早高強噴射混凝土配合比設(shè)計及性能研究

張立波

【摘要】本研究使用硫鋁酸鹽水泥代替常用的通用硅酸鹽水泥，并摻加一定量的鋼纖維，來提高噴射混凝土的早期的力學性能，配制出3h抗壓強度達到5MPa，5h抗壓強度達到8MPa，10h抗壓強度達到15MPa的早高強噴射混凝土。在隧道施工過程中，通過快速施作早高強噴射混凝土來封閉隧道圍巖，達到抑制中、輕強度巖爆發(fā)生的目的。

【關(guān)鍵詞】早高強；噴射混凝土；硫鋁酸鹽水泥；鋼纖維；巖爆

1、概述

噴射混凝土是隧道開挖初期支護的重要組成部分，在初期支護中起著重要的作用。噴射混凝土施工速度快，與圍巖密貼，柔性好，有良好的物理力學性能。[1]目前對噴射混凝土早期強度的研究一般局限于噴射混凝土1～3d齡期強度的發(fā)展，而很少有人對噴射混凝土24h以內(nèi)甚至12h內(nèi)強度發(fā)展展開研究，相關(guān)標準規(guī)范對噴射混凝土早期強度的做出要求的最短時間是24h，

對于噴射混凝土24h以內(nèi)齡期的抗壓強度，并沒標準規(guī)范有做出規(guī)定。

巖爆是一種應變能釋放引發(fā)巖體發(fā)生破壞的一種地質(zhì)災害。多發(fā)生在埋藏深、整體、干燥和地質(zhì)堅硬的巖層中。在隧道開挖時圍巖形成新的臨空面，初始應力由原來的三向應力狀態(tài)變?yōu)閮上驊顟B(tài)，并在開挖壁面上局部應力集中，若局部應力達到某一臨界應力時，巖爆就會發(fā)生[2]。隧道開挖過程中巖爆的發(fā)生不僅嚴重影響了施工進度，加大了施工成本，還帶來了巨大的安全風險。普通的噴射混凝土早期強度增長較慢，不能很好的起到及時封閉圍巖并提供足夠的支撐力的作用，因此研制一種早期強度高的噴射混凝土很有必要。

2、早高強噴射混凝土用原材料的選定

噴射混凝土由砂、石、水泥、水、纖維、外加劑等材料拌合而成，其早強、高強的特性與原材料的性能存在直接、密切的聯(lián)系。本研究選用硫鋁酸鹽水泥代替常用的通用硅酸鹽水泥，并摻加適量的鋼纖維。

（1）水泥：與普通的噴射混凝土不同，配制的早高強噴射混凝土選用42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥，水泥的性能符合《硫鋁酸鹽水泥》GB 20472-2006的規(guī)定，凝結(jié)時間指標按規(guī)范規(guī)定可以要求水泥廠家根據(jù)工程施工需求做出調(diào)整；對比試驗用水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥各項指標符合《通用硅酸鹽水泥》GB 175-2007的規(guī)定。

（2）細骨料：細骨料應選用級配合理、質(zhì)地堅固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然中粗河砂，也可選用專門機組生產(chǎn)的人工砂。細度模數(shù)應大于2.5，河砂含泥量不大于3%。本研究所采用的細骨料為專門機組生產(chǎn)的機制砂，母材為花崗巖。

（3）粗骨料：粗骨料應選用級配合理、粒形良好、質(zhì)地堅固的潔凈碎石，最大粒徑不宜大于16mm，含泥量不應大于1%。本研究所用粗骨料為專門機組生產(chǎn)的5mm～10mm碎石，母材為花崗巖。

（4）鋼纖維：鋼纖維宜采用普通碳素鋼制成，常用鋼纖維的彈性模量為200GPa，抗拉強度為380～1300MPa，極限延伸率3%～30%。本研究采用西安萬達工程材料有限公司生產(chǎn)的波浪型鋼纖維。

（5）外加劑：外加劑應選用質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，外加劑與水泥之間應具有良好的相容性。當不同功能的外加劑復合使用時，外加劑之間以及外加劑與水泥之間應有良好的適應性。減水劑采用山西桑穆斯建材化工有限公司生產(chǎn)的SMS聚羧酸鹽高性能減水劑，速凝劑采用山西桑穆斯建材化工有限公司生產(chǎn)的RC-4型液體速凝劑。

3、早高強度噴射混凝土配合比設(shè)計

3.1鋼纖維最佳摻量的確定

混凝土中鋼纖維的體積率一般在0.5%～1.5之間，體積率過小，其增強作用較差。鋼纖維體積率過大時，易造成鋼纖維結(jié)團、混凝土施工困難，質(zhì)量難以保證。經(jīng)過室內(nèi)試拌觀察，當每方混凝土鋼纖維體積率為0.7%，即每方混凝土鋼纖維摻量為55kg時，混凝土拌和物工作性能較好，鋼纖維不易結(jié)團，有利于噴射混凝土施工。

3.2配合比設(shè)計方案

早高強噴射混凝土的配合比設(shè)計與普通噴射混凝土的步驟一致，應符合《普通混凝土配合比設(shè)計方法》（JGJ55），本試驗選定噴射混凝土的強度等級為C30。為研究硫鋁酸鹽水泥及鋼纖維在早高強噴射混凝土力學性能中發(fā)揮的作用，本次試驗設(shè)計了三組配合比，材料用量見表1。其中，早高強噴射混凝土配合比編號為A-1；普通硅酸鹽水泥配制的鋼纖維噴射混凝土是在配合比A-1原材料用量不變的情況下用同標號的硅酸鹽水泥（P.O 42.5）取代硫鋁酸鹽水泥，配合比編號為A-2；硫鋁酸鹽水泥配制的素噴射混凝土是在配合比A-1基礎(chǔ)上，去掉了鋼纖維，編號為A-3?？紤]到鋼纖維的摻入及不同水泥與減水劑的相容性不一樣，導致不同配合比方案混凝土的流動性有偏差，本研究通過調(diào)整減水劑摻量來調(diào)整混凝土的坍落度。

4、早高強噴射混凝土力學性能研究

4.1抗壓性能

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）進行試驗，試件尺寸為150mm×l50mm×150mm，根據(jù)混凝土強度的增長情況分別采用WE-300B型YE-2000C型液壓式壓力試驗機進行試驗，當試件接近破壞而開始迅速變形時，停止調(diào)整試驗機油門，直至試件破壞。三組噴射混凝土立方體各齡期抗壓強度結(jié)果見表2。

試驗結(jié)果分析：

（1）普通硅酸鹽水泥配制的噴射混凝土早期抗壓強度相對較低，特別是10h齡期內(nèi)，抗壓強度不及硫鋁酸鹽水泥配制噴射混凝土抗壓強度的20%。

（2）硫鋁酸鹽水泥配制的噴射混凝土早期強度增長快，10h強度可以達到28d抗壓強度的50%，能及時為圍巖提供支撐，從而抑制巖爆的發(fā)生。

（3）鋼纖維的摻入對噴射混凝土抗壓強度的提高沒有明顯的作用，但增大了混凝土壓縮破壞時的延性，混凝土試件在破壞過程中沒有出現(xiàn)崩碎和強度突然降低，而是在達到峰值后強度逐漸降低，使混凝上表現(xiàn)出延性破壞的性質(zhì)。摻加鋼纖維的噴射混凝土試件破壞后，完整性比素混凝土好。

4.2抗劈拉性能

通過對比摻加鋼纖維的早高強度噴射混凝土（配合比方案A-1）與不摻鋼纖維的素噴射混凝土（配合比方案A-3）的抗劈拉強度，分析鋼纖維對噴射混凝土抗拉性能方面發(fā)揮的作用。經(jīng)試驗兩個配合比方案混凝土立方體劈裂抗拉強度結(jié)果。

試驗結(jié)果分析：

（1）摻加鋼纖維可以明顯提高噴射混凝土的抗劈拉強度，提高幅度在21%～26%，可以較好的改善噴射混凝土的抗拉性能。

（2）不摻鋼纖維混凝土試件劈拉崩裂時，應力迅速下降，繼續(xù)加力會使試件劈開為兩半。摻加鋼纖維的混凝土試件，應力下降的速率較慢，試驗完成后試件的完整性較好。這說明鋼纖維混凝土破壞開裂時，由于鋼纖維的“橋聯(lián)”作用，仍能承受一部分應力，使得混凝土的脆性降低，韌性增加。

（3）鋼纖維的摻入能提高噴射混凝土的拉壓比，有效改善噴射混凝土的脆性，提高噴射混凝土的韌性，進而提高其抗沖擊與抗疲勞等性能。

結(jié)論：

通過使用硫鋁酸鹽水泥代替常用的通用硅酸鹽水泥并摻加鋼纖維設(shè)計出早期強度高的C30早高強噴射混凝土，分析了影響早高強噴射混凝土抗壓性能及抗拉性能的因素，并進行了現(xiàn)場應用驗證，得出主要結(jié)論如下：

（1）硫鋁酸鹽水泥水化速度快，早期強度高，可以大幅度提高噴射混凝土的早期抗壓強度。

（2）摻入鋼纖維可以提高噴射混凝土的抗拉性能，提高混凝土的韌性，降低其脆性。

（3）早高強噴射混凝土早期強度高，可以達到3h抗壓強度達到5MPa，5h抗壓強度達到8MPa，10h抗壓強度達到15MPa的設(shè)計目標，其早期強度的發(fā)展速度遠遠超過普通的噴射混凝土。

（4）早高強噴射混凝土由于具有較高的早期抗壓強度及抗劈裂強度，在抑制隧道輕中度巖爆方面可以發(fā)揮明顯的作用。

參考文獻：

[1]陳宇.隧道高強噴射混凝土試驗研究.山西建筑.20138（33）：139-141

[2]官曉琳.淺析隧道施工過程中巖爆現(xiàn)象的產(chǎn)生原因及治理措施.成鐵科技.2015，4：21-22