魏子程 ， 王 林 ， 賀鑫鑫 ， 王宏波

（1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院， 北京100044；2.陜西德和建材有限公司， 陜西 西安710000）

0 引言

2000 年以來(lái)， 我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展， 基礎(chǔ)建設(shè)需求日益增長(zhǎng)［1-2］。 國(guó)家《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》 提出， 到2035 年， 全國(guó)的鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到20 萬(wàn)公里左右， 其中高鐵網(wǎng)運(yùn)營(yíng)里程要達(dá)到近7 萬(wàn)公里［3］。 特別是川藏鐵路、 西部陸海新通道以及出疆入藏等綜合運(yùn)輸通道的建設(shè)必定會(huì)掀起大規(guī)模的浪潮， 然而由于我國(guó)中西部地區(qū)地形多貌、 地質(zhì)復(fù)雜， 且多為山嶺重丘， 海拔較高， 因而經(jīng)常采取隧道施工的方法［4-5］。 在隧道施工中， 使用噴射混凝土對(duì)圍巖進(jìn)行加固是常用的方法， 使其形成一個(gè)完整、 穩(wěn)定且有一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)， 以確保施工安全［6］。

目前我國(guó)噴射混凝土施工方式主要有干噴與濕噴兩種［11-13］。 干噴混凝土回彈和粉塵量很大，施工環(huán)境惡劣， 同時(shí)會(huì)造成混凝土的后期強(qiáng)度損失， 使工程后期維護(hù)費(fèi)用增加， 不符合綠色、 可持續(xù)發(fā)展的要求［14，15］。 濕噴混凝土的施工效率高，能有效降低回彈， 粉塵濃度低， 能很好的改善施工環(huán)境［16，17］。 在國(guó)家相關(guān)部門(mén)干預(yù)下， 濕噴混凝土在我國(guó)已大面積普及， 地下工程、 隧道隧洞及鐵路等工程均已采用濕噴混凝土［8］。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)， 隧道施工中濕噴噴射混凝土的回彈率平均都在30%以上， 超耗在150%～200%（包含不可避免超挖）［9-10］， 中老鐵路（磨萬(wàn)段）Ⅱ標(biāo)統(tǒng)計(jì)噴射混凝土超耗率基本在150%以上， 富水區(qū)超耗率在350%～550%， 且受堿性速凝劑強(qiáng)度倒縮影響， 大部分強(qiáng)度還不能達(dá)到理想要求， 安全風(fēng)險(xiǎn)加大。 特別大的回彈率不僅導(dǎo)致工程質(zhì)量嚴(yán)重不合格， 原材料大量浪費(fèi)， 更容易在施工周?chē)a(chǎn)生大量粉塵， 煙霧彌漫， 影響施工， 加劇工作人員的安全健康隱患［8］。

針對(duì)普通噴射混凝土回彈率大， 且粉塵量大的缺點(diǎn)， 在噴射混凝土中摻入高強(qiáng)超微外加劑，研究高強(qiáng)超微外加劑對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能及回彈率的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為北京金隅公司生產(chǎn)的P·O 42.5 普通硅酸鹽 水 泥， 其 比 表 面 積 為386 m2／kg， 密 度 為2.95 g／cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為29.7%， 3 d、 28 d 抗壓強(qiáng)度分別為31.2 MPa、 50.6 MPa， 均符合規(guī)范要求； 細(xì)骨料為天然河砂， 細(xì)度模數(shù)為2.40， 屬于Ⅱ區(qū)中砂； 粗骨料為石灰?guī)r， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要所選石子的粒徑在5～10 mm， 密度為2.6 g／cm3； 速凝劑采用無(wú)堿液體速凝劑， 含固量為49%， 摻量為5%； 采用聚羧酸高效減水劑， 減水率為40%。 水采用自來(lái)水。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所用水泥為泰國(guó)TPI 水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥， 其比表面積為335 m2／kg，密度為3.11 g／cm3， 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.0%， 3 d、 28 d 抗壓強(qiáng)度分別為29.2 MPa、51.9 MPa。 細(xì)骨料為機(jī)制砂， 細(xì)度模數(shù)3.0， 屬于Ⅱ區(qū)中砂。 粗骨料為石灰?guī)r， 最大粒徑10 mm， 表觀密度2650 kg／m3。 粉煤灰為睿昴老撾VKEC 生產(chǎn)的粉煤灰， 需水量比102%。

高強(qiáng)超微外加劑為川鐵國(guó)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作有限公司生產(chǎn)的， 用于噴射混凝土的外加劑， 其粒徑范圍為0.4 μm～40 μm， 減水率為34%， 推薦摻量為4%～8%。 化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 高強(qiáng)超微外加劑化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of high-strength ultra-fine admixture ／%

1.2 試驗(yàn)方法

按GB／T50081-2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、 JGJ／T372-2016 《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》 進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。 經(jīng)多次試配最終確定C25 強(qiáng)度等級(jí)噴射混凝土水膠比為0.36， 砂率為58%， 膠凝材料用量為430 kg／m3， 高強(qiáng)超微外加劑摻量為膠材用量的4%-6%， 速凝劑摻量為5%，噴射混凝土實(shí)驗(yàn)室配合比見(jiàn)表2。

表2 噴射混凝土實(shí)驗(yàn)室配合比Table 2 Mix proportion of shotcrete laboratory ／ （kg／m3）

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土施工環(huán)境， 經(jīng)過(guò)試配后， 確定水膠比為0.41， 砂率為57%， 膠凝材料用量為452 kg／m3， 高強(qiáng)超微外加劑摻量分別為5.5%與7%。 噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)配合比見(jiàn)表3。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高強(qiáng)超微外加劑對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能影響

采用高強(qiáng)超微外加劑制備C25 噴射混凝土，高強(qiáng)超微外加劑摻量取4%、 5%與6%， 對(duì)其抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定， 研究高強(qiáng)超微外加劑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。 噴射混凝土配合比見(jiàn)表2。 圖1、 圖2 分別為噴射混凝土抗壓強(qiáng)度、 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從圖1 可知， 隨高強(qiáng)超微外加劑摻量的增加， 噴射混凝土抗壓強(qiáng)度有所增加， 且在齡期1 d～7 d 時(shí)強(qiáng)度發(fā)展較快， 7 d～28 d 時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。 在C25強(qiáng)度等級(jí)噴射混凝土中， 摻加高強(qiáng)超微外加劑的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度大于基準(zhǔn)組。 相較于基準(zhǔn)M1組， 當(dāng)高強(qiáng)超微外加劑摻量為6%時(shí)， 噴射混凝土抗壓強(qiáng)度最高， 1 d、 7 d、 28 d 抗壓強(qiáng)度分別為16.1 MPa、 36.9 MPa、 38.4 MPa， 較基準(zhǔn)組強(qiáng)度分別增長(zhǎng)56%、 5.7%、 6.4%。 由此可知， 高強(qiáng)超微外加劑能有效提高噴射混凝土早期抗壓強(qiáng)度且對(duì)后期強(qiáng)度發(fā)展無(wú)不良影響。

圖1 高強(qiáng)超微外加劑摻量對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of high-strength ultra-fine admixture on compressive strength of sprayed concrete

圖2 高強(qiáng)超微外加劑摻量對(duì)噴射混凝土抗折強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of high-strength ultra-fine admixture on the flexural strength of shotcrete

由圖2 可知， 隨著高強(qiáng)超微外加劑摻量的增加， 噴射混凝土抗折強(qiáng)度提高。 在1 d 噴射混凝土抗折強(qiáng)度中， M2、 M3、 M4 組抗折強(qiáng)度分別為2 MPa、2.3 MPa、 2.5 MPa， 較基準(zhǔn)組分別增加0.9 MPa、1.2 MPa、 1.4 MPa， 均高于基準(zhǔn)M1 組，說(shuō)明高強(qiáng)超微外加劑的加入能有效提高噴射混凝土的早期抗折強(qiáng)度； 以28 d 抗折強(qiáng)度為例， 當(dāng)摻量為4%時(shí)， 28 d 抗折強(qiáng)度為5 MPa， 較基準(zhǔn)組提高25%， 28 d 抗折強(qiáng)度最高的是M4 組， 其抗折強(qiáng)度能夠達(dá)到5.8 MPa， 較基準(zhǔn)組提高了32%。 由此可知摻用高強(qiáng)超微外加劑的噴射混凝土抗折強(qiáng)度高于不摻高強(qiáng)超微外加劑的噴射混凝土， 且摻量越高抗折強(qiáng)度越高。

高強(qiáng)超微外加劑在生產(chǎn)過(guò)程中， 其顆粒因?yàn)榧彼倮鋮s， 在表面張力作用下， 形成的顆粒表面致密光滑， 導(dǎo)致需水量低， 加之顆粒是形狀為球狀的玻璃體， 因此具有“滾珠軸承” 的效應(yīng)， 可以起到潤(rùn)滑作用， 減少內(nèi)摩擦阻力， 提高流動(dòng)性。 高強(qiáng)超微外加劑其粒徑范圍僅僅為0.4 μm～40 μm， 并具有連續(xù)的級(jí)配， 導(dǎo)致細(xì)度很小， 比表面積很大， 潛在化學(xué)活性很高， 能夠起到微集料的作用， 充分填充水泥顆粒間的空隙， 并與水泥的水化產(chǎn)物生成具有強(qiáng)度的膠凝體， 提高噴射混凝土的密實(shí)度進(jìn)一步提高強(qiáng)度［16］。 試驗(yàn)所用高強(qiáng)超微外加劑中含有大量的微硅粉， 引入的非晶態(tài)、 無(wú)定形的SiO2易溶于堿性溶液中， 在速凝劑協(xié)同作用下可以加速C3S、 C3A的早期水化速率［7］， 在水化反應(yīng)早期即可與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)， 并消耗大量石膏， 生成大量的水化硅酸鈣凝膠， 填充水化水泥漿體的孔隙并減小混凝土內(nèi)部孔隙尺寸， 使水泥-骨料多孔的界面區(qū)致密而顯著提高強(qiáng)度［5］。

2.2 高強(qiáng)超微外加劑對(duì)噴射混凝土回彈率影響

高強(qiáng)超微外加劑應(yīng)用于川鐵公司老撾項(xiàng)目和平隧道噴射混凝土中， 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試噴作業(yè)， 將不摻高強(qiáng)超微外加劑的噴射混凝土與添加高強(qiáng)超微外加劑的噴射混凝土進(jìn)行對(duì)比分析試驗(yàn)， 并統(tǒng)計(jì)記錄回彈率， 現(xiàn)場(chǎng)施工配合比見(jiàn)表3。 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采用墊彩條布收集回彈混凝土稱(chēng)量計(jì)算回彈量的方法與項(xiàng)目部采用測(cè)量開(kāi)挖斷面及初期支護(hù)斷面計(jì)算噴射混凝土數(shù)量與實(shí)際使用噴射混凝土數(shù)量對(duì)比分析方式計(jì)算噴射混凝土回彈量， 現(xiàn)場(chǎng)施工圖見(jiàn)圖3。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)收集回彈量試驗(yàn)圖Fig.3 Test diagram of rebound amount collected on site

為盡量保證噴射混凝土回彈量計(jì)算準(zhǔn)確， 開(kāi)挖、 初支斷面間距按照0.6 m （鋼架間距1.2 m，開(kāi)挖、 初支斷面必須測(cè)量同一里程）、 測(cè)點(diǎn)環(huán)向間距按照不大于0.5 m 進(jìn)行測(cè)量。 通過(guò)對(duì)開(kāi)挖、 初支斷面測(cè)量斷面方統(tǒng)計(jì)與各-循環(huán)實(shí)際使用噴射混凝土數(shù)量分析見(jiàn)表4、 表5。

表4 和平隧道回彈量統(tǒng)計(jì)Table 4 Springback statistics of heping tunnel

表5 和平隧道（斜井） 回彈量統(tǒng)計(jì)Table 5 Rebound statistics of heping tunnel （inclined shaft）

通過(guò)上述對(duì)比， 使用高強(qiáng)超微外加劑配合比的回彈量為6%～7.9%， 而不摻高強(qiáng)超微外加劑的普通噴射混凝土的回彈量為31.3%～37.5%； 綜合得出使用高強(qiáng)超微外加劑配合比的噴射混凝土回彈量平均為7.3%， 而普通噴射混凝土的回彈量平均為35.3%， 回彈量減少28%。

2.3 高強(qiáng)超微外加劑對(duì)噴射混凝土粘結(jié)強(qiáng)度影響

粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)采用鉆孔取芯法對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土進(jìn)行鉆孔取芯， 測(cè)試記錄摻加高強(qiáng)超微外加劑噴射混凝土與不摻加高強(qiáng)超微外加劑噴射混凝土的受?chē)娒嬲辰Y(jié)強(qiáng)度， 并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。 施工現(xiàn)場(chǎng)取樣見(jiàn)圖4。 在施工現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)得不同配合比噴射混凝土28 d 粘結(jié)強(qiáng)度見(jiàn)表6。

圖4 試驗(yàn)噴射混凝土鉆芯取樣圖Fig.4 Drill core sampling diagram of test shotcrete

表6 高強(qiáng)超微混凝土粘結(jié)力強(qiáng)度表Table 6 Adhesion strength of high-strength ultra-fine concrete

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， 摻加高強(qiáng)超微外加劑的噴射混凝土， 其粘結(jié)強(qiáng)度最高可達(dá)2.29 MPa， 不摻加高強(qiáng)超微外加劑噴射混凝土粘結(jié)強(qiáng)度僅僅只有0.85 MPa， 提高了3 ～4 倍。 粘結(jié)強(qiáng)度的提高能夠使噴射的混凝土牢牢的粘結(jié)在一起， 降低了噴射混凝土施工過(guò)程中的回彈量， 減少了由于高回彈率導(dǎo)致噴射混凝土縫隙增多， 孔隙增多， 缺陷增多的弊端， 提高了抗?jié)B性能， 尤其是在隧道富水區(qū)域施工過(guò)程中， 有效防止了水分滲透， 提高施工質(zhì)量與效率， 單次噴射厚度可達(dá)30 cm［15-16］。

3 結(jié)論

本論文研究了高強(qiáng)超微外加劑摻量對(duì)C25 強(qiáng)度等級(jí)噴射混凝土抗壓、 抗折強(qiáng)度的影響， 并將高強(qiáng)超微外加劑應(yīng)用于隧道施工中， 通過(guò)回彈率及粘接強(qiáng)度的測(cè)試， 得出以下結(jié)論：

（1） 隨著高強(qiáng)超微外加劑摻量的增加， 噴射混凝土力學(xué)性能得以提升。 當(dāng)摻量為6%時(shí)， 噴射混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度分別為38.4 MPa與5.8 MPa， 較基準(zhǔn)組提高了6.4%與32%。

（2） 與普通噴射混凝土對(duì)比， 添加高強(qiáng)超微外加劑的噴射混凝土在實(shí)際工程應(yīng)用中回彈量較低， 平均只有7.3%， 與不摻高強(qiáng)超微外加劑的噴射混凝土相比， 降低了28%； 粘結(jié)強(qiáng)度最高為2.29 MPa， 是普通噴射混凝土的3 ～4 倍。 添加高強(qiáng)超微外加劑可以顯著降低回彈率， 提高混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度， 減少粉塵污染， 減少對(duì)人體的傷害，充分滿(mǎn)足濕式噴射混凝土的施工要求。