隧道高強(qiáng)噴射混凝土試驗(yàn)研究

陳 宇

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

0 引言

初期支護(hù)是隧道穩(wěn)定的主要承載結(jié)構(gòu)，它是密貼于圍巖的柔性結(jié)構(gòu)與控制圍巖變形松弛的主要支護(hù)手段，而噴射混凝土是初期支護(hù)的重要組成部分，在初期支護(hù)中起著重要的作用。噴射混凝土支護(hù)發(fā)揮力學(xué)作用的關(guān)鍵是及時(shí)噴射、初期強(qiáng)度出現(xiàn)早和早期閉合。我國目前的隧道設(shè)計(jì)理念一般都是“重二襯輕初支”，而且對(duì)于噴射混凝土的設(shè)計(jì)方法研究還很不充分。為增加噴射混凝土初期支護(hù)剛度，往往都是通過增大噴射厚度來實(shí)現(xiàn)的。理論證實(shí):噴層厚度過大，會(huì)對(duì)噴射混凝土造成一系列不利影響，如增大彎曲應(yīng)力、脆性以及施工成本等。因此，對(duì)于噴射混凝土的厚度，不宜盲目地增大，而應(yīng)在如何改變噴射混凝土的性能，使之更加適應(yīng)支護(hù)的需求方面多下功夫，如增加噴射混凝土的初期強(qiáng)度等。

1 對(duì)策

所謂“治標(biāo)先治本”，只有噴射混凝土的原材料能夠滿足其性能要求和品質(zhì)保證，才能配制出高強(qiáng)噴射混凝土。根據(jù)既有研究得出的結(jié)論，通過添加“高品質(zhì)”礦物摻合料(粉煤灰、礦粉等)的手段配制高強(qiáng)噴射混凝土能很好的解決噴射混凝土的高強(qiáng)度問題。

礦粉和粉煤灰與水拌和后，不發(fā)生水化反應(yīng)，但在Ca(OH)2飽和溶液中，常溫下會(huì)發(fā)生顯著的水化反應(yīng):

生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣具有水硬性，對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度起貢獻(xiàn)作用。為了研究復(fù)合膠凝材中粉體材料的顆粒級(jí)配和粒度對(duì)混凝土性能的影響程度，本次試驗(yàn)采用遼寧丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)的2001激光粒度分析儀(干法)和百特圖像顆粒分布儀，從“微觀”角度對(duì)礦物摻合料的顆粒粒度和級(jí)配進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 三種膠凝材料的顆粒粒徑百分比分布表 %

通過試驗(yàn)分析可知，在復(fù)合膠凝材料中，水泥顆粒粒徑最大，磨細(xì)礦渣次之，粉煤灰最小。如果膠凝材料中的各種粉料按比例勾兌，就有可能形成混凝土中粉體材料良好的連續(xù)微級(jí)配。

復(fù)合膠凝材料在水化過程中不同粒徑的膠凝材料顆?；ハ嗵畛?，減少了顆粒間的空隙，從而進(jìn)一步減少了復(fù)合膠凝材料凝結(jié)硬化后的總孔隙率，提高了混凝土的密實(shí)性，降低混凝土的滲透性，另外，摻入多元礦物摻合料可減少混凝土中的Ca(OH)2的形成，有效降低水化熱、減少碳化和可溶成分的析出，同時(shí)礦粉、粉煤灰顆粒尺寸較小，保水性好，可抑制骨料周圍水膜的形成，從而改善界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，使得膠體—集料界面的粘結(jié)力增強(qiáng)，提高了混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)度。

2 混凝土試驗(yàn)

根據(jù)其他國家高強(qiáng)混凝土相關(guān)規(guī)范可知:噴射混凝土的高強(qiáng)化，是通過增大單位膠凝材量和降低水膠比來實(shí)現(xiàn)的。但是，高水泥用量和低水灰比的噴射混凝土水化熱反應(yīng)劇烈，早期易形成裂縫和干縮，這大大制約高強(qiáng)噴射混凝土的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，通過添加礦物摻合料降低水化熱，配制高強(qiáng)噴射混凝土顯得更為必要。在基準(zhǔn)配比的基礎(chǔ)上(見表2)，試驗(yàn)通過添加各種不同比例的礦粉和粉煤灰，以求得出一種合理的配比能實(shí)現(xiàn)混凝土膠凝材的良好級(jí)配，進(jìn)而得到高強(qiáng)噴射混凝土?；炷粮髋浔燃案鼾g期相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度見表3。

表2 高強(qiáng)噴射混凝土基準(zhǔn)配比

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:

1)單摻粉煤灰。a.粉煤灰的火山灰效應(yīng)的發(fā)揮依賴于水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2，早期水泥水化程度不高，粉煤灰的活性難以發(fā)揮，因此初期強(qiáng)度出現(xiàn)下降現(xiàn)象，但摻量在20%以內(nèi)時(shí)仍能保持在10 MPa以上(見圖1)。b.摻粉煤灰的噴射混凝土后期強(qiáng)度增長十分迅速，在摻量20%以內(nèi)，28 d強(qiáng)度甚至超過了基準(zhǔn)配比，這是因?yàn)樗嗨饔蒙闪俗銐蚨嗟腃a(OH)2，大大激發(fā)了粉煤灰的火山灰效應(yīng)，改善了水泥石的結(jié)構(gòu)，增長了混凝土的強(qiáng)度(見圖1)。

2)單摻礦粉。a.隨著礦粉摻量的增加，噴射混凝土的1 d抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。摻量在30%以內(nèi)時(shí)，1 d抗壓強(qiáng)度仍然能保持在10 MPa以上。這是因?yàn)榈V粉具有潛在水硬性，較一般粉煤灰而言，具有較高的早期活性(見圖2)。b.隨著礦粉摻量的增加，噴射混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度呈先升后降趨勢(shì)。摻量在20%～30%之間變化時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度超過了基準(zhǔn)配比(見圖2)。c.當(dāng)?shù)V粉摻量大于40%后，會(huì)產(chǎn)生混凝土泌水率增大，離析和干縮現(xiàn)象，影響混凝土的初期及后期強(qiáng)度的發(fā)展。

表3 噴射混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度值 MPa

圖1 摻粉煤灰的噴射混凝土強(qiáng)度變化

圖2 摻礦粉的噴射混凝土強(qiáng)度變化

3)復(fù)摻粉煤灰、礦粉。a.復(fù)摻40%是對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度正負(fù)效應(yīng)的一個(gè)“分水嶺”。當(dāng)復(fù)摻比例控制在30%～40%時(shí)，無論粉煤灰和礦粉之間的比例如何調(diào)整，復(fù)摻呈現(xiàn)對(duì)抗壓強(qiáng)度的“正效應(yīng)”。b.其中，N10(F10S20)，N11(F10S30)初期強(qiáng)度保持在10 MPa以上，后期強(qiáng)度甚至超過基準(zhǔn)配比，說明這兩種配方具有一定的推廣性(見圖3)。c.在噴射混凝土中按適當(dāng)比例雙摻粉煤灰和礦粉，可以發(fā)揮兩者良好的技術(shù)耦合性，具有“超疊加效應(yīng)”，因此相對(duì)單摻配比，可提高其摻量，體現(xiàn)了優(yōu)越性。

圖3 復(fù)摻粉煤灰及礦粉的噴射混凝土強(qiáng)度變化

3 環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益

現(xiàn)如今，國際社會(huì)越來越提倡“綠色混凝土”的概念，綠色混凝土要求比傳統(tǒng)混凝土更高更強(qiáng)，更耐久，而且可以實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用和有害物質(zhì)的最低排放，達(dá)到與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共處。礦粉和粉煤灰作為工業(yè)廢棄物，如果能在混凝土膠凝材中發(fā)揮作用，則更好的呼應(yīng)了資源的循環(huán)利用及廢棄物的再利用，具備很好的環(huán)境效應(yīng)。

作為工業(yè)廢棄物的粉煤灰和礦粉，其市場(chǎng)價(jià)格要低于水泥，故而如果膠凝材中采用粉煤灰和礦粉代替適量水泥，則在實(shí)現(xiàn)了膠凝材的良好級(jí)配的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益。從長遠(yuǎn)角度來看，通過單摻和復(fù)摻配制的高強(qiáng)噴射混凝土的耐久性更為優(yōu)越，同時(shí)也可以為后期維修等節(jié)省大筆開支。

4 結(jié)語

隧道高強(qiáng)噴射混凝土的設(shè)計(jì)、施工需要考慮地質(zhì)、環(huán)境、材料和結(jié)構(gòu)四個(gè)層次的各種因素，除此之外，新建隧道結(jié)構(gòu)必須正確選擇混凝土原材料和配合比。在本試驗(yàn)的環(huán)境條件下，F(xiàn)10S20和F10S30兩個(gè)配方具有很好的強(qiáng)度性能，在具體工程的混凝土配合比設(shè)計(jì)中，可作為重點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

高強(qiáng)噴射混凝土，可以降低噴射厚度，總噴射量也相應(yīng)減少，成本得到有效控制。高強(qiáng)噴射混凝土構(gòu)筑的襯砌可以提高襯砌的承載力，可更好地適應(yīng)大變形圍巖條件和大斷面隧道。

混凝土膠凝材中摻加粉煤灰和礦粉，取代部分水泥，實(shí)現(xiàn)了廢棄物利用和節(jié)能減排，同時(shí)又提高了混凝土的性能，也是在走向“低碳隧道”的路上另辟了一條新徑。