高強(qiáng)噴射混凝土在鐵路隧道中的應(yīng)用研究

楊富民，孫成曉，仇鵬，張?chǎng)?，何軍?/p>

(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)

高強(qiáng)噴射混凝土在鐵路隧道中的應(yīng)用研究

楊富民1，孫成曉2，仇鵬1，張?chǎng)?，何軍利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)

采用TK－S無(wú)堿液體速凝劑和硅灰配制C50高強(qiáng)噴射混凝土，并對(duì)其抗壓強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性、抗凍性能及抗?jié)B性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用TK－S無(wú)堿液體速凝劑配制的C50高強(qiáng)噴射混凝土，其28 d抗壓強(qiáng)度為56 MPa，為基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度的108% ;90 d收縮率為0.016 9% ，與基準(zhǔn)混凝土收縮率相當(dāng);經(jīng)300次凍融循環(huán)，相對(duì)動(dòng)彈性模量為97.3% ，質(zhì)量損失為1.18% ，未發(fā)生凍融破壞;當(dāng)滲透壓力為1.3 MPa時(shí)，滲水高度為54.3 mm，無(wú)堿液體速凝劑對(duì)于噴射混凝土的滲透性有改善作用。

噴射混凝土 無(wú)堿液體速凝劑 抗壓強(qiáng)度 耐久性能

隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，鐵路、公路、水利等工程隧道的數(shù)量不斷增加，作為施工過(guò)程中初期支護(hù)體系重要組成部分的噴射混凝土，因其具有封閉及時(shí)、施工快速和緊貼圍巖等特點(diǎn)，使用量也越來(lái)越大。初期襯砌用噴射混凝土以強(qiáng)度等級(jí)C25和C30的混凝土為主。對(duì)地質(zhì)條件較差的圍巖，為增加噴射混凝土初期支護(hù)剛度，往往通過(guò)增大噴射厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。研究表明，噴射混凝土厚度過(guò)大，會(huì)對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)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，不宜盲目增大噴射混凝土的厚度，而應(yīng)對(duì)噴射混凝土的性能進(jìn)行優(yōu)化，提高噴射混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。針對(duì)上述情況，采用中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研制的TK－S無(wú)堿液體速凝劑和硅灰配制C50高強(qiáng)噴射混凝土，在壁板坡隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)其抗壓強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性、抗凍性能及抗?jié)B性能進(jìn)行了分析。

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，最大埋深約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)現(xiàn)象有滑坡、崩塌、危巖落石、巖堆、高地震烈度、高地應(yīng)力、軟土等。隧道與構(gòu)造線方向呈大角度相交。初步分析可溶巖地段隧道穿越巖溶深部溶蝕裂隙發(fā)育帶，總體處于水平循環(huán)帶內(nèi)，進(jìn)口局部地段處于地下水垂直循環(huán)帶，隧道開(kāi)挖時(shí)在洞身部位可能會(huì)揭穿巖溶管道，遇到較大的巖溶突水，預(yù)計(jì)隧道涌水量為75 700 m3/d，雨洪期最大涌水量為184 100 m3/d。

2 原材料性能

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;硅灰中二氧化硅含量88.2% ，燒失量3.4% ，需水量比105% ;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% ;速凝劑采用中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研發(fā)的TK－S無(wú)堿液體速凝劑，堿含量為0.05% ，速凝劑性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 TK-S 無(wú)堿液體速凝劑性能指標(biāo)

3 配合比設(shè)計(jì)及試件制作

3.1 配合比設(shè)計(jì)

所配制的C50高強(qiáng)噴射混凝土坍落度為180± 20 mm，混凝土和易性良好，無(wú)離析泌水情況，水膠比為0.38，混凝土密度為2 400 kg/m3。通過(guò)調(diào)整砂率和膠凝材料用量使噴射混凝土達(dá)到最佳工作性能，最終確定1 m3混凝土中膠凝材料用量為525 kg，其中摻入總膠凝材料用量5% 的硅灰作為摻合料，混凝土砂率為48% 。混凝土配合比見(jiàn)表2。

表2 C50噴射混凝土配合比kg/m3

3.2 試件制作

試驗(yàn)共制作了2組混凝土試件，其中一組試件為基準(zhǔn)混凝土，另一組試件為摻加無(wú)堿液體速凝劑的混凝土。

噴射設(shè)備采用成都巖鋒科技有限公司生產(chǎn)的TK－500型噴射機(jī)，噴射工藝為濕噴。每組配方噴射500 mm×450 mm×120 mm和500 mm×200 mm×170 mm大板各5塊，最后切割成8組抗壓試件、1組抗凍試件和1組抗?jié)B試件?；炷粮煽s試件在室內(nèi)成型。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

分別對(duì)2組混凝土試件進(jìn)行了1，3，7，28，56，90 d 共6個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件尺寸為100 mm× 100 mm×100 mm。測(cè)試方法依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定。噴射混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖1所示。

圖1 噴射混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度變化曲線

從圖中可以看出，試驗(yàn)組混凝土1 d抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組混凝土抗壓強(qiáng)度，但仍超過(guò)10 MPa。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，試驗(yàn)組混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度超過(guò)基準(zhǔn)組混凝土，試驗(yàn)組混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為56 MPa，為基準(zhǔn)組混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的108% ，滿足混凝土配合比設(shè)計(jì)要求。這是由于使用TK－S無(wú)堿液體速凝劑的水泥漿體在水化過(guò)程中生成了大量的針棒狀鈣礬石，與纖維狀的水化硅酸鈣相互穿插成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于提高混凝土的力學(xué)性能;此外，摻入無(wú)堿液體速凝劑后，水泥漿體中孔結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，孔洞孔徑集中在100 nm以下，這種孔結(jié)構(gòu)會(huì)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度;同時(shí)，硅灰由于粒徑較小，可填充混凝土內(nèi)部孔隙，導(dǎo)致混凝土大孔孔徑降低，進(jìn)一步提高混凝土強(qiáng)度。

4.2 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，每組3塊。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)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中關(guān)于干縮試驗(yàn)的規(guī)定。噴射混凝土各齡期收縮率變化曲線如圖2所示。

圖2 噴射混凝土各齡期收縮率變化曲線

可以看出，試驗(yàn)組混凝土收縮率與基準(zhǔn)組混凝土收縮率相當(dāng)，養(yǎng)護(hù)90 d時(shí)2組混凝土收縮率均為0.016 9% ，說(shuō)明無(wú)堿液體速凝劑對(duì)噴射混凝土體積穩(wěn)定性沒(méi)有產(chǎn)生不利影響。這主要是由于在水泥水化過(guò)程中無(wú)堿液體速凝劑促進(jìn)大量的針棒狀鈣礬石生成，與纖維狀的水化硅酸鈣相互搭接成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于抵抗干燥收縮。

4.3 抗凍試驗(yàn)

混凝土抗凍試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，每組3塊。測(cè)試方法依據(jù)GB/T 50082—2009中關(guān)于快凍法試驗(yàn)的規(guī)定。噴射混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖4 混凝土質(zhì)量損失與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

從整個(gè)凍融試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土動(dòng)彈性模量均有所降低，但2組混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量都＞95% ，且質(zhì)量損失都＜1.5% ，均未發(fā)生凍融破壞。在凍融循環(huán)75次時(shí)，基準(zhǔn)組混凝土動(dòng)彈性模量降低較快，但在后續(xù)凍融循環(huán)過(guò)程中，混凝土動(dòng)彈性模量基本未損失，凍融循環(huán)300次后，相對(duì)動(dòng)彈性模量為98.5% ;而摻加無(wú)堿液體速凝劑的試驗(yàn)組混凝土在整個(gè)凍融試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)彈性模量持續(xù)降低。凍融試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試驗(yàn)組混凝土的動(dòng)彈性模量為97.3% ，僅較基準(zhǔn)組混凝土降低1.2% 。

4.4 抗?jié)B試驗(yàn)

采用175 mm×185 mm×150 mm的圓臺(tái)形抗?jié)B試件，試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 50082—2009中關(guān)于逐級(jí)加壓法試驗(yàn)的規(guī)定。當(dāng)6個(gè)試件中有3個(gè)試件端面呈滲水現(xiàn)象時(shí)，即可停止試驗(yàn)，記下當(dāng)時(shí)的水壓;如果滲透壓力達(dá)到1.3 MPa時(shí)仍無(wú)試件滲水，則采用滲水高度來(lái)評(píng)價(jià)。噴射混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，滲水高度測(cè)量如圖5所示。

表3 噴射混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

圖5 滲水高度測(cè)量

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在水壓達(dá)到1.3 MPa時(shí)，混凝土試件均未滲水。劈開(kāi)試件后發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)組混凝土試件滲水高度為54.3 mm，而基準(zhǔn)組混凝土試件滲水高度達(dá)到78.1 mm?？梢?jiàn)使用無(wú)堿液體速凝劑對(duì)于噴射混凝土的滲透性有改善作用。

5 結(jié)論

1)無(wú)堿液體速凝劑可提高混凝土28 d抗壓強(qiáng)度。C50高強(qiáng)噴射混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為56 MPa，為基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度的108% ，滿足噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范。

2)C50高強(qiáng)噴射混凝土收縮率與基準(zhǔn)混凝土收縮率相當(dāng)，90 d時(shí)兩組混凝土收縮率均為0.016 9% 。

3)C50噴射混凝土經(jīng)300次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈性模量為97.3% ，質(zhì)量損失僅為1.18% ，未發(fā)生凍融破壞。

4)C50高強(qiáng)噴射混凝土抗?jié)B等級(jí)為P12，滲水高度為54.3 mm，而基準(zhǔn)組混凝土試件的滲水高度達(dá)到78.1 mm，說(shuō)明無(wú)堿液體速凝劑對(duì)于噴射混凝土的滲透性有改善作用。

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Research on application of high strength shotcrete in railway tunnels

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

In this paper，T K－S alkali－free liquid accelerator and silica ash are adopted to prepare C50 high strength shotcrete and experimental research of its compressive strength，volume stability，frost resistance and impermeability performance has been made.T est results showed that compressive strength of C50 high strength shotcrete which is composed of T K－S alkali－free liquid accelerator and silica ash within 28 d is 56 M Pa，which is 108% of standard concrete compressive strength，its 90 d shrinkage rate is 0.016 9% which is equivalent to the shrinkage of standard concrete，relative dynamic elastic modulus is 97.3% and mass loss is 1.18% without freeze－thaw damage after 300 freeze－thaw cycles，and seepage height is 54.3 mm when the seepage pressure is 1.3 M Pa，which means alkali－free liquid accelerator has a good effect on the shotcrete permeability.

Shotcrete;Alkali－free liquid accelerator;Compressive strength;Durability

U214.1+8

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.23

(責(zé)任審編 周彥彥)

1003－1995(2015)10－0111－04

2015－03－15;

2015－05－07

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

楊富民(1976—)，男，副研究員，碩士。