗侵蚀能力，从而进一步提高隧洞衬砌混凝土结构的整体稳定性和耐久性能。51INTCL权利要求书1页说明书6页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图。
3、1页1/1页21一种地热侵蚀条件下隧洞衬砌用双层结构混凝土，其特征在于由结构层混凝土和保护层混凝土组成，其中，结构层采用普通的C30钢筋混凝土，保护层采用C20复合混凝土；所述保护层是由水122KG/M3、水泥240KG/M3、细集料750KG/M3、粗集料1233KG/M3、火山灰48KG/M3、减水剂288KG/M3、聚丙烯纤维18KG/M3和丙烯酸酯共聚乳液36KG/M3混合形成的复合混凝土。2一种如权利要求1所述的地热侵蚀条件下隧洞衬砌用双层结构混凝土的施工方法，其特征在于施工时，采取了立双模、分层浇筑的方式，即在立模的情况下先进行保护层的浇筑，养护至设计强度等级的75时拆模，对拆模后。
4、的混凝土表面进行人工凿毛、清渣后，再架立结构层的模板并进行浇筑；由保护层来改善地热条件下结构层混凝土的施工条件，并利用保护层的隔热效应降低正常运行条件下结构层内外温度差，同时由于保护层具有较强的抗裂和抗侵蚀能力，从而进一步提高隧洞衬砌混凝土结构的整体稳定性和耐久性能。权利要求书CN102661154A1/6页3地热侵蚀条件下隧洞衬砌用双层结构混凝土及其施工方法技术领域0001本发明属于水利和土木工程材料技术领域，具体涉及一种地热侵蚀条件下隧洞衬砌用双层结构混凝土及其施工方法。背景技术0002工程中出现的高温条件及地下水侵蚀问题，对混凝土衬砌结构的耐久性具有不利影响。若浇筑和凝结期间的温度较高，。
5、虽然使很早期的强度得以提高，但从浇筑7天后，便会对混凝土的强度产生不利的影响，究其原因主要在于，初期的快速水化，势必形成了物理结构不良的水化物，且大都是多孔结构，以致大部分空隙仍保持着未被填充的状态。由胶空比（已水化水泥浆的体积与水化水泥浆与毛细孔体积之和的比值）准则可以推断，必将引起强度的下降，因为少孔结构虽然水化作用慢，但浆体中终将达到较高的胶空比。早期高温对后期强度有不利影响这一解释已被弗贝克（VERBEK）和海尔谬斯（HELMUTH）所引伸，他们认为较高温度下初始水化速率的加快减缓了此后的水化速率，且在浆体内部产生了不均匀分布的水化产物。其原因在于，在初始水化速率较高温度下，已经离开水。
6、泥颗粒的水化产物还来不及扩散也没有足够的时间使其在内部空间均匀沉淀。因此，正在水化的水泥颗粒周围聚集了高浓度的水化产物，这就减缓了此后的水化速率且对混凝土的后期强度产生了不利的影响。除此之外，水化产物本身的不均匀分布对强度产生不利影响，因为这种内部空间的胶空比低于水化程度相同但分布较均匀情况下的胶空比，这样，局部的薄弱点使整个浆体的强度降低。另外有研究表明，初始温度越高，最终强度越低。0003已发现100以上高温条件下养护的混凝土随后在通常周围环境温度下暴露于湿气中可能会使效能降低，这种现象称为延迟钙矾石（三十二水三硫铝酸六钙）的形成，其特点是在某些集料颗粒周围产生“裂口”，这些裂口往往含有压。
7、紧的钙矾石。延长钙矾石生成（DEF）是一种硫酸盐侵蚀形式，主要由于高温破坏了钙矾石硫酸盐，以及铝酸盐，并有迹象表明上述盐被CSH吸收。冷却时，硫酸盐可能重新形成钙矾石，并伴有相应的体积膨胀。这种膨胀导致在临近的集料颗粒处形成粗大结晶的钙矾石，同时产生内应力，最后导致开裂。DEF的确切机理目前尚不清楚，但是因其他原因（如碱集料反应ASR或温度梯度）造成初始损伤是DEF产生恶性膨胀的先决条件。0004由于在地形地貌、地质条件较复杂的地区修建隧洞工程时，往往会遇到高地热的施工困扰，此时若仍采用传统单层混凝土，通常难以满足工程需要，也势必严重影响混凝土的强度及耐久性，且混凝土的服役寿命较低，对工程安全。
8、带来隐患。发明内容0005为解决采用传统单层混凝土产生的问题，本发明提供一种地热侵蚀条件下隧洞衬砌用双层结构混凝土，该隧洞衬砌混凝土由结构层混凝土和保护层混凝土组成；其中，结构层采用普通的C30钢筋混凝土，保护层采用C20复合混凝土，其是由水122KG/M3、水泥240KG/M3、细集料750KG/M3、粗集料1233KG/M3、火山灰48KG/M3、减水剂288KG/M3、聚丙烯纤说明书CN102661154A2/6页4维18KG/M3和丙烯酸酯共聚乳液36KG/M3混合比例形成的复合混凝土。由保护层来改善地热条件下结构层混凝土的施工条件，并利用保护层的隔热效应降低正常运行条件下结构层内外温。
9、度差，同时由于保护层具有较强的抗裂和抗侵蚀能力，从而进一步提高隧洞衬砌混凝土结构的整体稳定性和耐久性能。本发明适合地热和侵蚀环境下隧洞支护，特别适合隧洞运行阶段由于地热条件衬砌混凝土易开裂等复杂底层隧洞支护。0006本发明还提供了这种地热侵蚀条件下隧洞衬砌用双层结构混凝土的施工方法，这种双层结构混凝土由结构层混凝土和保护层混凝土组成，其中，结构层采用普通的C30钢筋混凝土，保护层采用C20复合混凝土，其是由水122KG/M3、水泥240KG/M3、细集料750KG/M3、粗集料1233KG/M3、火山灰48KG/M3、减水剂288KG/M3、聚丙烯纤维18KG/M3和丙烯酸酯共聚乳液36KG/。
10、M3混合比例形成的复合混凝土。施工时，采取了立双模、分层浇筑的方式，即在立模的情况下先进行保护层的浇筑，养护至设计强度等级的75时拆模，对拆模后的混凝土表面进行人工凿毛、清渣后，再架立结构层的模板并进行浇筑。按照本发明，由保护层来改善地热条件下结构层混凝土的施工条件，并利用保护层的隔热效应降低正常运行条件下结构层内外温度差，同时由于保护层具有较强的抗裂和抗侵蚀能力，从而进一步提高隧洞衬砌混凝土结构的整体稳定性和耐久性能。0007本发明设计的这种地热侵蚀条件下隧洞衬砌用双层结构混凝土及其施工方法，针对地热特殊的环境条件，为提高隧洞衬砌混凝土整体耐久性成为可能，开创了一种地热侵蚀条件下隧洞衬砌支护。
11、的新方法，为解决类似工程问题提供一定的理论依据和技术指导，具有重要的社会效益和巨大的经济效益。附图说明0008图1为本发明的结构视图。0009图中的标号1为保护层，2为结构层。具体实施方式0010本发明提供的地热侵蚀条件下隧洞衬砌用的双层结构混凝土如图1所示，具体实施方式如下0011（1）通过热工学导热原理进行保护层的理论厚度，在保证隧洞结构层稳定的前提下，联立确定隧洞开挖宽度，提出采用60CM厚双层混凝土复合支护结构，其保护层20CM为C20复合混凝土，结构层40CM为C30混凝土，如图1所示。0012（2）通过在混凝土中掺入适量的火山灰、聚丙烯纤维以及丙烯酸酯共聚乳液，可以显著提高隧洞衬砌。
12、混凝土的抗裂、抗侵蚀性能以及隔热性能，以达到改善地热条件下结构层混凝土的施工条件，降低正常运行条件下结构层内外温度差，保证地热下隧洞结构层混凝土的正常凝结硬化。0013（3）针对施工期地热蒸汽、集中涌泉对混凝土的成型以及早期养护的不利影响，根据其分布情况，在相应位置布置50MM钢管，通过钢管将地热蒸汽和涌泉集中外导至保护层施工的模板仓面之外，减小其在围岩体中的蓄积升温。0014本发明与传统单层混凝土衬砌的作用原理不同，在有效改善地热条件下结构层混凝土的施工条件，并降低正常运行条件下结构层内外温度差的同时，从根本上解决了地热说明书CN102661154A3/6页5下隧洞混凝土无法正常凝结水化硬化。
13、的问题。在实际工程中，可以利用该设计方法来定量控制隧洞衬砌双层混凝土各自的厚度，进而控制结构层稳定的目的，达到隧洞结构安全的同时，实现其耐久的设计要求。由于地热温度的不同，保护层厚度在设计时，需要经热工学导热原理进行理论计算来确定，并配合室内和现场试验联合确定。0015通过热工学导热原理进行保护层的理论厚度，在保证隧洞结构层稳定的前提下，联立确定隧洞开挖宽度，通过在混凝土中掺入适量的火山灰、聚丙烯纤维以及丙烯酸酯共聚乳液，可以显著提高隧洞衬砌混凝土的抗裂、抗侵蚀性能和隔热性能，以达到改善地热条件下结构层混凝土的施工条件，降低正常运行条件下结构层内外温度差，保证地热下隧洞结构层混凝土的正常凝结硬。
14、化。同时，针对施工期地热蒸汽、集中涌泉对混凝土的成型以及早期养护的不利影响，根据其分布情况，在相应位置布置50MM钢管，通过钢管将地热蒸汽和涌泉集中外导至保护层施工的模板仓面之外，减小其在围岩体中的蓄积升温。0016随着我国工程建设任务的不断推进，原有地质、地形相对简单的工程的建设任务已逐渐接近尾声，后续兴建的水利工程必将面临更为复杂的施工技术难度和越来越复杂的施工条件，所以针对地热侵蚀条件下，通过采用双层结构衬砌混凝土的设计方法在高温岩体内修建隧洞，从而实现从根本上改善隧洞施工条件和衬砌混凝土的正常凝结硬化的目的，进而提出提高隧洞衬砌混凝土的耐久性和安全性的方法，因此，一种地热侵蚀条件下隧洞。
15、衬砌用双层结构混凝土设计方法的提出，必将带来巨大的经济和社会效益。0017通过混凝土性能试验，结果显示保护层混凝土具有护层具有较强的抗裂、抗侵蚀能力和隔热效应，从而进一步提高隧洞衬砌混凝土结构的整体稳定性和耐久性能0018（1）抗腐蚀性能0019砂浆试件采用70MM70MM20MM的模具，成型1D后拆模，标准条件养护下28D后取出，在烘箱内烘干2H后称重，再将其分别浸泡在5、10、15的硫酸溶液中，4H后取出，烘干2H再称重，继续浸泡4H后烘干2H称重，计算其质量损失率。0020试验结果表明，复掺聚丙烯共聚乳液和火山灰后，显著改善了水泥砂浆的微观结构，砂浆的密实度被进一步增强，且对比不同聚灰比。
16、和火山灰取代率，得出火山灰和聚丙稀共聚乳液复掺时，火山灰取代率为17，聚灰比最佳比值为025时，砂浆的耐腐蚀性能最佳。0021表1抗腐蚀性能试验结果0022说明书CN102661154A4/6页60023（2）聚丙烯纤维的力学性能和抗裂性0024混凝土干缩试验按照DL/T51502001水工混凝土试验规程进行0025表2掺有聚丙烯纤维混凝土的强度试验结果00260027表3聚丙烯纤维混凝土抗裂性试验结果00280029注权值数据为D3取33D2取22D1取11D05取05D05说明书CN102661154A5/6页7取025。0030设计聚丙烯纤维的掺量分别为045KG/M3,09KG/M3,。
17、18KG/M3，36KG/M3，从抗压强度、劈拉强度和抗裂性等方面研究聚丙烯纤维对混凝土性能的影响，试验结果表明聚丙烯纤维VF18KG/M3时，其对改善混凝土的强度和抗裂性效果最佳。00313衬砌混凝土的力学性能0032由前述试验结果得到，火山灰、聚丙烯纤维和聚合物丙烯酸酯共聚乳液各自的最优掺量，在此基础上，针对本工程受到地热和地下水侵蚀协同作用，为实现集混凝土拌合物凝结硬化、混凝土抗裂、抗侵蚀和结构稳定功能一体化混凝土复合支护结构，采用聚丙烯纤维、火山灰和聚合物组合复掺的方式进行保护层C20和结构层C30配合比设计。0033表4混凝土强度试验结果003400350036试验结果表明，结构层C。
18、30混凝土及保护层C20混凝土各组件均满足其抗压强度、劈拉强度和弹性模量都达到了设计要求。设计的保护层混凝土主要作用是抗裂、防腐及隔热，抗压强度不起决定性的作用，通过在保护层混凝土中掺入了聚丙烯纤维、火山灰及聚合物等辅料，使其在地热和地下水侵蚀作用下，其抗裂和防腐蚀性能显著提高，从而保证了隧洞衬砌结构具有整体稳定性和耐久性。00374隧洞衬砌混凝土的温度分布0038选取60、80、100和130四个环境温度，通过对普通混凝土和复合保护层混凝土试件的内不同断面上的温度进行测试，模拟地热作用下保护层复合混凝土的隔热效应。0039表5模拟不同地热温度下混凝土不同测点上的温度分布0040说明书CN10。
19、2661154A6/6页80041注1号测点靠近地热源；2号测点混凝土中心；3号测点靠近室温。试验当天的室内温度是20。0042试验结果表明，保护层的复合混凝土在地热的作用下，有较好的隔热性能，可以有效地降低混凝土表面温度，从而降低正常运行条件下结构层内外温度差，起到改善地热条件下结构层混凝土的施工条件的作用。0043在此基础上，通过现场工程原型温度检测，揭示地热段的混凝土结构各层温度的时间变化过程，以及地热段混凝土结构各层温度场的空间分布情况，结果表明，隧洞保护层复合混凝土在整个衬砌断面中具有良好的隔热效果，其隔热效应显著降低了正常运行条件下结构层内外温度差，同时保护层具有较强的抗裂性和抗侵蚀能力，提高了衬砌混凝土的耐久性。说明书CN102661154A1/1页9图1说明书附图CN102661154A。