徐 鋒,曾 超,劉 明,周晉筑,吳 雄

(1.中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 102600;2.中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院有限公司,四川 成都 610218)

0 引言

高海拔地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)地層巖性繁雜、地質(zhì)活動(dòng)斷裂發(fā)育、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、巖漿侵入體分布廣泛,存在大量高地應(yīng)力、軟巖大變形、地下水等地質(zhì)環(huán)境,隧道工程圍巖穩(wěn)定性差,初期支護(hù)難度大[1]。為保證工程的質(zhì)量安全與施工進(jìn)度,起到快速封閉和支護(hù)的作用,隧道設(shè)計(jì)中對(duì)噴射混凝土幼齡期強(qiáng)度提出了極高的要求[2-3]。同時(shí),高原低溫低濕環(huán)境又會(huì)對(duì)噴射混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展造成一定的負(fù)面影響?；炷猎鐝?qiáng)性能一般指3d抗壓強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)值的70%,7d抗壓強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)值的90%。目前針對(duì)地質(zhì)條件較差的圍巖,采取增大噴射厚度或增加膠凝材料用量,提高噴射混凝土初期支護(hù)剛度[4]。研究表明,噴射混凝土厚度過大,會(huì)增大初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)力、脆性及施工成本[5]。同時(shí),增加噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)并不能明顯提升混凝土幼齡期強(qiáng)度發(fā)展速度,很難實(shí)現(xiàn)早期的超早強(qiáng)性能?；炷劣g期強(qiáng)度一般指3d以內(nèi)的抗壓強(qiáng)度,甚至是數(shù)小時(shí)內(nèi)的強(qiáng)度發(fā)展;超早強(qiáng)性能指混凝土幼齡期抗壓強(qiáng)度的快速提升。目前為了實(shí)現(xiàn)噴射混凝土的超早強(qiáng)性能往往會(huì)加入無機(jī)鹽、醇胺類早強(qiáng)劑及快硬早強(qiáng)型水泥,但加入過多的早強(qiáng)劑會(huì)對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生負(fù)面影響[6-7]。同時(shí)采用快硬早強(qiáng)型水泥與早強(qiáng)劑均會(huì)對(duì)混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響,造成混凝土的流動(dòng)性損失過快,不能滿足噴射混凝土的可泵性和可噴性[8-10]。

本文圍繞噴射混凝土的超早強(qiáng)性能與工作性能保持、長齡期強(qiáng)度增長兩方面的矛盾,采用納米早強(qiáng)功能材料與增強(qiáng)型無堿速凝劑,快速提升噴射混凝土早期強(qiáng)度,并保障混凝土后期強(qiáng)度的增長。同時(shí)采用相匹配的混凝土穩(wěn)態(tài)保塑劑,提高混凝土的流動(dòng)度保持性能,改善混凝土的黏聚性,提升噴射混凝土的可泵性與可噴性。本文將納米早強(qiáng)功能材料、增強(qiáng)型無堿速凝劑及混凝土穩(wěn)態(tài)保塑劑進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,開發(fā)了高海拔地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)噴射混凝土超早強(qiáng)材料以解決上述技術(shù)難題。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

P·O 42.5水泥、納米早強(qiáng)功能材料、增強(qiáng)型無堿速凝劑性能如表1～3所示。混凝土穩(wěn)態(tài)保塑劑主要性能為改善混凝土黏聚性與保坍性能,其性能如表4 所示。減水劑性能如表5所示。細(xì)集料采用二區(qū)機(jī)制砂,細(xì)度模數(shù)2.5,含泥量0.8%,石粉含量8.5%;粗集料為5～10mm碎石,表觀密度2 685kg/m3,空隙率34%,含泥量0.5%,壓碎指標(biāo)值6%。

表1 水泥性能

表2 納米早強(qiáng)功能材料性能

表3 增強(qiáng)型無堿速凝劑性能(摻量8%)

表4 混凝土穩(wěn)態(tài)保塑劑性能(摻量0.01%)

表5 減水劑性能

1.2 配合比

本文試驗(yàn)所采用噴射混凝土配合比為:單方混凝土膠凝材料總量為470kg,納米早強(qiáng)功能材料等量替代P·O 42.5水泥(表6中替代量為6%),水膠比0.42,砂率0.5,減水劑摻量1%,穩(wěn)態(tài)保塑劑0.01%,無堿速凝劑摻量6%～8%(表6中摻量為7%),容重為2 340kg/m3。具體配合比如表6所示。

表6 噴射混凝土配合比

1.3 表征與性能測試

1)水化熱采用Thermometric TAM Air 型八通道熱導(dǎo)式等溫量熱儀進(jìn)行測試,水灰比為0.4,減水劑折固摻量0.1%,分析納米早強(qiáng)功能材料對(duì)水泥水化進(jìn)程的影響。

2)水化產(chǎn)物形貌采用Phenom pharos型場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行測試,測試齡期為1d和28d,養(yǎng)護(hù)條件為海拔3 600.000m的實(shí)驗(yàn)室自然養(yǎng)護(hù),溫度10℃,相對(duì)濕度50%～60%,分析納米早強(qiáng)功能材料對(duì)水化產(chǎn)物的影響。

3)參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土拌合物的工作性能進(jìn)行測試。參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》與JGJ/T 372—2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》對(duì)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)室抗壓強(qiáng)度測試采用100mm×100mm×100mm的模具振搗成型,工程應(yīng)用抗壓強(qiáng)度測試采用大板切割成直徑和高度均為100mm的圓柱體試件。實(shí)驗(yàn)室測試養(yǎng)護(hù)條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),工程應(yīng)用測試養(yǎng)護(hù)條件為現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)[11]。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)在常壓冬季開展,溫度5～10℃,相對(duì)濕度60%～70%,包括混凝土拌合物性能測試及試件成形。

2 結(jié)果與討論

2.1 水膠比與減水劑摻量對(duì)噴射混凝土流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的影響

水膠比是影響混凝土強(qiáng)度等級(jí)的關(guān)鍵指標(biāo)之一,對(duì)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展及工作性能有直接影響,而對(duì)摻入速凝劑的噴射混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展作用尚未可知。同時(shí)減水劑摻量會(huì)對(duì)混凝土工作性能產(chǎn)生顯著影響,而對(duì)于混凝土幼齡期的強(qiáng)度發(fā)展影響并未進(jìn)行研究[11-12]。因此,本小節(jié)圍繞水膠比與減水劑摻量對(duì)噴射混凝土流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究。采用表6的配合比,不加入納米早強(qiáng)功能材料和混凝土穩(wěn)態(tài)保塑劑,早期抗壓強(qiáng)度測試時(shí)間為8h和24h。

不同水膠比對(duì)噴射混凝土坍落度及8h和24h抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示。由圖1可知,在減水劑摻量相同條件下,水膠比從0.44變化至0.38,混凝土坍落度從220mm降低至155mm,但混凝土8h抗壓強(qiáng)度并沒有隨水膠比降低而明顯增大,呈現(xiàn)出與普通混凝土不同的變化規(guī)律。24h抗壓強(qiáng)度與普通混凝土變化規(guī)律一致,從19.2MPa增大至23.7MPa。推測其原因?yàn)?在速凝劑的促凝條件下,混凝土超早期強(qiáng)度的發(fā)展主要取決于膠凝材料與速凝劑的總量和比例,而伴隨速凝劑促凝作用的減弱,后期的強(qiáng)度發(fā)展逐漸由膠凝材料水化及自由水含量來決定。因此,在噴射混凝土中通過降低水膠比來提升幼齡期抗壓強(qiáng)度的方法可行性較低,反而會(huì)降低噴射混凝土的可泵性與可噴性。

圖1 不同水膠比對(duì)噴射混凝土坍落度及8,24h抗壓強(qiáng)度影響

減水劑摻量對(duì)噴射混凝土坍落度及8h和24h抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。在相同水膠比條件下,減水劑摻量從0.9%增加至1.2%,混凝土坍落度從18mm增大至225mm,而混凝土8h抗壓強(qiáng)度從3.4MPa降低至1.3MPa。24h抗壓強(qiáng)度無明顯變化,集中在20.8～21.5MPa。抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律,其原因可能為:減水劑會(huì)吸附到水泥顆粒表面,減少了孔隙液中游離Ca2+濃度及裸露的有效接觸面積,特別是水化早期,該種緩凝作用更顯著。伴隨水泥水化作用的進(jìn)行,水化產(chǎn)物覆蓋了吸附的減水劑,阻礙水化的效果減弱,對(duì)后期的強(qiáng)度發(fā)展影響較小,試驗(yàn)組的水膠比相同,后期強(qiáng)度基本保持一致。由此可看出,相同水膠比條件下,減水劑摻量越高,噴射混凝土幼齡期強(qiáng)度越低。因此,通過直接添加減水劑來提升混凝土工作性能的方法并不適用于配制幼齡期超早強(qiáng)混凝土。

圖2 不同減水劑摻量對(duì)噴射混凝土坍落度及8,24h抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 增強(qiáng)型無堿速凝劑對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

速凝劑是保證噴射混凝土在短時(shí)間內(nèi)硬化產(chǎn)生強(qiáng)度的關(guān)鍵材料,對(duì)于混凝土的幼齡期強(qiáng)度增長及后期強(qiáng)度發(fā)展有顯著影響[13]。本小節(jié)對(duì)速凝劑種類及摻量對(duì)噴射混凝土的早期強(qiáng)度影響進(jìn)行了研究。

不同速凝劑對(duì)噴射混凝土8,24h抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示。相較于有堿和低堿速凝劑,無堿速凝劑的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度更高,8h和24h的抗壓強(qiáng)度分別提升200%,36%和130%,51%。其原因?yàn)?有堿和低堿速凝劑為了達(dá)到快速硬化的效果,含堿量過高或引入氟離子均不利于混凝土抗壓強(qiáng)度的增長[14-15]。增強(qiáng)型無堿速凝劑額外引入一定量的混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)組分,同時(shí)盡量減少對(duì)強(qiáng)度發(fā)展不利的組分,可顯著提升混凝土抗壓強(qiáng)度。相比于普通無堿速凝劑,8h和24h的抗壓強(qiáng)度分別提升73%,16%。

圖3 速凝劑種類對(duì)噴射混凝土8,24h抗壓強(qiáng)度的影響

不同增強(qiáng)型無堿速凝劑摻量對(duì)噴射混凝土8h,24h抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。隨著增強(qiáng)型無堿速凝劑摻量的增加,混凝土8h和24h抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢,由此看出,可通過增加其摻量來提升混凝土幼齡期的抗壓強(qiáng)度。摻量從6%增加至7%,噴射混凝土8h,24h抗壓強(qiáng)度分別提升37%和10%;摻量從7%增加至8%,8h,24h抗壓強(qiáng)度分別提升8%和4%,提升效果不明顯。因此增強(qiáng)型無堿速凝劑的最佳摻量為膠凝材料的7%。

2.3 納米早強(qiáng)功能材料對(duì)噴射混凝土工作性和抗壓強(qiáng)度的影響

通過摻入早強(qiáng)劑與快硬早強(qiáng)型水泥來提升噴射混凝土的幼齡期抗壓強(qiáng)度,往往會(huì)對(duì)混凝土的流動(dòng)性、坍落度保持性、后期強(qiáng)度與耐久性等產(chǎn)生負(fù)面影響。本小節(jié)采用自研的納米早強(qiáng)功能材料作為噴射混凝土的早強(qiáng)材料,研究了其對(duì)混凝土工作性與不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響。所采用的配合比如表6所示,不加入混凝土穩(wěn)態(tài)保塑劑,抗壓強(qiáng)度測試時(shí)間為8h,24h與28d。

不同摻量的納米早強(qiáng)功能材料對(duì)噴射混凝土1.5h坍落度損失及8h,24h,28d抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示。摻入4%～8%的納米早強(qiáng)功能材料,8h,24h與28d的混凝土抗壓強(qiáng)度分別提升219%～350%,9%～21%,13%～16%。隨著納米早強(qiáng)功能材料摻量的增加,混凝土坍落度損失增大至20mm,坍落度仍可保持在180mm左右,具有較好的流動(dòng)性,可保證噴射混凝土的可泵性。

圖5 納米早強(qiáng)功能材料摻量對(duì)噴射混凝土1.5h坍落度損失及8h,24h,28d抗壓強(qiáng)度的影響

2.4 混凝土穩(wěn)態(tài)保塑劑對(duì)噴射混凝土工作性能與抗壓強(qiáng)度的影響

由2.3節(jié)可知,摻入納米早強(qiáng)功能材料會(huì)造成混凝土一定程度的坍落度損失,為了保證噴射混凝土良好的可泵性與可噴性,需添加一定量穩(wěn)態(tài)保塑劑對(duì)混凝土的坍落度損失進(jìn)行調(diào)控。

不同摻量的穩(wěn)態(tài)保塑劑對(duì)噴射混凝土1.5h坍落度損失及8h,24h,28d抗壓強(qiáng)度的影響如圖6所示。混凝土坍落度損失隨穩(wěn)態(tài)保塑劑用量的增大而減小,摻量為0.01%時(shí)1.5h混凝土坍落度損失僅為4mm。當(dāng)摻量達(dá)到膠凝材料的0.015%時(shí),混凝土1.5h后出現(xiàn)坍落度增大現(xiàn)象,對(duì)噴射混凝土的可泵性與可噴性產(chǎn)生不利影響,同時(shí)8h的抗壓強(qiáng)度減小12.5%,因此穩(wěn)態(tài)保塑劑的摻量不宜超過0.015%。穩(wěn)態(tài)保塑劑摻量過大時(shí),僅會(huì)輕微降低混凝土8h的抗壓強(qiáng)度,而對(duì)混凝土24h和28d抗壓強(qiáng)度無負(fù)面影響。

圖6 混凝土穩(wěn)態(tài)保塑劑摻量對(duì)噴射混凝土1.5h坍落度損失及8h,24h,28d抗壓強(qiáng)度的影響

2.5 高海拔地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)噴射混凝土超早強(qiáng)材料的作用原理分析

為了研究高海拔地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)噴射混凝土超早強(qiáng)材料的早強(qiáng)作用機(jī)理,分別對(duì)比空白組、加入6%納米早強(qiáng)功能材料、加入6%納米早強(qiáng)功能材料與0.01%混凝土穩(wěn)態(tài)保塑劑的水泥水化進(jìn)程及空白組與摻入納米早強(qiáng)功能材料的1d和28d水化產(chǎn)物形貌。

摻入納米早強(qiáng)功能材料與穩(wěn)態(tài)保塑劑的水泥水化曲線如圖7所示。摻入納米早強(qiáng)功能材料會(huì)顯著加快水泥的水化放熱速率,同時(shí)提高早期的放熱量[16-17]。與空白組相比,納米早強(qiáng)材料的最大放熱峰在9h左右,水化放熱峰提前11.6h,峰高增強(qiáng)50%,表明納米早強(qiáng)功能材料能高效促進(jìn)水泥早期的水化,從而快速提升混凝土早期的抗壓強(qiáng)度[18-19]。加入穩(wěn)態(tài)保塑劑后,最大放熱峰前出現(xiàn)一個(gè)短暫的平臺(tái)期,水泥開始快速升溫的時(shí)間推遲1.2h?？赏茰y,加入穩(wěn)態(tài)保塑劑后可在一定程度上延緩水泥在1h左右的水化速率,從而減小混凝土的坍落度損失。而最大放熱峰僅延遲0.7h,表明穩(wěn)態(tài)保塑劑對(duì)混凝土早期強(qiáng)度增長的影響較小,恰好可滿足具有早強(qiáng)要求混凝土的保坍性能提升。

圖7 納米早強(qiáng)功能材料與穩(wěn)態(tài)保塑劑對(duì)水泥水化的影響

不同齡期水泥水化產(chǎn)物形貌的SEM圖如圖8所示。由圖8a,b可知,摻入納米早強(qiáng)功能材料的水泥水化產(chǎn)物中生成大量針棒狀結(jié)構(gòu),其頂部團(tuán)簇交錯(cuò)連接形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),分布廣泛且均勻,這類結(jié)構(gòu)為C—S—H凝膠[20]。相較于空白組,圖8b中1d水化產(chǎn)物中的C—S—H凝膠結(jié)構(gòu)明顯更多。表明水泥中摻加納米早強(qiáng)功能材料后,納米早強(qiáng)功能材料能在水泥早期水化過程中提供額外的成核位點(diǎn),降低水化產(chǎn)物 C—S—H 凝膠的成核勢壘,促使水化產(chǎn)物在納米早強(qiáng)功能材料表面快速成核生長。結(jié)合水化熱進(jìn)行分析,這種水化成核結(jié)構(gòu)有效減弱了覆蓋在水泥顆粒表面的水化產(chǎn)物膜層,縮短了誘導(dǎo)期,從而加快水泥水化速率。同時(shí)生成大量的水化產(chǎn)物,提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,進(jìn)而加速水泥漿體早期強(qiáng)度的發(fā)展[21]。由圖8c,d可知,摻入納米早強(qiáng)功能材料并不會(huì)影響后期的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu),反而有助于提高水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,表明該種早強(qiáng)材料并不會(huì)對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖8 水泥水化產(chǎn)物的SEM圖

2.6 高海拔地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)噴射混凝土超早強(qiáng)材料的工程應(yīng)用

本文依托某工程進(jìn)行應(yīng)用評(píng)價(jià)。該工程平均海拔高度3 600.000m以上,年平均氣溫7.1℃,相對(duì)濕度73%,屬于川西高原典型的高原高寒氣候。

同時(shí)沿線地質(zhì)活動(dòng)頻繁、斷裂發(fā)育、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、巖漿侵入體分布廣泛,存在大量構(gòu)造應(yīng)力高度集中的地質(zhì)環(huán)境。因此,該工程對(duì)隧道噴射混凝土的幼齡期強(qiáng)度發(fā)展提出了超早強(qiáng)的性能要求,以保證工程質(zhì)量安全和施工效率。

根據(jù)上述研究和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果,本工程應(yīng)用的噴射混凝土超早強(qiáng)材料由膠凝材料質(zhì)量6%的納米早強(qiáng)功能材料、7%增強(qiáng)型無堿速凝劑及0.01%混凝土穩(wěn)態(tài)保塑劑組成。施工噴射混凝土配合比如表7所示。參照《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試,試件為采用大板鉆芯取樣制得的直徑和高度均為100mm的圓柱體,測試齡期為8h,24h和28d。

表7 施工噴射混凝土配合比

通過現(xiàn)場混凝土取樣測試,1.5h后混凝土具有良好的工作性能,保證了噴射混凝土優(yōu)良的可泵性。從現(xiàn)場噴射施工情況可看出,摻入超早強(qiáng)材料的噴射混凝土具有良好的可噴性,對(duì)回彈率等無負(fù)面影響。大板鉆芯取樣試件切面光滑整齊,無缺角,碎石、砂漿分布均勻,表明噴射混凝土具有良好的勻質(zhì)性及較高的硬化強(qiáng)度。經(jīng)過檢測8h,24h和28d的抗壓強(qiáng)度分別為11.9,25.6,53.3MPa。

3 結(jié)語

本文針對(duì)高海拔地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)噴射混凝土的超早強(qiáng)性能要求,研究了水膠比、減水劑摻量、納米早強(qiáng)功能材料、增強(qiáng)型無堿速凝劑及混凝土穩(wěn)態(tài)保塑劑對(duì)噴射混凝土的工作性能及抗壓強(qiáng)度的影響,將三者有機(jī)結(jié)合開發(fā)了高海拔地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)噴射混凝土超早強(qiáng)材料,并通過水化熱和水化產(chǎn)物探究了超早強(qiáng)和工作性保持性能的作用機(jī)制,并在某工程進(jìn)行了工程應(yīng)用評(píng)價(jià)。

1)混凝土水膠比越低,24h抗壓強(qiáng)度越高,但8h幼齡期的抗壓強(qiáng)度無明顯提升,且工作性能變差;相同水膠比條件下,減水劑摻量越高,工作性能提升,但噴射混凝土幼齡期強(qiáng)度越低。

2)增強(qiáng)型無堿速凝劑能顯著提升噴射混凝土8h和24h抗壓強(qiáng)度,相比于普通無堿速凝劑,8h和24h的抗壓強(qiáng)度分別提升73%和16%;摻量越高抗壓強(qiáng)度提升越大,最佳摻量為膠凝材料的7%。

3)摻入8%的納米早強(qiáng)功能材料,8h,24h與28d的混凝土抗壓強(qiáng)度分別提升350%,21%,15%;隨著納米早強(qiáng)功能材料摻量的增加,混凝土坍落度損失增大,最佳摻量為膠凝材料的6%。

4)穩(wěn)態(tài)保塑劑可有效降低摻入納米早強(qiáng)材料混凝土的坍落度損失,摻量為0.01%時(shí)1.5h混凝土坍落度損失僅為4mm,對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度無負(fù)面影響,最佳摻量為膠凝材料的0.01%。

5)摻入納米早強(qiáng)材料可高效促進(jìn)水泥早期的水化,水化放熱峰提前11.6h,峰高增強(qiáng)50%;水泥水化產(chǎn)物中生成大量針棒狀結(jié)構(gòu),表明在水泥早期水化過程中提供額外的成核位點(diǎn),促使水化產(chǎn)物快速成核生長。

6)高海拔地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)噴射混凝土超早強(qiáng)材料在某工程進(jìn)行應(yīng)用評(píng)價(jià),經(jīng)檢測8h,24h和28d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到11.9,25.6,53.3MPa。