王 濤

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，所建隧道具有截面大、多隧道、長(zhǎng)隧道以及地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，再加上運(yùn)營(yíng)列車速度快，隧道病害會(huì)嚴(yán)重影響隧道運(yùn)營(yíng)的安全性，產(chǎn)生巨大的安全隱患。而襯砌頂部脫空是隧道常見(jiàn)的病害，其影響范圍廣、破壞力度大，對(duì)其進(jìn)行有效預(yù)防和及時(shí)處理非常必要。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)襯砌隱蔽脫空的形成機(jī)理、破壞形式和危害性以及治理方法等進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐[1－2]，取得了較好成效。而隧道二襯帶模注漿是解決隧道二次襯砌拱頂脫空病害的重要措施[3]，結(jié)合注漿材料用減水劑與膨脹劑的種類及摻量對(duì)注漿材料性能的影響規(guī)律，提出減水劑與膨脹劑的選擇建議；彭磊等[4]針對(duì)OPC-SAC膠凝材料體系，采用功能外加劑酒石酸、碳酸鋰、塑性膨脹劑、消泡劑和保水增稠劑制備出了微膨脹高流動(dòng)性高強(qiáng)、早強(qiáng)充填砂漿；李冬明[5]針對(duì)現(xiàn)有襯砌混凝土澆筑技術(shù)的不足，采用隧道襯砌拱頂帶模板注漿施工方法，利用襯砌模板臺(tái)車作為作業(yè)平臺(tái)，有效提高了施工效率，降低了注漿成本，同時(shí)注入膨微脹、高流動(dòng)性混凝土砂漿，減少了襯砌混凝土澆筑后開(kāi)裂、脫空和脫落等風(fēng)險(xiǎn)。呂彪[6]通過(guò)對(duì)拱頂帶模注漿新材料的相容性和結(jié)合性研究表明，微膨脹砂漿和結(jié)合體的抗壓、抗折強(qiáng)度均高于原有襯砌混凝土強(qiáng)度，用于拱頂脫空注漿具有一定抗開(kāi)裂作用，混凝土結(jié)合體能夠替代混凝土。這些研究對(duì)解決隧道二次襯砌隱蔽脫空病害治理起到了關(guān)鍵作用，但是從混凝土結(jié)構(gòu)的整體勻質(zhì)性和成本控制角度來(lái)考慮，還存在帶模注漿材料超強(qiáng)、成本較高和合理膨脹率的調(diào)控問(wèn)題。本研究結(jié)合李憲軍等[7]提出的在有約束狀態(tài)下灌漿材料提供塑性膨脹源和硬化過(guò)程中的限制膨脹源理念，通過(guò)活性粉末材料與自膨脹協(xié)同技術(shù)來(lái)解決上述問(wèn)題。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用太原獅頭水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥(代號(hào)為C)，陽(yáng)泉特種水泥廠生產(chǎn)的42.5級(jí)硫鋁酸鹽水泥(代號(hào)為L(zhǎng))，太原二電廠副產(chǎn)品脫硫石膏(代號(hào)為G)，陜西某硅鐵廠副產(chǎn)品微硅粉(代號(hào)為W)，懷仁電廠生產(chǎn)的超細(xì)粉煤灰，比表面積為1 200 m2/kg(代號(hào)為F)，太鋼生產(chǎn)的S95礦粉(代號(hào)為K)。由山西山大合盛新材料股份有限公司提供的工業(yè)級(jí)氫氧化鋁(代號(hào)為Q)、塑性膨脹劑(代號(hào)為S)、聚羧酸高性能減水劑(代號(hào)為J)、硼砂(代號(hào)為H1)、葡萄糖酸鈉(代號(hào)為H2)、黏度為40 000 mpas的羥丙基甲基纖維素醚(代號(hào)為M)和非離子型消泡劑(代號(hào)為X)，粒徑50目～90目的忻州石英砂。水泥和活性粉末的化學(xué)成分如表1所示。

表1 水泥和活性粉末的化學(xué)成分

2.2 試驗(yàn)方法

參照《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50448—2015)、《預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑》(GB/T 25182—2010)和《混凝土膨脹劑》(GB 23439—2017)進(jìn)行測(cè)試，采用日本 S-4800型掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。

2.3 配方設(shè)計(jì)

帶模注漿工藝的關(guān)鍵技術(shù)在于注漿的飽滿度、漿體的高流動(dòng)性以及漿體與襯砌和拱頂?shù)恼w粘接效果。要想實(shí)現(xiàn)注漿體與襯砌和拱頂?shù)恼w性，首先要考慮注漿體與襯砌混凝土的結(jié)合度，再就是考慮注漿體與拱頂之間的飽滿度。基于上述條件，在設(shè)計(jì)注漿材料配方過(guò)程中要考慮其流動(dòng)性、塑性膨脹、限制膨脹和強(qiáng)度等綜合性能的協(xié)調(diào)性?；钚苑勰┑囊胧紫纫鉀Q注漿材料在注漿過(guò)程中和注漿后塑化過(guò)程漿體的穩(wěn)定性[8－9]，同時(shí)考慮與膨脹源的協(xié)同效應(yīng)和調(diào)節(jié)強(qiáng)度降低成本等因素，微硅粉和超細(xì)粉煤灰每噸分別取代P.O42.5水泥30 kg和44 kg，水料比控制在0.13～0.15左右，本設(shè)計(jì)采用0.14。具體配方設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 每噸摻活性粉末帶模注漿材料的配方設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)12組配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別對(duì)單摻、復(fù)摻活性粉末帶模注漿材料的流動(dòng)性、塑性膨脹、限制膨脹以及不同齡期的強(qiáng)度進(jìn)行研究分析，以得出經(jīng)濟(jì)合理的帶模注漿材料配方，來(lái)解決襯砌頂部脫空等安全隱患問(wèn)題。

3.1 活性粉末對(duì)流動(dòng)性的影響

帶模注漿材料的流動(dòng)性及流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失調(diào)控是關(guān)鍵，同時(shí)還要考慮注漿材料在失去流動(dòng)性之前漿體的穩(wěn)定性。如果穩(wěn)定性差造成細(xì)骨料沉淀或分離，將起不到應(yīng)有的作用，所以該體系中必須有足夠的微膠體顆粒、合適黏度及流動(dòng)性，才能滿足帶模注漿的目的。不同活性粉末對(duì)帶模注漿材料流動(dòng)性的影響如圖1所示。

圖1 不同活性粉末對(duì)流動(dòng)性的影響

由圖1可以看出，無(wú)論單摻還是復(fù)摻，超細(xì)粉煤灰配制的帶模注漿材料初始流動(dòng)度和90 min流動(dòng)度均優(yōu)于微硅粉。隨著礦粉取代P.O42.5水泥量的增大，其初始流動(dòng)度和90 min流動(dòng)度均表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)V粉的取代量達(dá)到60 kg時(shí)，與微硅粉復(fù)合的帶模注漿材料漿體90 min穩(wěn)定性較好，而與超細(xì)粉煤灰復(fù)合的帶模注漿材料漿體90 min出現(xiàn)輕微泌水和細(xì)骨料有下沉現(xiàn)象出現(xiàn)，當(dāng)?shù)V粉的取代量為50 kg時(shí)，兩者漿體穩(wěn)定性均表現(xiàn)良好。這主要是由于微硅粉的比表面積大，保水增稠效果好，在體系中產(chǎn)生的微膠體顆粒多，可以保證體系的穩(wěn)定性，同時(shí)也表現(xiàn)為流動(dòng)度比超細(xì)粉煤灰小一些；而超細(xì)粉煤灰表現(xiàn)出流動(dòng)度較大，主要是因?yàn)樵诜勰ミ^(guò)程中又釋放出較多的微珠，以及比表面積遠(yuǎn)小于微硅粉的緣故；礦粉的引入對(duì)流動(dòng)度起到增大作用，原因是其保水增稠效果相對(duì)前兩者差得多，同時(shí)也改善了體系中粉體顆粒的粒徑分布，綜合因素表現(xiàn)為對(duì)體系的流動(dòng)性有增大作用。

3.2 活性粉末對(duì)膨脹性的影響

帶模注漿材料體系在失去塑性前的塑性膨脹源，可以進(jìn)一步提高注漿材料的飽滿性，同時(shí)還可能改善注漿體自身的孔結(jié)構(gòu)，以提高其耐久性；而后期的限制膨脹可以進(jìn)一步提高注漿體與襯砌混凝土和拱頂?shù)慕Y(jié)合度，同時(shí)也具有提高體系耐久性的作用。通過(guò)雙膨脹源技術(shù)及活性粉末二次水化的補(bǔ)強(qiáng)填充等多因素疊加，最終實(shí)現(xiàn)帶模注漿體系能很好解決隧道病害。不同活性粉末對(duì)帶模注漿材料膨脹性的影響如圖2和圖3所示。

圖2 不同活性粉末對(duì)豎向膨脹率的影響

圖3 不同活性粉末對(duì)限制膨脹率的影響

由圖2和圖3可以看出，無(wú)論是微硅粉還是超細(xì)粉煤灰體系，隨著礦粉取代P.O42.5水泥用量的增加，不同齡期的豎向膨脹率和限制膨脹率均表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，而且拐點(diǎn)均出現(xiàn)在取代40 kg普硅水泥左右，這充分說(shuō)明微硅粉和超細(xì)粉煤灰分別與礦粉復(fù)合，均對(duì)帶模注漿材料體系的膨脹有一定的協(xié)同促進(jìn)作用，其原因可能與礦粉提供了鈣源，促進(jìn)了鈣礬石的生成，以及活性粉末的二次水化交互疊加了膨脹效應(yīng)有關(guān)。對(duì)豎向膨脹率而言，無(wú)論是3 h還是24 h與3 h差值，總體對(duì)塑性膨脹貢獻(xiàn)較大的是超細(xì)粉煤灰體系，而水中養(yǎng)護(hù)7 d和再轉(zhuǎn)空氣中養(yǎng)護(hù)21 d(總齡期28 d)兩個(gè)齡期的限制膨脹率除礦粉取代量拐點(diǎn)40 kg外，總體對(duì)限制膨脹貢獻(xiàn)較大的是微硅粉體系。究其原因可能是在塑性膨脹期內(nèi)，超細(xì)粉煤灰體系由于自身的特點(diǎn)，其氧化物組分較多，可能對(duì)塑性膨脹劑有一定的促進(jìn)作用，或者也與提供了鈣源有一定關(guān)系，當(dāng)?shù)V粉摻量為0 kg時(shí)超細(xì)粉煤灰體系高于微硅粉體系可以初步得到驗(yàn)證；對(duì)限制膨脹率貢獻(xiàn)較大的是微硅粉體系的原因，可能是在有約束的條件下，微硅粉顆粒更小，對(duì)體系的填充更致密，所表現(xiàn)出的限制膨脹膨脹率要大一些，而超細(xì)粉煤灰顆粒遠(yuǎn)大于微硅粉顆粒，同時(shí)由于摻量大一些收縮也可能要大一些，抵消了一部分膨脹應(yīng)力。礦粉對(duì)微硅粉、超細(xì)粉煤灰體系在帶模注漿材料中所表現(xiàn)的協(xié)同膨脹作用均較為明顯，在適當(dāng)?shù)膿搅糠秶鷥?nèi)，既可以協(xié)同膨脹，又可以降低生產(chǎn)成本。

3.3 活性粉末對(duì)強(qiáng)度的影響

從帶模注漿材料與襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的整體勻質(zhì)性和成本控制角度來(lái)考慮，目前帶模注漿材料超強(qiáng)、成本較高也是急需解決的問(wèn)題，并不是說(shuō)帶模注漿材料的強(qiáng)度越高越好。因此，通過(guò)活性粉末改善帶模注漿材料工作性和協(xié)同膨脹的同時(shí)，更要關(guān)注混凝土結(jié)構(gòu)的整體均質(zhì)性。不同活性粉末對(duì)帶模注漿材料膨脹性影響如圖4和圖5所示。

圖4 不同活性粉末對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖5 不同活性粉末對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4和圖5可以看出，微硅粉體系的總體增強(qiáng)效果優(yōu)于超細(xì)粉煤灰體系，無(wú)論是微硅粉還是超細(xì)粉煤灰體系，隨著礦粉取代P.O42.5水泥用量的增加，不同齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，其拐點(diǎn)均出現(xiàn)在礦粉取代30 kg水泥左右，說(shuō)明微硅粉和超細(xì)粉煤灰分別與礦粉復(fù)合，在合適摻量下，對(duì)帶模注漿材料體系有一定的協(xié)同增強(qiáng)作用。其中微硅粉體系1 d/28 d抗折強(qiáng)度最大提高0.6 MPa/1.7 MPa，抗壓強(qiáng)度提高5.1 MPa/9.6 MPa；超細(xì)粉煤灰體系1 d/28 d抗折強(qiáng)度最大提高0.7 MPa/2.0 MPa，抗壓強(qiáng)度提高5.6 MPa/8.5 MPa。

通過(guò)對(duì)單摻、復(fù)摻活性粉末帶模注漿材料的流動(dòng)性、塑性膨脹、限制膨脹以及不同齡期強(qiáng)度的研究分析，并結(jié)合綜合性能評(píng)價(jià)，得出微硅粉體系和超細(xì)粉煤灰體系中，采用礦粉取代40 kg普硅水泥時(shí)，綜合性能最佳，對(duì)應(yīng)的配方編號(hào)為微硅粉體系4號(hào)和超細(xì)粉煤灰體系10號(hào)配方。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，調(diào)節(jié)強(qiáng)度等級(jí)的方法建議用Ⅰ級(jí)粉煤灰繼續(xù)取代P.O42.5水泥或調(diào)整膠砂比，但是每噸注漿材料砂的用量控制在400～500 kg，粒徑要控制在100目以下，以保證漿體的穩(wěn)定性。

3.4 活性粉末微觀效應(yīng)分析

試件標(biāo)養(yǎng)28 d進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)后，從試件中部取出部分樣品，用無(wú)水乙醇浸泡終止水化，然后在帶鼓風(fēng)裝置的烘箱中烘干噴金，放入SEM掃描電鏡進(jìn)行觀察其硬化后的形貌。其中微硅粉體系的1號(hào)樣與4號(hào)樣比對(duì)，超細(xì)粉煤灰體系的7號(hào)樣與10號(hào)樣比對(duì)。SEM掃描電鏡圖如圖6和圖7所示。

圖6 微硅粉體系SEM微觀形貌

圖7 超細(xì)粉煤灰體系SEM微觀形貌

由圖6和圖7可以看出，微硅粉體系1號(hào)樣中未摻礦粉與復(fù)摻礦粉4號(hào)樣SEM比較，一些細(xì)針狀A(yù)Ft晶體較不摻礦粉樣更加致密，部分晶體得到了更好的發(fā)育，還有新生成的更細(xì)小的AFt長(zhǎng)針狀晶體和少量凝膠，而且針狀A(yù)Ft晶體互相交錯(cuò)搭接，形成類似空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些纖維狀的晶體中可能還伴隨著石膏晶須，較低的孔隙率促使晶體相互搭接抵抗變形能力的提高，從而起到體系增強(qiáng)、增密的作用。這與對(duì)硫鋁酸鹽－鋁酸鹽－石膏三元復(fù)合體系[10－11]中加入礦物摻合料的SEM微觀形貌非常類似，也就可以說(shuō)明AFt長(zhǎng)針狀晶體出現(xiàn)是與活性粉末的加入有關(guān)。超細(xì)粉煤灰體系7號(hào)樣中未摻礦粉與復(fù)摻礦粉10號(hào)樣SEM比較，未摻礦粉7號(hào)樣中生成的針狀A(yù)Ft晶體生長(zhǎng)較稀疏，無(wú)序交叉分布，可見(jiàn)凝膠較微硅粉體系明顯，而摻礦粉10號(hào)樣與微硅粉體系4號(hào)樣相似，但是從針狀A(yù)Ft晶體互相交錯(cuò)搭接的方式來(lái)看，更加無(wú)序，但是空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加分布均勻。這從微硅粉體系1號(hào)樣和超細(xì)粉煤灰體系7號(hào)樣的晶體生長(zhǎng)分布情況可以很好的理解，而礦粉的引入恰好豐富了或促進(jìn)了AFt晶體更好的生長(zhǎng)，最終形成致密的水泥石結(jié)構(gòu)[12]。而且通過(guò)SEM微觀結(jié)構(gòu)反觀體系的膨脹性，也就能很好地解釋活性粉末協(xié)同自膨脹的原因了。

4 結(jié)論與建議

(1)采用微硅粉和超細(xì)粉煤灰體系配制帶模注漿材料，從漿體流動(dòng)性和穩(wěn)定性來(lái)考慮，礦粉取代量應(yīng)不大于50 kg，取代40 kg時(shí)膨脹效果最好，從強(qiáng)度考慮取代30 kg協(xié)同作用更明顯。

(2)SEM微觀形貌進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)摻活性粉末優(yōu)于單摻，其協(xié)同作用更加明顯，復(fù)摻4號(hào)樣和10號(hào)樣的微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

(3)在實(shí)際使用過(guò)程中要重點(diǎn)考慮帶模注漿材料的流動(dòng)性與穩(wěn)定性之間的平衡，調(diào)節(jié)強(qiáng)度建議用Ⅰ級(jí)粉煤灰繼續(xù)取代P.O42.5水泥或調(diào)整膠砂比，但是每噸注漿材料砂的用量控制在400～500 kg，粒徑要控制在100目以下，以保證漿體的穩(wěn)定性。