液體速凝劑在鐵路隧道噴射混凝土中的應(yīng)用研究

楊富民，孫成曉，仇 鵬，張 雯，何軍利，閆俊潔，李 晨

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206)

液體速凝劑在鐵路隧道噴射混凝土中的應(yīng)用研究

楊富民1，孫成曉2，仇 鵬1，張 雯1，何軍利2，閆俊潔2，李 晨2

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206)

為研究無(wú)堿液體速凝劑和堿性液體速凝劑對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和耐久性能的影響，對(duì)摻加兩種速凝劑的噴射混凝土試件進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和快速凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:摻加無(wú)堿液體速凝劑可大幅度提高噴射混凝土28 d抗壓強(qiáng)度，保有率達(dá)到106.8%，而摻加堿性液體速凝劑的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度比僅為57.5%;摻加無(wú)堿液體速凝劑的噴射混凝土試件在各齡期的收縮率均小于摻加堿性液體速凝劑的混凝土試件;摻加無(wú)堿液體速凝劑可有效提高噴射混凝土的抗凍性能，混凝土試件經(jīng)受300次凍融循環(huán)未破壞，而摻加堿性液體速凝劑的混凝土試件在進(jìn)行凍融循環(huán)125次時(shí)已完全破壞。

無(wú)堿液體速凝劑 噴射混凝土 抗壓強(qiáng)度 耐久性能

速凝劑是一種能促進(jìn)混凝土迅速凝結(jié)硬化的外加劑，是噴射混凝土重要的組成材料。近年來(lái)，無(wú)堿速凝劑成為速凝劑研究的新方向。根據(jù)歐洲噴射混凝土規(guī)范(《European Specification for Sprayed Concrete Guidelines》)對(duì)速凝劑的定義，Na2O含量不超過(guò)1%的速凝劑為無(wú)堿速凝劑，其余為堿性速凝劑。摻加無(wú)堿速凝劑的噴射混凝土具有后期抗壓強(qiáng)度保有率高、耐久性好和安全環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)外隧道工程中得到了廣泛應(yīng)用。而我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《噴射混凝土用速凝劑》并未給出無(wú)堿速凝劑的明確定義及性能要求，因此，國(guó)內(nèi)無(wú)堿速凝劑應(yīng)用案例較少。

目前，我國(guó)鐵路隧道噴射混凝土用液體速凝劑多以鋁酸鹽、硅酸鹽類堿性速凝劑為主。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院選取目前施工中使用的20種液體速凝劑進(jìn)行勻質(zhì)性檢測(cè)，速凝劑總堿含量均在10%～20%，pH值接近14，屬?gòu)?qiáng)堿性。該類速凝劑具有摻量小、凝結(jié)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，但是在水泥水化過(guò)程中引入了大量堿性物質(zhì)，導(dǎo)致混凝土后期強(qiáng)度損失嚴(yán)重，耐久性下降，且對(duì)施工人員的眼睛和皮膚有腐蝕性傷害。

針對(duì)上述問(wèn)題，采用無(wú)堿液體速凝劑與堿性液體速凝劑進(jìn)行同條件對(duì)比試驗(yàn)，研究?jī)煞N液體速凝劑對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性及抗凍性能的影響規(guī)律，為無(wú)堿速凝劑在高速鐵路隧道初期支護(hù)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 工程背景

壁板坡隧道為滬昆客專第一長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)14 756 m，最大埋深735 m，為低瓦斯隧道。沿線地形起伏大，地層繁多，巖性繁雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育，可溶巖地層分布廣泛。主要不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)有:滑坡、崩塌、危巖落石、巖堆、高地震烈度、高地應(yīng)力、軟土等。

2 原材料

水泥為云南遠(yuǎn)東 P.O 42.5水泥，比表面積 344 m2/kg，28 d抗壓強(qiáng)度51.3 MPa;粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，需水量比100%，燒失量4.23%;細(xì)骨料為機(jī)制砂，石粉含量6.5%，細(xì)度模數(shù)3.4，泥塊含量0.2%，壓碎指標(biāo)19%;粗骨料為5～10 mm單粒級(jí)配碎石，含泥量0.7%，石粉含量5.6%，表觀密度2 670 kg/m3;水為普通自來(lái)水，符合《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 63—89)要求;減水劑為聚羧酸減水劑，減水率26%，含氣量2.9%;速凝劑分兩種:①TK-S無(wú)堿液體速凝劑，②JVS堿性液體速凝劑。兩種速凝劑性能指標(biāo)如表1所示。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取TK-S無(wú)堿液體速凝劑和JVS堿性液體速凝

劑兩種速凝劑，進(jìn)行同條件對(duì)比試驗(yàn)，并選取了基準(zhǔn)混凝土作為對(duì)照，研究?jī)煞N速凝劑對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和抗凍性能的影響規(guī)律。噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，混凝土配合比如表2所示。

表2 C25噴射混凝土配合比 kg/m3

4 試驗(yàn)方法

4.1 試件成型方法

試件制備采用噴板法，噴射設(shè)備采用中鐵巖峰成都科技有限公司生產(chǎn)的TK600A型濕噴機(jī)，噴射工藝采用濕噴，成型后的混凝土試件經(jīng)一段養(yǎng)護(hù)時(shí)間后進(jìn)行切磨處理，具體方法依據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》。成型的噴射混凝土板及測(cè)試試件如圖1所示。

圖1 噴射混凝土板及測(cè)試試件

4.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm× 100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)試方法依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081)關(guān)于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的規(guī)定。

4.3 體積穩(wěn)定性試驗(yàn)

混凝土體積穩(wěn)定性試驗(yàn)采用100 mm×100 mm× 515 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)試方法依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》關(guān)于干縮試驗(yàn)的規(guī)定。

4.4 抗凍性能試驗(yàn)

混凝土抗凍性能試驗(yàn)采用100 mm×100 mm× 400 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，試驗(yàn)方法依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》關(guān)于快凍法的規(guī)定。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

分別對(duì)噴射混凝土試件進(jìn)行3 h，12 h，1 d，3 d，7 d，28 d，56 d和90 d共8個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度測(cè)試。各組噴射混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系如圖2所示。

圖2 各組噴射混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系

從圖2可以看出:

1)相同條件下，TK-S無(wú)堿液體速凝劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的增加效果優(yōu)于JVS堿性液體速凝劑。

2)摻加TK-S無(wú)堿液體速凝劑的噴射混凝土1 d抗壓強(qiáng)度為10.5 MPa;28 d抗壓強(qiáng)度為39.0 MPa，為基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度的106.8%。而摻加JVS堿性液體速凝劑的噴射混凝土1 d抗壓強(qiáng)度為9.5 MPa;28 d抗壓強(qiáng)度為21.0 MPa，僅為基準(zhǔn)混凝土的57.5%，后期強(qiáng)度損失嚴(yán)重。

3)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，3組混凝土抗壓強(qiáng)度均有不同程度增長(zhǎng)，摻加TK-S無(wú)堿液體速凝劑的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度高于基準(zhǔn)混凝土，并有增長(zhǎng)的趨勢(shì)?；鶞?zhǔn)混凝土和摻加JVS堿性液體速凝劑的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，并且摻加JVS堿性液體速凝劑的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)混凝土。

由此可見(jiàn)，摻加 TK-S無(wú)堿液體速凝劑的噴射混凝土滿足1 d抗壓強(qiáng)度不低于10 MPa的要求，并且28 d抗壓強(qiáng)度不損失，甚至有所提高。因此，TK-S無(wú)堿液體速凝劑對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的提高明顯優(yōu)于JVS堿性液體速凝劑。

5.2 體積穩(wěn)定性試驗(yàn)

由于干燥收縮引起的開(kāi)裂是混凝土材料最常見(jiàn)的病害之一，混凝土開(kāi)裂會(huì)加速有害物質(zhì)的侵入，加速鋼筋銹蝕，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。噴射混凝土由于

砂率高、骨料粒徑小、膠凝材料用量大，再加上摻加速凝劑，其收縮尤為嚴(yán)重。混凝土體積穩(wěn)定性通常用試件軸向相對(duì)長(zhǎng)度的變化率來(lái)表征。分別對(duì)噴射混凝土試件進(jìn)行1，3，7，14，28，56和90 d共7個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期的收縮率測(cè)試。體積穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 各組噴射混凝土收縮率與齡期的關(guān)系

從圖3可以看出:

1)在混凝土養(yǎng)護(hù)早期(3 d)，摻加速凝劑的噴射混凝土收縮率均大于基準(zhǔn)混凝土，這是由于加入速凝劑后，加速水泥水化反應(yīng)速率，引起化學(xué)收縮率增大，此時(shí)，收縮率:JVS＞TK-S＞基準(zhǔn)混凝土。

2)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，基準(zhǔn)混凝土收縮率逐漸增大，超過(guò)摻加速凝劑的兩組混凝土收縮率，此時(shí)，收縮率:基準(zhǔn)混凝土＞JVS＞TK-S。

3)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，摻加JVS堿性液體速凝劑的噴射混凝土收縮率均大于摻加TK-S無(wú)堿液體速凝劑噴射混凝土。

從本次試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，速凝劑可減小噴射混凝土收縮率，并且摻加無(wú)堿液體速凝劑的噴射混凝土收縮率小于摻加堿性液體速凝劑的噴射混凝土。

5.3 抗凍性能試驗(yàn)

混凝土抗凍性能是混凝土耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本試驗(yàn)采用快速凍融法對(duì)基準(zhǔn)混凝土及摻加TKS和JVS液體速凝劑的混凝土進(jìn)行凍融試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?

1)隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸降低，質(zhì)量損失逐漸增加。

2)摻加TK-S無(wú)堿液體速凝劑的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量均大于基準(zhǔn)混凝土，質(zhì)量損失小于基準(zhǔn)混凝土;而摻加JVS堿性液體速凝劑的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量均小于基準(zhǔn)混凝土，質(zhì)量損失大于基準(zhǔn)混凝土。

3)摻加 TK-S無(wú)堿液體速凝劑的混凝土在凍融300次后，相對(duì)動(dòng)彈性模量為 94.3%，質(zhì)量損失為0.82%;而摻加JVS堿性液體速凝劑的混凝土在凍融125次后，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低至57.5%，質(zhì)量損失達(dá)到2.5%，出現(xiàn)凍融破壞。

圖4 噴射混凝土凍融試驗(yàn)結(jié)果

由此可見(jiàn)，摻加 TK-S無(wú)堿液體速凝劑能夠略微提高混凝土的抗凍性能，而摻加JVS堿性液體速凝劑大大降低了混凝土的抗凍性能。摻加無(wú)堿液體速凝劑的混凝土抗凍性能明顯優(yōu)于摻加堿性液體速凝劑的混凝土。

6 結(jié)論

1)摻加TK-S無(wú)堿液體速凝劑的噴射混凝土滿足1 d抗壓強(qiáng)度不低于10 MPa的要求，并且28 d抗壓強(qiáng)度不損失，甚至有所提高。因此，TK-S無(wú)堿液體速凝劑對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的提高明顯優(yōu)于JVS堿性液體速凝劑。

2)從本次試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，速凝劑可減小噴射混凝土收縮率，并且摻加TK-S無(wú)堿液體速凝劑的噴射混凝土收縮率小于摻加JVS堿性液體速凝劑的噴射混凝土收縮率。

3)摻加 TK-S無(wú)堿液體速凝劑的混凝土在凍融300次后，相對(duì)動(dòng)彈性模量為 94.3%，質(zhì)量損失為0.82%，摻加TK-S無(wú)堿液體速凝劑能夠略微提高混凝土的抗凍性能;而摻加JVS堿性液體速凝劑則大大降低了混凝土的抗凍性能。

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Study on application of liquid accelerating agent in shotcrete of railway tunnels

YANG Fumin1，SUN Chengxiao2，QIU Peng1，ZHANG Wen1，HE Junli2，YAN Junjie2，LI Chen2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Beijing Tieke Shougang Track Technology Co.，Ltd.，Beijing 102206，China)

T he paper conducts experimental study on the compressive strength，volume stability and freezing resistance of the two shotcrete samples with different accelerating agents，aiming to unveil the influence of alkali-free liquid accelerating agent and alkaline liquid accelerating agent to the compressive strength and durability of shotcrete.T he results show that within a matter of 28 d alkali-free liquid accelerating agent largely improves the compressive strength of the sample，as the retention rate raises to 106.8%，while the other sample only displays a compressive strength of 57.5%.At the same time，it is noticed that the alkali-free sample falls behind the alkaline sample in terms of contraction rate at every stage of the experiment.T he alkali-free liquid accelerating agent elevates the freezing resistance of the shotcrete by a large margin，which manages to withstand 300 freeze-thaw cycles，while the other sample fails at cycle 125.

Alkali-free liquid accelerating agent;Shotcrete;Compressive strength;Durability

U214.1+8

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.22

(責(zé)任審編 周彥彥)

2015-01-12;

:2015-03-19

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2013YJ026)

楊富民(1976— )，男，黑龍江佳木斯人，副研究員，碩士。

1003-1995(2015)09-0074-04