崔紅超, 饒軍應(yīng), 孔德禹, 趙昌杰, 唐明英, 覃杰

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025; 2.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽(yáng) 550025; 3.貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心, 貴陽(yáng) 550025; 4.貴州省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽(yáng) 550025; 5.貴州省公路工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 貴陽(yáng) 550008)

瓦斯不僅是煤礦工程中的重大致災(zāi)隱患,在隧道建設(shè)中也是尤為常見(jiàn)的。高瓦斯隧道施工中存在瓦斯中毒、瓦斯燃燒、瓦斯爆炸等安全隱患,其中最為嚴(yán)重的當(dāng)屬瓦斯爆炸,但無(wú)論哪種情況發(fā)生,都將造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[1-2]。因此,有必要開(kāi)展高瓦斯隧道施工工藝或施工材料的改進(jìn)研究。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)施工材料做了許多研究,如覃杰等[3]通過(guò)開(kāi)展聚丙烯纖維混凝土與玄武巖纖維混凝土的燃燒試驗(yàn),證明了玄武巖纖維混凝土的燃燒后性能更好;唐明英等[4]通過(guò)分析桐梓隧道玄武巖纖維噴射混凝土的系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程,針對(duì)其工作特性,總結(jié)出新材料的施工關(guān)鍵與注意事項(xiàng),認(rèn)為混合料宜使用無(wú)堿或低堿型速凝劑,摻加正常用量速凝劑的水泥凈漿初凝時(shí)間不應(yīng)大于 3 min,終凝不應(yīng)大于12 min,且摻入的玄武巖纖維必須保持干燥,其最佳長(zhǎng)度為15 mm,并應(yīng)控制在10～20 mm,過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響混合料的和易性,過(guò)短則會(huì)降低混凝土抗裂性能,是本研究的基礎(chǔ)和引導(dǎo);以涪秀鐵路黃草二線瓦斯隧道為工程背景,楊育紅[5]通過(guò)開(kāi)展混凝土氣密機(jī)理分析發(fā)現(xiàn),河砂可被人工砂代替取代,并摻入粉煤灰、氣密劑及減水劑后配制了高性能氣密性混凝土;趙海英[6]通過(guò)正交設(shè)計(jì)研究了原材料對(duì)混凝土氣密性的影響,并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)確定了利于混凝土氣密性控制的施工工藝,認(rèn)為混凝土水灰比不宜超過(guò)0.45,硅粉與粉煤灰雙摻比單摻粉煤灰更有利于混凝土的氣密性,并且應(yīng)嚴(yán)格控制砂石的含泥量,采用機(jī)械攪拌混凝土氣密性要優(yōu)于人工攪拌;Eric等[7]基于工程實(shí)例研究了玄武巖纖維對(duì)材料強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)采用該材料修復(fù)后的梁試件屈服強(qiáng)度和極限彎矩能力顯著增強(qiáng);以達(dá)成鐵路天臺(tái)寺隧道為工程依托,王秀芬[8]通過(guò)開(kāi)展混凝土氣密性能的系統(tǒng)試驗(yàn)研究,認(rèn)為氣密性混凝土的最佳水灰比為0.4,且不宜超過(guò)0.45,細(xì)骨料的含泥量不應(yīng)超過(guò)2.5%,粗骨料最大粒徑不宜超過(guò)40 mm,氣密性混凝土單方膠凝材料不宜小于380 kg且摻入硅粉和粉煤灰有利于提高混凝土的氣密性;王澤柱等[9]通過(guò)對(duì)比分析單摻和復(fù)摻情況下玄武巖纖維與玄武巖粉對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果,表明單摻玄武巖纖維劣化了混凝土內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu),而單摻玄武巖粉則有助于改善氣孔結(jié)構(gòu),且復(fù)摻兩者效果更佳,同時(shí)可增強(qiáng)混凝土的力學(xué)和抗凍性能;李為民等[10]運(yùn)用霍普金森壓桿試驗(yàn)技術(shù)以玄武巖纖維體積摻量為變量進(jìn)行試驗(yàn)研究,考察了玄武巖纖維混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和應(yīng)變率之間的相關(guān)性,定義動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子I為混凝土動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值,表明I與平均應(yīng)變率的對(duì)數(shù)有很強(qiáng)的線性相關(guān)性,隨平均應(yīng)變率對(duì)數(shù)的提高而線性增加;劉雨姍等[11]通過(guò)正交試驗(yàn)分析橡膠顆粒取代率、玄武巖纖維和粉煤灰摻量對(duì)混凝土28 d抗壓、劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度的影響,得出在橡膠顆粒取代率5%,玄武巖纖維摻量4 kg/m3,粉煤灰摻量15%時(shí),混凝土各項(xiàng)性能最佳;李雪瑩等[12]以玄武巖纖維、聚丙烯纖維以及兩者混雜纖維作為外摻料,通過(guò)坍落度擴(kuò)展度試驗(yàn)、J型環(huán)試驗(yàn)和28 d抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn),研究了不同類型纖維摻料及不同纖維體積摻量對(duì)自密實(shí)混凝土(self compacting concrete, SCC)工作性能及力學(xué)性能的影響,隨著纖維的摻入,SCC流動(dòng)性能下降,混雜纖維的摻入在不同程度上提升了SCC的力學(xué)性能;陳峰賓等[13]以28 d抗壓強(qiáng)度為考察指標(biāo),探究了玄武巖纖維混凝土在不同纖維摻量下的強(qiáng)度變化,并開(kāi)展微觀層次分析,證明纖維的摻入能抑制孔隙的連通,有利于混凝土整體性的提高,從而有效增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度;方江華等[14]通過(guò)正交設(shè)計(jì)及抗壓、劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究了不同玄武巖纖維體積率、陶砂代砂子率和陶粒代石子率對(duì)玄武巖纖維輕骨料混凝土(basalt fiber-lightweight aggregate concrete, BF-LAC)力學(xué)性能的影響,得出當(dāng)玄武巖體積率為0.3%、陶砂代砂子率為7%、陶粒代石子率為8%時(shí),BF-LAC的力學(xué)性能表現(xiàn)最佳,且玄武巖纖維是影響B(tài)F-LAC強(qiáng)度的顯著性因素。

綜上所述,目前對(duì)高氣密性混凝土的研究主要集中在探討玄武巖纖維的摻入或粉煤灰、橡膠顆粒、陶粒等的單摻與復(fù)摻對(duì)混凝土性能的影響,適當(dāng)摻入玄武巖纖維可提高混凝土的強(qiáng)度,降低內(nèi)部孔隙連通,而摻入粉煤灰等則有利于提高混凝土的氣密性,但摻入玄武巖纖維對(duì)噴射混凝土氣密性、抗?jié)B性等的影響相關(guān)研究還有待深入?；诖?現(xiàn)以桐梓隧道為工程依托,以粉煤灰、玄武巖纖維為外摻料,以期通過(guò)玄武巖纖維與礦物摻合料的協(xié)同作用,開(kāi)展配合比試驗(yàn)、氣密性測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試噴確定一種適用于高瓦斯隧道的新型噴射混凝土,并運(yùn)用氣壓差值法和壓汞法分析氣壓和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土氣密性的影響。

1 工程概況

桐梓隧道是貴州在建的最長(zhǎng)高速公路隧道,左洞長(zhǎng)10 497 m,右洞長(zhǎng)10 485 m,最大埋深約 630 m。勘察顯示,隧址區(qū)巖溶發(fā)育,預(yù)測(cè)涌水量大,瓦斯壓力大,瓦斯含量高,存在瓦斯突出、突水突泥、巖爆、軟巖大變形等施工風(fēng)險(xiǎn)。桐梓隧道P3l煤系地層含煤(線)7層,層位較穩(wěn)定,高瓦斯煤系地段長(zhǎng)約830 m,瓦斯壓力最大達(dá)1.5 MPa,局部瓦斯含量高達(dá)21.34 L/g,是典型的高瓦斯隧道,其主要煤層分布如圖1所示。經(jīng)交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院評(píng)估,桐梓隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為IV級(jí),為極高風(fēng)險(xiǎn)隧道。為有效解決高瓦斯煤系地層隧道施工存在的安全隱患多發(fā)、工效低,瓦斯抽排時(shí)間長(zhǎng)、密封難度大等技術(shù)難題,通過(guò)制備新型噴射混凝土,利用其高致密性,有效控制施工過(guò)程中的瓦斯溢出,為桐梓隧道高效穿過(guò)高瓦斯煤系地層提供技術(shù)保障。

圖1 主要煤層分布圖(YK39+772.5)Fig.1 Distributions of main coal seams(YK39+772.5)

2 新型混凝土材料選擇及測(cè)試

2.1 選材思路及原材料

桐梓隧道不僅巖溶發(fā)育、預(yù)測(cè)涌水量大、斷層多,而且具有高地應(yīng)力、高瓦斯和弱堿水的特點(diǎn),故選材時(shí)應(yīng)滿足以下要求。

(1)防止混凝土在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生拉裂。故通過(guò)加入纖維材料增強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度。

(2)考慮桐梓隧道施工過(guò)程中發(fā)生火災(zāi)的可能性,應(yīng)選用防火防裂的玄武巖纖維。

(3)選擇氣密性好的混凝土配合比,即添加粉煤灰以增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度,防止氣體泄漏。由于混凝土減水劑含有引氣劑,混凝土含氣量約為5%,因此無(wú)需再添加引氣劑。

(4)噴射混凝土中各類材料的總堿量不得大于3 kg/m3,氯離子含量不應(yīng)超過(guò)膠凝材料總量的0.1%。

(5)為確?；炷恋哪途眯?摻入粉煤灰,以防止弱堿水的破壞。

根據(jù)以上選材要求,本次試驗(yàn)原材料的選擇如表1所示。

表1 混凝土原材料

2.2 配合比試驗(yàn)

基于上述設(shè)計(jì)原則,本次配合比設(shè)計(jì)擬采用粉煤灰和玄武巖纖維作為外摻料,利用粉煤灰的火山灰效應(yīng)及微珠效應(yīng)提高混凝土的密實(shí)性,同時(shí),利用玄武巖纖維與水泥基材料在物理性能上的相容性,增強(qiáng)水泥水化產(chǎn)物基體的抗收縮性能,最終實(shí)現(xiàn)配制新型噴射混凝土。

具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示,其中試驗(yàn)一:以玄武巖纖維摻量δBF作為控制變量,配制C25噴射混凝土。試驗(yàn)二:分別以水灰比、膠凝材料用量(摻入粉煤灰時(shí),粉煤灰取代水泥20%)及玄武巖纖維摻量δBF作為控制變量,配制C30、C40噴射混凝土。

表2 配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)程《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)[15]、《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)[16]及《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG TD70—2010)[17]要求,噴射混凝土應(yīng)滿足表3所示技術(shù)指標(biāo)?？紤]到高氣密性的要求,將抗?jié)B等級(jí)提高為P8級(jí)。

表3 噴射混凝土技術(shù)指標(biāo)

按照配合比設(shè)計(jì)制備試樣,判斷混合料的和易性是否良好,測(cè)定其28 d抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu和抗折強(qiáng)度f(wàn)cf以及彈性模量E作為強(qiáng)度參數(shù),并測(cè)定其抗?jié)B等級(jí)。試驗(yàn)一混凝土試樣強(qiáng)度參數(shù)測(cè)定結(jié)果如圖2所示,和易性和抗?jié)B等級(jí)測(cè)定結(jié)果如表4所示。

圖2 玄武巖纖維摻量對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度參數(shù)的影響Fig.2 Effect of volume dosage of basalt fiber on strength parameters of shotcrete

表4 試驗(yàn)一噴射混凝土和易性和抗?jié)B等級(jí)結(jié)果

結(jié)果表明,在水泥用量和水灰比不變的情況下:①隨δBF的增加,混凝土的抗折強(qiáng)度逐步增加,且前期增長(zhǎng)幅度明顯大于后期,這與玄武巖纖維本身高強(qiáng)度高變形能力的性質(zhì)有關(guān),摻入后使得混凝土的抗彎拉能力得到提升;②當(dāng)δBF<3.5 kg/m3時(shí),混凝土的彈性模量隨δBF的增加大幅增強(qiáng),增幅達(dá)到10 GPa,但隨δBF達(dá)到4.0 kg/m3出現(xiàn)驟降,降幅達(dá)到4 GPa,而抗壓強(qiáng)度未出現(xiàn)明顯變化,最大變動(dòng)量?jī)H為3.17%,說(shuō)明δBF對(duì)混凝土試樣抗壓強(qiáng)度影響不大;③隨δBF增加,混合料的和易性和試樣抗?jié)B等級(jí)越來(lái)越差,當(dāng)δBF>3.0 kg/m3,開(kāi)始出現(xiàn)泌水現(xiàn)象,且抗?jié)B等級(jí)不再滿足要求。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是玄武巖纖維在混凝土成型過(guò)程中僅起到改善早期局部塑形收縮的物理作用,并不參與基體水化反應(yīng)[9],所以δBF對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響較小,當(dāng)δBF>3.0 kg/m3后,玄武巖纖維在拌制過(guò)程中成團(tuán)的幾率增加,影響了纖維-基體界面力學(xué)性能的發(fā)揮[10],宏觀表現(xiàn)為混合料和易性變差,微觀表現(xiàn)為混凝土內(nèi)部孔隙增多,從而使混凝土彈性模量降低,抗折強(qiáng)度增幅也隨之減弱。

圖3、圖4給出了試驗(yàn)二混凝土試樣強(qiáng)度參數(shù)的測(cè)定結(jié)果,表5給出了其和易性和抗?jié)B等級(jí)的測(cè)定結(jié)果。結(jié)果表明:①摻入粉煤灰后混合料的和易性有所改善,混凝土的抗壓強(qiáng)度有所提升,增長(zhǎng)約 4 MPa,但抗折強(qiáng)度和彈性模量幾乎未受影響,且抗折強(qiáng)度在后期出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。這是因?yàn)榉勖夯覅⑴c基體水化反應(yīng)的火山灰效應(yīng)存在滯后性,早期強(qiáng)度主要來(lái)源于水泥[18],但與不摻入粉煤灰的普通混凝土相比,摻入粉煤灰后可使混凝土更加密實(shí),強(qiáng)度有所提升,隨膠凝材料總量的增加,而δBF未增加,使玄武巖纖維提升抗折強(qiáng)度效果減弱,造成抗折強(qiáng)度下降;②混凝土各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均大于技術(shù)指標(biāo)要求,并且在δBF不變的情況下,混凝土的彈性模量、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨水泥用量的增加而增加,與普通混凝土相同;③在膠凝材料用量不變的情況下,混凝土的抗折強(qiáng)度隨δBF的增加而增加,而抗壓強(qiáng)度、彈性模量變化不大,反而在δBF=4.5 kg/m3時(shí)的彈性模量低于δBF=3.5 kg/m3時(shí)的彈性模量,差值約為1 GPa,與試驗(yàn)一揭示的現(xiàn)象一致。

表5 試驗(yàn)二噴射混凝土和易性和抗?jié)B等級(jí)結(jié)果

圖3 粉煤灰用量對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度參數(shù)的影響Fig.3 Influence of fly ash content on strengths of shotcrete

圖4 試驗(yàn)二噴射混凝土強(qiáng)度參數(shù)測(cè)定結(jié)果Fig.4 Results of measurement of strength parameters in the second group of tests

2.3 氣密性測(cè)試

2.3.1 氣密性測(cè)試原理

氣體滲透性可按廣義達(dá)西定律[19]進(jìn)行計(jì)算,即

(1)

式(1)中:Vx為氣體流速,cm/s;x為試件距離進(jìn)氣端的距離,cm;kx為試件透氣系數(shù),cm/s;μ為氣體黏度系數(shù),Pa·s;Px為試件內(nèi)部隨進(jìn)氣端距離而產(chǎn)生的氣壓變化,MPa。

在進(jìn)行混凝土氣密性測(cè)試時(shí),將待測(cè)混凝土柱或平臺(tái)的一端封閉,另一端敞開(kāi),檢查試件與容器之間的密封性,并用壓力表控制各時(shí)段壓縮氣體的壓力。然后封閉敞開(kāi)端,接通氣壓計(jì),測(cè)量氣壓計(jì)在規(guī)定時(shí)間t內(nèi)水柱的高度變化為h,則試驗(yàn)混凝土單位時(shí)間透氣量Q[20]和混凝土透氣系數(shù)K將計(jì)算公式為

(2)

(3)

式(2)中:Q為單位時(shí)間透氣量,cm3/s;Δh為氣壓計(jì)讀數(shù)差值;t為壓力穩(wěn)定時(shí)間,s;D為試件直徑,cm;K為混凝土透氣系數(shù),cm/s;h為試件高度,cm;γa為空氣容重,1.205×10-5N/cm3;P0為出口段氣體壓力,取大氣壓力,0.1 MPa;P為進(jìn)口段氣體壓力,MPa;A為試樣透氣面積,cm2。

2.3.2 氣密性測(cè)試結(jié)果

根據(jù)前述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,為探究粉煤灰、玄武巖纖維對(duì)混凝土氣密性的影響,選擇普通噴射混凝土(ordinary shotcrete, OS)、粉煤灰噴射混凝土(fly ash shotcrete, FS)、摻入玄武巖纖維噴射混凝土(basalt fiber shotcrete, BS)和摻入玄武巖纖維粉煤灰噴射混凝土(shotcrete mixed with basalt fiber fly ash, BFS)四種配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行氣壓差值法氣密性試驗(yàn),考慮到桐梓隧道瓦斯壓力范圍為0.4～1.5 MPa,進(jìn)氣壓力設(shè)為0.9 MPa,壓力穩(wěn)定時(shí)間為6 h,試驗(yàn)儀器如圖5所示。

圖5 SHQ型混凝土透氣系數(shù)測(cè)定儀Fig.5 SHQ type air permeability tester for concrete

分析試驗(yàn)結(jié)果表6可知,四種配合比下混凝土氣密性均小于1×10-10cm/s,滿足設(shè)計(jì)要求,但加入粉煤灰的混凝土氣密性明顯更佳。

表6 氣密性測(cè)試結(jié)果

2.4 現(xiàn)場(chǎng)試噴測(cè)試

為了驗(yàn)證玄武巖纖維和粉煤灰對(duì)噴射混凝土施工性能的影響,選取表6所示4種噴射混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試噴測(cè)試,采集混凝土的噴射速度和側(cè)墻回彈率作為施工性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7 現(xiàn)場(chǎng)試噴測(cè)試結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試噴試驗(yàn)可知,BFS新型噴射混凝土噴射速度快,回彈率小,施工性能最好。按噴射速度折算,該配合比下新型噴混可比普通噴混節(jié)省約38%的時(shí)間。

2.5 新型噴射混凝土各項(xiàng)參數(shù)

綜合比較配合比試驗(yàn)、氣密性測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)試噴測(cè)試各項(xiàng)結(jié)果,確定BFS新型噴射混凝土的力學(xué)及施工性能各項(xiàng)參數(shù)如表8所示。

表8 新型噴射混凝土力學(xué)及施工性能各項(xiàng)參數(shù)

3 新型混凝土氣密性影響分析

3.1 氣壓對(duì)混凝土氣密性的影響

根據(jù)混凝土透氣系數(shù)計(jì)算式(3)可知,通過(guò)混凝土試件的氣體流量Q與混凝土的透氣系數(shù)K成正比。施加在混凝土試樣上的壓力P越大,混凝土的透氣系數(shù)越小,但這是在其他變量不變時(shí)的結(jié)果,當(dāng)施加到混凝土試樣上的氣體壓力發(fā)生變化時(shí),通過(guò)試樣的氣體流速Vx也將變化。因此,在驗(yàn)證不同壓力對(duì)混凝土透氣系數(shù)的影響時(shí)應(yīng)綜合考慮壓力變化引起的氣體流速的變化。另外,由于不同強(qiáng)度混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不同,高強(qiáng)度混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)更為細(xì)化,而孔隙結(jié)構(gòu)的粗細(xì)會(huì)直接影響到氣體分子與孔隙間的Klinkenberg效應(yīng)(與液體不同,氣體在多孔介質(zhì)滲流過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象,即靠近孔壁的氣體分子也處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),流速不為零,尤其是在低壓條件下氣體流速要比用達(dá)西定律計(jì)算的流速大[21-22]),進(jìn)而影響氣體在孔隙結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)。

鑒于桐梓隧道穿越煤系地層時(shí)瓦斯壓力范圍為0.4～1.5 MPa,按照《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TD70—2010)[17],該高瓦斯段涵蓋一級(jí)瓦斯地段(P瓦斯≥0.74 MPa)和二級(jí)瓦斯地段(0.15 MPa≤P瓦斯<0.74 MPa)。因此,本次試驗(yàn)選取的進(jìn)氣壓力依次為0.2、0.3、0.4、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa,選擇現(xiàn)場(chǎng)試噴后BFS新型噴射混凝土鉆芯取樣如圖6所示,測(cè)試上述壓力下混凝土的透氣系數(shù),從而確定新型噴射混凝土的透氣系數(shù)以及能夠真實(shí)反映其透氣系數(shù)的最佳測(cè)試壓力。

圖6 新型噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)取樣及樣品Fig.6 New type shotcrete field sampling and samples

在進(jìn)行氣密性試驗(yàn)操作時(shí),針對(duì)某個(gè)試件,施加一定的壓力,待通過(guò)的氣體流量穩(wěn)定后記錄相應(yīng)的透氣系數(shù),記錄完成后再提高壓力測(cè)試下一壓力值下試件的透氣系數(shù)。試驗(yàn)后整理數(shù)據(jù)得到圖7所示的結(jié)果。

圖7 進(jìn)氣壓力與新型噴混透氣系數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between gas pressure and air permeability coefficient of basalt fiber shotcrete

從圖7所示關(guān)系曲線可知,對(duì)試件施加的氣體

壓力從0.2 MPa增加到0.3 MPa時(shí),試件的透氣系數(shù)驟降,在0.3 MPa至0.6 MPa時(shí),試件的透氣系數(shù)變化較小,處于平穩(wěn)區(qū),而當(dāng)氣體壓力繼續(xù)增大,透氣系數(shù)快速下降,當(dāng)進(jìn)氣壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí),混凝土透氣系數(shù)已接近為零。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是,對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)較低的混凝土,其內(nèi)部連通孔較多且孔隙較為粗大,在進(jìn)氣壓力較低時(shí),通過(guò)試件的氣體流量就較大,隨著施加氣體壓力的增加(小于 0.3 MPa),雖然可導(dǎo)氣孔隙越來(lái)越多,但氣體流量增加幅度較小,其對(duì)透氣系數(shù)的影響較壓力的增加偏小,因此造成透氣系數(shù)下降程度較為明顯。而當(dāng)進(jìn)氣壓力增加到0.3～0.6 MPa時(shí),該階段的壓力足以導(dǎo)致混凝土內(nèi)部一些較細(xì)的孔隙張開(kāi),氣體流量顯著增大,其對(duì)透氣系數(shù)的影響與壓力相當(dāng),因此透氣系數(shù)下降程度較小。當(dāng)進(jìn)氣壓力增大到 0.9 MPa 之后,Klinkenberg效應(yīng)減弱,在更細(xì)的孔隙中,氣體流量隨壓力的增大也很難增加,因此,透氣系數(shù)持續(xù)降低。

綜上所述,在進(jìn)行BFS新型噴射混凝土氣密性試驗(yàn)時(shí),施加于試件的測(cè)試氣體壓力應(yīng)控制在 0.3～0.6 MPa,此時(shí)測(cè)試結(jié)果最為真實(shí),所得新型噴射混凝土的透氣系數(shù)為0.32×10-10～0.34×10-10cm/s。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土氣密性的影響

混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的分布將直接影響到自身氣密性的優(yōu)劣,為探明粉煤灰和玄武巖纖維的摻入對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響,從而進(jìn)一步分析其對(duì)混凝土氣密性的影響,對(duì)混凝土試樣開(kāi)展壓汞測(cè)試,試樣取自現(xiàn)場(chǎng)試噴測(cè)試的四種混凝土,測(cè)試所得孔結(jié)構(gòu)微分曲線如圖8所示,曲線峰值對(duì)應(yīng)孔徑值為試樣的最可幾孔徑,即出現(xiàn)幾率最大的孔徑,最可幾孔徑越大,內(nèi)部孔隙連通性越大,則混凝土抗?jié)B性越差[23]。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理得到表9及圖9所示數(shù)據(jù)。

表9 壓汞測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

圖8 壓汞測(cè)試孔結(jié)構(gòu)微分曲線Fig.8 Differential curve of pore structure of mercury intrusion test

圖9 四種試樣孔隙結(jié)構(gòu)表征Fig.9 The pore structure characteristics of samples

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,摻入粉煤灰或玄武巖纖維后,混凝土的孔隙率明顯降低,最可幾孔徑也明顯縮小,且摻入粉煤灰的效果要優(yōu)于玄武巖纖維,這是因?yàn)閾饺敕勖夯液蟀l(fā)生的火山灰反應(yīng)及其微珠效應(yīng)使混凝土更為致密。當(dāng)兩者同時(shí)摻入時(shí),混凝土的孔隙率和最可幾孔徑達(dá)到最小值,分別約為普通混凝土的51%和42%,同時(shí)混凝土的透氣系數(shù)明顯改善,僅為0.186×10-10cm/s,與普通噴射混凝土相比降低了約66%。

為進(jìn)一步分析孔隙率、最可幾孔徑與透氣系數(shù)的關(guān)系,繪制擬合曲線如圖10、圖11所示。從擬合曲線可知,混凝土的孔隙率和最可幾孔徑與透氣系數(shù)均有良好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了 0.962 52 和0.998 69,顯然,最可幾孔徑的擬合函數(shù)能更好地反映其與混凝土透氣系數(shù)的關(guān)系。因此建議可選用最可幾孔徑作為變量來(lái)表征透氣系數(shù)的變化,其計(jì)算函數(shù)式為

圖10 孔隙率與透氣系數(shù)擬合曲線Fig.10 Fitting curve between porosity and air permeability coefficient

圖11 最可幾孔徑與透氣系數(shù)擬合曲線Fig.11 Fitting curve between the maximum probability aperture and air permeability coefficient

K=0.008 3Dpro-0.087 8

(4)

式(4)中:K為混凝土的透氣系數(shù),cm/s;Dpro為混凝土的最可幾孔徑[24],nm。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)配合比試驗(yàn)、氣密性測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試噴測(cè)試,得到滿足強(qiáng)度、和易性及氣密性要求的同時(shí),施工性能好,噴射速度快,回彈率小的新型噴射混凝土配合比為:水灰比0.38,水泥∶粉煤灰∶玄武巖纖維=360∶90∶1.5(kg/m3)。

(2)對(duì)于配制的新型噴射混凝土,在開(kāi)展氣密性測(cè)試時(shí),最佳測(cè)試壓力范圍為0.3～0.6 MPa,此時(shí)所得新型噴射混凝土的透氣系數(shù)為0.32×10-10～0.34×10-10cm/s。

(3)摻入粉煤灰或玄武巖纖維使得混凝土的孔隙率明顯降低,最可幾孔徑也明顯縮小,摻入粉煤灰的效果要優(yōu)于玄武巖纖維,且兩者同時(shí)摻入后效果更優(yōu)。對(duì)孔隙率和最可幾孔徑與透氣系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,最可幾孔徑的擬合相關(guān)系數(shù)更高,能更好地反映其與混凝土透氣系數(shù)的關(guān)系。