王家赫 謝永江 仲新華 李享濤 渠亞男

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

我國(guó)鐵路隧道普遍采用初期支護(hù)噴射混凝土與二次砌襯模筑混凝土相結(jié)合的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，二者在隧道施工和服役過(guò)程中均起到關(guān)鍵作用。初期支護(hù)噴射混凝土須在隧道鉆爆完成后盡快施工，以保證隧道圍巖穩(wěn)定，防止掉塊，確保施工人員和機(jī)械安全，同時(shí)噴射混凝土在隧道結(jié)構(gòu)服役期間將承受主要的外部荷載[1-2]。因此，保證隧道初期支護(hù)噴射混凝土的施工性能和長(zhǎng)期性能安全可靠對(duì)實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定服役具有重要意義。

為實(shí)現(xiàn)噴射混凝土在到達(dá)受噴面時(shí)迅速凝結(jié)硬化并提供早期強(qiáng)度的目的，采用加入速凝劑的方式加速水泥水化進(jìn)程，縮短誘導(dǎo)期。在工程實(shí)踐中，速凝劑的使用實(shí)現(xiàn)了噴射混凝土的迅速凝結(jié)硬化，保證了隧道圍巖穩(wěn)定和施工安全[3-4]。但是，由于速凝劑的使用改變了混凝土中水泥水化產(chǎn)物的種類和形態(tài)，帶來(lái)了一些新問(wèn)題。目前濕噴施工中常用的速凝劑以堿含量不同劃分為有堿速凝劑和無(wú)堿速凝劑2大類。有堿速凝劑主要成分為NaAlO2，使用后常常出現(xiàn)強(qiáng)度增長(zhǎng)慢甚至倒縮、長(zhǎng)期耐久性能差等問(wèn)題，因此逐漸被性能更優(yōu)的無(wú)堿速凝劑所代替[5-6]。

目前我國(guó)液體無(wú)堿速凝劑的產(chǎn)品較多，但普遍存在穩(wěn)定性差、易分層、與水泥適應(yīng)性差等問(wèn)題[7-8]。我國(guó)幅員遼闊，鐵路建設(shè)具有縱向延伸、條帶狀特征，隧道工程遍布各地，工程建設(shè)所采用的膠凝材料必然存在多點(diǎn)供應(yīng)情況，對(duì)液體無(wú)堿速凝劑的穩(wěn)定性和適應(yīng)性提出了更高要求。

在國(guó)內(nèi)外先進(jìn)無(wú)堿速凝劑生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所進(jìn)行了配方優(yōu)化和生產(chǎn)改進(jìn)，攻克了現(xiàn)有無(wú)堿速凝劑穩(wěn)定性差、水泥適應(yīng)性不足等關(guān)鍵難題，自主研發(fā)了高性能無(wú)堿速凝劑。該技術(shù)將為我國(guó)鐵路隧道高質(zhì)化建設(shè)提供支撐。

1 速凝劑堿含量對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能的影響

為了研究速凝劑堿含量對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能發(fā)展的影響，對(duì)摻加了有堿速凝劑和無(wú)堿速凝劑的噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨齡期的演變進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

1.1 材料性能

力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)所用有堿速凝劑產(chǎn)地為南京，無(wú)堿速凝劑為自主研發(fā)生產(chǎn)的高性能無(wú)堿速凝劑。2種速凝劑的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 速凝劑基本性能指標(biāo)

根據(jù)GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》，對(duì)摻速凝劑凈漿凝結(jié)時(shí)間和砂漿強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。使用的水泥為中國(guó)建筑材料研究總院生產(chǎn)的基準(zhǔn)水泥。

表2 摻速凝劑凈漿和砂漿的基本性能指標(biāo)

1.2 試件制備

噴射混凝土試件采用C40混凝土。水泥采用金隅P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用5～10 mm級(jí)配碎石，表觀密度為2 750 kg/m3，緊密堆積密度為1 900 kg/m3；減水劑采用河北三楷科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑。

為方便對(duì)比，制備了對(duì)照組、無(wú)堿組、有堿組3組混凝土試件，其中對(duì)照組未摻加速凝劑，無(wú)堿組和有堿組分別摻加7.0%的無(wú)堿速凝劑和有堿速凝劑。噴射混凝土的配合比見(jiàn)表3。其中速凝劑和減水劑摻量均為膠凝材料的質(zhì)量百分比，外加劑中水的用量均按比例從混凝土拌和水中扣除，以保證3組試件的用水量相同。

表3 C40噴射混凝土配合比

拌制混凝土?xí)r，將水泥和粗細(xì)骨料混合均勻，加入摻了減水劑的拌和水，在攪拌機(jī)中攪拌3 min。然后按照配合比要求加入相應(yīng)的速凝劑，攪拌20 s后，迅速將混凝土拌和物裝入模具中，并放置在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)30 s?；炷猎嚰婧螅砻娓采w一層塑料膜以防止水分散失，養(yǎng)護(hù)1 d后拆模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)?？箟簭?qiáng)度試件為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，彈性模量試件為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試塊。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為研究噴射混凝土力學(xué)性能的經(jīng)時(shí)演變規(guī)律，選取養(yǎng)護(hù)齡期為1，3，7，14，28，56 d的試件，分別測(cè)試其抗壓強(qiáng)度和彈性模量，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 速凝劑含堿量對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能的影響

由圖1可知：

1）對(duì)于無(wú)堿速凝劑摻量為7.0%的噴射混凝土，各齡期抗壓強(qiáng)度和彈性模量均略高于無(wú)摻加速凝劑的噴射混凝土，56 d抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別比對(duì)照組提高了11.0%和6.2%。這說(shuō)明無(wú)堿速凝劑的使用對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量發(fā)展影響較小，甚至可以使其力學(xué)性能略有提高。

2）對(duì)于有堿速凝劑摻量為7.0%的噴射混凝土，早齡期抗壓強(qiáng)度和彈性模量均略高于對(duì)照組，1 d抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別比對(duì)照組提高了14.2%和17.4%；養(yǎng)護(hù)后期，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量均低于對(duì)照組，56 d抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別比對(duì)照組降低了33.2%和6.2%。這說(shuō)明有堿速凝劑對(duì)噴射混凝土后期力學(xué)性能的發(fā)展影響較大。

無(wú)堿和有堿速凝劑加入水泥漿體后生成的水化產(chǎn)物不同，是導(dǎo)致宏觀上力學(xué)性能差異的本質(zhì)原因。加入無(wú)堿速凝劑后，水泥漿迅速反應(yīng)生成大量棒狀的高硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）。該水化產(chǎn)物相互搭接，使混凝土失去流動(dòng)性，但并未完全覆蓋水泥顆粒表面，對(duì)水泥水化影響較小[9-11]，且AFt相互搭接對(duì)混凝土力學(xué)性能有一定提升作用。因此，含無(wú)堿速凝劑的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量在各齡期均高于對(duì)照組。加入有堿速凝劑后，水泥漿迅速水化生成水化鋁酸鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）等，該水化產(chǎn)物使水泥迅速凝結(jié)硬化并產(chǎn)生強(qiáng)度，但是將覆蓋于水泥顆粒表面，影響水泥顆粒進(jìn)一步水化。因此，含堿性速凝劑的噴射混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度和彈性模量高于對(duì)照組，而長(zhǎng)齡期低于對(duì)照組。

2 液體無(wú)堿速凝劑的穩(wěn)定性

液體無(wú)堿速凝劑的穩(wěn)定性在工程實(shí)踐中極為重要，均勻穩(wěn)定的液相材料是其凝結(jié)效果的重要保障。目前液體無(wú)堿速凝劑產(chǎn)品普遍存在穩(wěn)定性差、易分層等問(wèn)題，主要是因?yàn)橐后w無(wú)堿速凝劑含固量較高，通常在50%以上[12-13]。采用溶解等手段加工完成的液體速凝劑放置一段時(shí)間后，其內(nèi)部飽和溶液容易出現(xiàn)結(jié)晶，形成沉淀物或上層清液，該現(xiàn)象在低溫環(huán)境下更為明顯。為改善傳統(tǒng)液體無(wú)堿速凝劑穩(wěn)定性差的問(wèn)題，利用絡(luò)合反應(yīng)原理，改善液體速凝劑內(nèi)部粒子存在狀態(tài)，提高穩(wěn)定性。

2.1 穩(wěn)定性試驗(yàn)

為對(duì)比研究不同液體無(wú)堿速凝劑的穩(wěn)定性及其隨時(shí)間的變化規(guī)律，選取產(chǎn)地分別為中國(guó)南京（NJ）、中國(guó)山西（SX）、丹麥（DM）的3種市售液體無(wú)堿速凝劑及自主研發(fā)（TJ）的高性能液體無(wú)堿速凝劑。

根據(jù)GB/T 35159—2017中速凝劑穩(wěn)定性測(cè)試方法，采用具塞量筒對(duì)不同液體無(wú)堿速凝劑在常溫及低溫下的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)。具體試驗(yàn)方法為：分別在2支具塞量筒中裝入100 mL液體無(wú)堿速凝劑，蓋緊玻璃塞，分別放置于（20±2）℃和（-10±2）℃環(huán)境下靜置，每隔一定時(shí)間觀察并記錄具塞量筒中沉淀物或上清液的高度。

2.2 穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文選取的4種無(wú)堿速凝劑均為溶液型，靜置后均表現(xiàn)為形成上層清液。不同環(huán)境溫度下各無(wú)堿速凝劑中上清液占體積百分比隨靜置時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 液體無(wú)堿速凝劑穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知：

1）環(huán)境溫度為20℃時(shí)，3種市售液體無(wú)堿速凝劑的分層量隨時(shí)間遵循穩(wěn)定期、快速發(fā)展期、平穩(wěn)期3階段規(guī)律變化，而自主研發(fā)的液體無(wú)堿速凝劑在90 d齡期內(nèi)幾乎未產(chǎn)生分層。DM，NJ，SX無(wú)堿速凝劑開(kāi)始出現(xiàn)分層的時(shí)間分別為第18，30，33天，第90天時(shí)上清液所占體積比分別為19.8%，16.6%，11.8%。

2）環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，4種速凝劑的分層量隨時(shí)間的變化規(guī)律均遵循3階段模式。DM，NJ，SX，TJ無(wú)堿速凝劑開(kāi)始出現(xiàn)分層的時(shí)間分別為第3，4，5，18天，第90天時(shí)上清液所占體積比分別為27.5%，24.9%，23.1%，4.7%。可見(jiàn)，低溫環(huán)境顯著了縮短液體無(wú)堿速凝劑的穩(wěn)定期，且使分層量有所增加。

2.3 無(wú)堿速凝劑分層對(duì)水泥凝結(jié)效果的影響

液體無(wú)堿速凝劑在運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程中的穩(wěn)定性對(duì)使用效果影響顯著。出現(xiàn)沉淀物或上層清液后，雖然有效成分未減少，但存在形式已由原來(lái)的離子狀態(tài)變?yōu)榻Y(jié)晶狀態(tài)，影響水泥砂漿的凝結(jié)效果。

為研究速凝劑的分層對(duì)混凝土凝結(jié)效果的影響，取常溫（20℃）條件下靜置90 d的4種液體無(wú)堿速凝劑，通過(guò)機(jī)械攪拌使其上層清液均勻分散。依據(jù)GB/T 35159—2017，測(cè)試摻上述處理后的速凝劑的凈漿凝結(jié)時(shí)間，并與摻未分層速凝劑的凈漿凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 凝結(jié)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

由表4可知：未出現(xiàn)過(guò)分層的4種無(wú)堿速凝劑摻入后，凈漿初凝和終凝時(shí)間均符合GB/T 35159—2017的要求；出現(xiàn)分層后又?jǐn)嚢杈鶆虻?種市售液體無(wú)堿速凝劑摻入后，凈漿初凝和終凝時(shí)間均顯著長(zhǎng)于基準(zhǔn)值。可見(jiàn)，對(duì)于3種市售液體無(wú)堿速凝劑，雖然進(jìn)行了二次攪拌，其有效成分分布均勻，但促凝效果仍受到較大影響，難以滿足要求。自主研發(fā)的高性能無(wú)堿速凝劑在常溫條件下靜置90 d幾乎未出現(xiàn)分層，摻入后凈漿初凝和終凝時(shí)間變化不大，均滿足GB/T 35159—2017的要求。

3 液體無(wú)堿速凝劑與水泥的適應(yīng)性

液體無(wú)堿速凝劑與水泥的適應(yīng)性也是影響速凝劑應(yīng)用效果的重要因素。我國(guó)幅員遼闊，鐵路建設(shè)呈現(xiàn)一線多點(diǎn)特征，對(duì)速凝劑與沿線水泥的適應(yīng)性提出了更高要求。

以川藏鐵路為例，該線路西起林芝，東接雅安，新建正線長(zhǎng)度為967.2 km，橋隧比高達(dá)92.5%，其中隧道總長(zhǎng)度767.8 km。為驗(yàn)證自主研發(fā)的高性能液體無(wú)堿速凝劑與川藏鐵路沿線水泥的適應(yīng)性，選擇沿線5家常用水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥進(jìn)行凝結(jié)效果試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。試驗(yàn)中，無(wú)堿速凝劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的7.0%。

表5 高性能液體無(wú)堿速凝劑與水泥的適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，自主研發(fā)的高性能液體無(wú)堿速凝劑與川藏鐵路沿線各廠家生產(chǎn)的水泥適應(yīng)性良好。速凝劑摻量為7.0%時(shí)，各水泥凈漿的初凝和終凝時(shí)間均符合GB/T 35159—2017的要求。

4 工程應(yīng)用

自主研發(fā)的高性能液體無(wú)堿速凝劑已經(jīng)在川藏鐵路拉薩—林芝試驗(yàn)段進(jìn)行了應(yīng)用。該試驗(yàn)段為單線鐵路隧道，噴射混凝土噴射總厚度為30 cm。施工中采用西藏高爭(zhēng)水泥，無(wú)堿速凝劑摻量為膠凝材料總質(zhì)量的5.0%。采用湖南五新隧道智能裝備有限公司生產(chǎn)的CHP25B型濕噴機(jī)進(jìn)行噴射施工，如圖3所示。該試驗(yàn)段噴射混凝土的性能指標(biāo)見(jiàn)表6。

圖3 噴射混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)

表6 試驗(yàn)段噴射混凝土性能指標(biāo)

由表6可知：自主研發(fā)的高性能液體無(wú)堿速凝劑與當(dāng)?shù)厮噙m應(yīng)性較好；噴射過(guò)程中回彈率較低，噴射成型面表觀質(zhì)量較好；噴射混凝土早齡期與長(zhǎng)齡期抗壓強(qiáng)度高，抗?jié)B性好。

5 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)的液體無(wú)堿速凝劑穩(wěn)定性差、易分層、與水泥適應(yīng)性差等問(wèn)題，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所自主研發(fā)了穩(wěn)定性高、適應(yīng)性好的高性能液體無(wú)堿速凝劑。本文通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，研究了速凝劑堿含量對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能的影響，并測(cè)試了高性能液體無(wú)堿速凝劑的穩(wěn)定性、與水泥的適應(yīng)性。結(jié)論如下：

1）與對(duì)照組相比，液體無(wú)堿速凝劑對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的發(fā)展影響較小，甚至可以使其力學(xué)性能略有提高；而相同摻量的有堿速凝劑顯著影響噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的發(fā)展。

2）常溫下傳統(tǒng)的液體無(wú)堿速凝劑分層量隨靜置時(shí)間的發(fā)展呈現(xiàn)3階段模式，低溫條件下速凝劑穩(wěn)定期縮短，更容易產(chǎn)生分層現(xiàn)象。利用絡(luò)合反應(yīng)原理配制的高性能液體無(wú)堿速凝劑可以實(shí)現(xiàn)在常溫條件（20℃）下90 d齡期內(nèi)基本無(wú)分層，低溫條件（-10℃）下90 d齡期分層量小于5%。

3）無(wú)堿速凝劑出現(xiàn)分層后，僅通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械攪拌使其內(nèi)部有效成分混合均勻無(wú)法恢復(fù)原有的促凝效果，凈漿凝結(jié)時(shí)間大幅延長(zhǎng)。

4）自主研發(fā)的高性能液體無(wú)堿速凝劑與川藏鐵路沿線常用水泥適應(yīng)性良好，滿足GB/T 35159—2017對(duì)凝結(jié)時(shí)間的要求。該速凝劑使用后噴射混凝土回彈率顯著降低，早期和長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度顯著提高，混凝土抗?jié)B性好。