浅析隔热混凝土喷层支护积水在水利工程中的运用

孙志国

摘要：在水利工程中，喷射混凝土施工经常会受到施工环境高温的影响，导致施工质量出现问题，严重拖慢了施工进度。因此我们开始致力于隔热混凝土喷射施工技术，这不仅可以有效提升施工质量，还可以使施工的环境得到有效改善。

关键词：隔热;混凝土;喷层支护;水利工程

引言：本文以某水利工程巷道施工为基础，对新型隔热保湿混凝土喷层支护施工技术进行分析。目前施工中常见的两种隔热材料：页岩陶粒、玻化微珠，对他们的性状、隔热原理等进行介绍分析，并结合实际工程，对其回弹损失率、围岩压力、混凝土压力等进行实践分析。

一、深井热源介绍与隔热材料性能分析

深井热源

水利施工作业在进行到坝底时，会受到多种热源热量的干扰，导致施工受到高温热害的影响。热源的产生原因有很多，比如有机电设备使用时的散热，空气压缩造成的放热情况，坝底围岩散热等，但是绝大多数的热量来源都是来自与围岩散热5。围岩的热量会散发到水坝的底部深处，同时也会受空气对流的影响，将热量传导至地下水中。综合分析以上两种散热方式，热量散发到围岩的表面之后，会使井下空气的温度变高，井下热源是围岩传热的主要热量来源，深井热量几乎有一半是来源与围岩传热。由于高温环境部会对水利工程的混凝土喷射施工造成极大的影响，因此我们开始了对隔热混凝土材料的研究，利用隔热混凝土材料在坝底制作一个喷层支护结构，防止热量向围岩的底部传递，降低施工环境的温度。

材料性能分析

隔热材料的选择

页岩陶粒：页岩陶粒的组成物质主要有泥质岩石、黏土、粉煤灰、煤矸石等，通过煅烧加工的方式将其制作成颗粒级配的陶质物，其内部为分布的微孔结构外部有一层极密的釉壳，形状呈球形。页岩陶粒的孔隙率与筒压强度都十分高，并且具有较好的隔热保温、耐火、抗震性能1。

玻化微珠：玻化微珠的质量非常轻，属于非金属类物质，保湿隔热性能十分好，形状呈粉末颗粒状，是将火山岩矿石中松脂岩作为原材料，通过开采破碎之后经过筛分，高温燃烧膨胀玻化制作而成。理化性能十分稳定，材料质量十分轻，具有很好的隔热性能，防火耐高温，不易老化，防水性能好2。

隔热材料原理

目前使用的隔热材料主要有陶粒、玻化微珠等，将原本使用的砂石替换掉，从而使混凝土材料的孔隙率得到提升，以這样的方式来降低热量的传导速度，使热量在传导的过程中被消耗掉，从而使混凝土材料的受热温度降低，提升材料的隔热保温性能3。砂石的骨料含量比较低，对混凝土强度的影响比较大，因此在设计材料的配合比时，一定要对混凝土的强度以及保温隔热性能进行考量.

将陶粒与玻化微珠替换掉混凝土中的石子与砂子材料之后，混凝土的导热系数得到了有效的降低，这是由于将这两种材料加入到混凝土中之后，混凝土的内部结构会形成多孔状，热量不仅会在骨料中进行传播，在空隙的空气中也会传播4。而在正大混凝土的孔隙之后，就使得热量的传播渠道增加了，同时也使得热量的传播损失量得到了提升，热量在传播过程中被损失掉之后，混凝土的温度也就得到了有效的降低。但是砂石骨料是支撑混凝土强度的重要原材料，混凝土中砂石骨料的份量被降低之后，混凝土的强度自然会有所降低，因此需要合理控制各种原材料的掺入量，既要保证混凝土的保湿隔热性能，又要满足水利工程施工混凝土结构强度的要求。

二、隔热混凝土的配制及试件制作

材料的选择

水泥： 水泥材料方面的选择，本试验的选用材料为当地某水泥厂生产的42级普通硅酸盐水泥，石子也是采用的当地生产的原材料，颗粒的粒径大小在6毫米到12毫米之间。砂子也是选用的当地的河砂，细度模数为2.7，含泥比例控制在0.02范围内。

粉煤灰：有相关的研究数据证明，在混凝土原料配合过程中，掺入适量的粉煤灰材料，可以是混凝土的粘黏性与流动性得到有效提升，并且可以节省水泥的使用量，本试验选用的是当地某厂商生产的一级粉煤灰材料。

页岩陶粒： 页岩陶粒是混凝土混合中的主要原材料之一，本试验选择的页岩陶粒密度大小为每立方606千克，吸水率为0.16，筒压强度控制在3.2兆帕以上，粒径的大小范围控制在4.8毫米到14.8毫米左右。替代混凝土中的瓜子片材料。

玻化微珠：本试验采用的玻化微珠材料密度为每立方78千克，吸水率大小为0.1，替换混凝土中的砂子材料，以体积比例的形式计算参入量。

聚丙乙烯纤维：该材料选取形状为单丝束状，选取长度为10毫米。

外掺剂：一般外掺剂的选择类型主要有早强剂与减水剂，本试验选择的减水剂原材料为聚羧酸，早强剂原材料为氯化钠。

配合比设计

以水利工程施工的深井喷射混凝土施工为试验的基础模型，在经过多次的模拟实验与实践分析之后，我们确定隔热混凝土各原材料的配合比为：水泥与石子与砂子与水的配合比为1：1.82：1.82：0.48。聚乙烯纤维材料的掺入量控制为每立方0.92千克，减水剂在水泥质量中的占比为百分之一，早强剂在水泥质量中的占比为百分之二。将混凝土的配合比作为定量，将页岩陶粒、玻化微珠以及粉煤灰的掺入量作为变量。形成三种组合比例混合方案，陶粒代替石子的用量比例组合为百分之二十、百分之四十、百分之六十;粉煤灰代替水泥的用量比例组合为百分之十、百分之二十、百分之说三十、玻化微珠占混凝土体积的比例组合为百分之六十、百分之一百、百分之一百四十。

试验过程与结果分析

本试验采用的是正交试验方式，一共设定了二十七组试验方式，分别对材料的导热性能、抗压强度、抗拉强度以及抗折强度进行了测量，

通过对实验测量之后我们可以知道，样本试件导热系数的波动范围大致在0.1781瓦/（米.开尔文）到0.2538瓦/（米.开尔文）之间，而普通混凝土构件的导热系数在1.75瓦/（米.开尔文）之间，然后我们采用功效系数法的方式对混凝土试件的其他参数进行分析，选定最佳的掺入量组合，在经过实验数据进行分析之后，我们得到，功效系数d的最大取值为0.95303，对应的混合比标号为5，因此确定具体的掺入量比例为：百分之二十（页岩陶粒）百分之一百（玻化微珠）、百分之二十（粉煤灰）。

结束语：由试验可知，新型隔热混凝土材料的导热性能明显要比普通混凝土的导热性能要好的多。强度也相比于普通的混凝土而言有所降低，这主要是因为新型混凝土材料结构为多孔结构，这样才能使热量在骨料和空隙内均匀传播，传播路径延长，热量损失加大，提升混凝土隔热性能。

参考文献：

[1]孙会彬. 大断面隧道装配式约束混凝土支护稳定承载机制及关键技术研究[D].山东大学，2019.

[2]姚韦靖. 深部高地温岩层巷道隔热混凝土喷层支护技术研究及应用[D].安徽理工大学，2019.

[3]周林政.隔热混凝土喷层支护积水在水利工程中的运用[J].水利科技与经济，2017，23（11）：71-76.

[4]姚韦靖，庞建勇.新型隔热混凝土喷层支护技术研究与应用[J].长江科学院院报，2017，34（01）：124-128.