外摻硅灰等活性材料在低溫噴射混凝土和鋼管拱壓注混凝土中的應(yīng)用研究

王才高 馬常青

（中鐵五局集團有限公司，湖南 長沙 410007）

1 前言

硅灰外觀為灰色或灰白色粉末，是在冶煉硅鐵合金和工業(yè)硅時產(chǎn)生的SiO2和Si氣體與空氣中的氧氣迅速氧化并冷凝而形成的一種超細(xì)硅質(zhì)粉體材料，又叫微硅粉或二氧化硅超細(xì)粉。挪威、瑞典等國最早回收并利用了硅灰，我國建筑行業(yè)在“十二五”期間大量研究使用高性能混凝土，通過摻入硅粉、礦碴、粉煤灰等活性材料來改善混凝土強度和耐久性。硅灰的超細(xì)性使其能夠進入水泥顆粒間孔隙予以充填，同時與水化產(chǎn)物或堿性材料氧化鎂反應(yīng)生成凝膠體?；炷林袚饺脒m量的硅灰，能夠有效防止發(fā)生混凝土堿骨料反應(yīng)、防止發(fā)生離析和泌水危害，降低成本的同時能夠顯著提高抗壓、抗折、抗?jié)B、抗沖擊、防腐及耐磨性和耐久性能，大幅延長混凝土的使用壽命。

2 工程概況

蒙華鐵路MHTJ-15標(biāo)正線全長46.2km，橋隧占比78%，其中黃柏嶺隧道全長7.4km，為I級鐵路雙線隧道，設(shè)有橫洞和斜井輔助施工，是標(biāo)段內(nèi)重難點和控制性工程；洛河大橋全長313.74m，主跨為220m上承式鋼管混凝土拱橋，雙線提藍(lán)拱結(jié)構(gòu)，鋼管拱內(nèi)采用C50補償收縮混凝土，總方量3206m3。標(biāo)段工程位于洛陽市洛寧縣及三門峽市盧氏縣境內(nèi)，平均海拔高度1500m，沿線山勢起伏大，一些橋隧地處溝谷峭壁處，施工條件差。

3 低溫噴射混凝土和鋼管拱壓注混凝土施工難點

管段內(nèi)黃柏嶺隧道、廟坪隧道等隧址區(qū)具大陸性季風(fēng)氣候特點，季節(jié)變化明顯，每年11月至第二年2月溫度偏低（1955年1月極端最低溫-19.1℃），日照時數(shù)少，無霜期短，一些地段山高谷深，“一山有四季，十里不同天”。隧道穿越微凍地區(qū)，存在危害，進口100米、出口50m范圍內(nèi)防排水設(shè)計采用抗凍防護措施。項目于2015年8月份開工不久即進入冬季，氣溫下降大，從11月開始?xì)鉁亟档?7℃～6℃。此階段隧道或在進行高陡邊坡刷坡進洞作業(yè)、或開始進入斜井、橫洞施工，作業(yè)環(huán)境溫度偏低，存在噴射混凝土粘附性不強、回彈率高，噴射面不夠平順、強度增長緩慢等問題。

洛河大橋跨度大，施工場地狹窄，因位于西子湖水利風(fēng)景區(qū)和一級水源地，環(huán)保施工要求嚴(yán)，無法修筑施工便道和采用水上運輸，只能采用2×150T纜索吊裝、斜拉扣掛法施工，拱座和鋼管拱拼裝完成后直到2017年9月底才得以壓注拱肋混凝土。其泵送頂升施工要求采用自密實微膨脹混凝土，使之達(dá)到強度高、流動性大、不離析、不泌水、體積穩(wěn)定。自密實混凝土配制的難點在于高流態(tài)化與泌水離析的矛盾，必須確?；炷梁鸵仔?、增強可泵性和抗?jié)B性，有效提高耐久性。

4 施工應(yīng)對方案及工藝研究

4.1 現(xiàn)狀分析

噴射混凝土初期支護是隧道和邊坡開挖后穩(wěn)定巖體的一種重要手段，目前因濕噴法具有工藝簡單、造價經(jīng)濟、效應(yīng)獨特等優(yōu)點而被廣泛采用。但低溫氣候條件下噴射混凝土存在以下難點：氣溫低時輸水管及噴頭注水易凍結(jié)，無法噴射；噴射到巖壁上難以凝固，出現(xiàn)成片脫落現(xiàn)象；因圍巖面冷，所噴混凝土粘不上，易受凍害等。

鋼管混凝土被稱為土木工程中的第五大結(jié)構(gòu)體系，其塑性和韌性好，承載能力高，抗震性能強，施工方便快捷，具有較好的環(huán)保效應(yīng)和經(jīng)濟效益。對鋼管混凝土材料性能的一般要求：1）高強、早強，3d強度達(dá)到設(shè)計強度的80%；2）良好的可泵性和自密實性，新拌混凝土的坍落度≥200mm，擴展度≥600mm；3）良好的抗分離性；4）足夠的膨脹性能。

鋼管拱內(nèi)壓注C50補償收縮混凝土，強度等級高，根據(jù)鋼管混凝土施工特點，還要求具有收縮補償、低氣泡、大流動性、免振自密、緩凝時間長、早強等性能。鋼管混凝土要求具有較大的膨脹變形，既能夠補償混凝土的收縮又能在鋼管的約束作用下產(chǎn)生較大的自應(yīng)力，因此膨脹性能不同于普通的補償收縮混凝土，配制難度較大。

4.2 解決方案

1）降低負(fù)溫施工影響，當(dāng)外界氣溫低于5℃時在拌合混凝土地點搭設(shè)保溫棚，對砂石料和速凝劑預(yù)先加熱，熱水拌制混凝土，并選用利于低溫條件下早期強度增長的混凝土原材料及配合比。

2）在洞口段采用外摻硅灰的濕噴鋼纖維配筋混凝土，解決低溫噴射混凝土的難點，提高噴射混凝土強度，充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，在保證質(zhì)量同時縮短圍巖暴露時間，減少氣溫的影響。

3）在邊坡支護中采用干噴硅灰混凝土，解決水出現(xiàn)冷凝的問題，而且用硅灰替代部分水泥，提高噴混凝土的強度和粘著能力，改善噴砼的密實度，提高其抗化學(xué)侵蝕和機械的破壞作用，有效減小回彈，及時、順利進行支護。

4）在混凝土中加入適量早強劑、減水劑，以改善混凝土的性能，同時提高早期強度，降低等強時間，加快施工進度。

5）利用粉煤灰的減水效應(yīng)和硅灰的微集料效應(yīng)，在膠結(jié)料中摻入適當(dāng)比例的粉煤灰和硅灰來提高漿體的黏性，粗骨料受重力、浮力和砂漿黏性共同作用保持受力平衡，從而防止拌合物離析。同時加入硅灰、粉煤灰等摻和料后還可降低混凝土的水化熱，減慢水化反應(yīng)的速度，增加混凝土的密實減少收縮，提高混凝土的抗?jié)B抗凍等性能，減少結(jié)構(gòu)的維修養(yǎng)護。

6）在膠凝材料中加入摻量10%的硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑，減少壓注混凝土的體積收縮。加入摻量5%的粘度改性材料，利用它里面的內(nèi)養(yǎng)護成分，在密閉環(huán)境下提供一定的自由水給膨脹劑，提高膨脹劑的膨脹性能；還可以在一定程度上把混凝土里面的氣泡鎖定，而不至于形成氣泡膜；并有效提高混凝土的和易性（主要是流動性、粘聚性），防止混凝土從山頂流動到拱座過程中產(chǎn)生離析。

4.3 施工工藝研究

4.3.1 硅灰鋼纖維性能分析及在噴射混凝土中的應(yīng)用

硅灰是近幾年發(fā)展起來的一種混凝土外加劑，摻入冷凝硅灰可提高混凝土強度及明顯降低滲透性，其抗凍性也得到很大的改善。在干噴法中加入硅灰（漿體或干粉），可以大大降低粉塵的發(fā)展，干噴法的回彈也可減小到濕噴法的水平。

鋼纖維配筋混凝土是摻入一定數(shù)量鋼纖維的混凝土，由于鋼纖維具有阻裂增強作用，從而對混凝土的抗裂性能、抗震性能、抗折性能、抗剝落效果以及韌性、斷裂性能都有了顯著的增加，加入鋼纖維配筋的混凝土與素噴混凝土相比其力學(xué)性能明顯改善。

1）加入鋼纖維、硅灰的混凝土有關(guān)性能關(guān)系見圖1～圖4所示。

圖1 纖維含量和噴混凝土抗壓強度

圖2 加硅灰后纖維含量和噴混凝土抗壓強度

圖3 纖維含量與抗凍性

從上圖可知：混凝土強度隨著鋼纖維摻量的增加急劇增長。加入冷凝硅灰的混凝土早期強度增長慢而后期強度增長快，且強度值較高。摻用堿性速凝劑的混凝土其抗凍性低于100次循環(huán)，不摻速凝劑時高于600次，而用無堿速凝劑（如鋁酸鹽類）與冷凝硅灰同摻時，試件能承受1000次以上的凍融循環(huán)考驗。未摻冷凝硅灰而只含鋼纖維的試件，在經(jīng)受1000次以上的凍融循環(huán)后仍能保持不變。而且據(jù)有關(guān)資料顯示，摻有冷凝硅灰和鋼纖維的噴混凝土在水壓達(dá)到7bars前，實際上是不透水的，與素噴混凝土相比透水性降低到原來的1/4～1/11，這無疑有利于低溫特殊環(huán)境下的隧道設(shè)計與施工。

圖4 凍融穩(wěn)定性

2）強度試驗對比

鋼纖維混凝土在工程中的應(yīng)用效果已眾所周知，工藝成熟。硅灰（漿體或干粉）在國內(nèi)外一些工程施工中也得到了較好應(yīng)用，部分試驗結(jié)果參見表1、表2。

表1 摻與不摻硅灰的噴混凝土的強度比較

表2 不同試驗中摻與不摻硅灰漿的干噴法的回彈率

從試驗結(jié)果可看出，摻加硅灰后混凝土強度增長較快，回彈率明顯降低。

3）在黃柏嶺隧道等洞口段冬期低溫環(huán)境下噴混凝土配合比及強度檢測情況見表3。

4.3.2 硅灰等活性材料在鋼管拱C50自密實混凝土中的應(yīng)用

表3 C25濕噴混凝土配合比及強度檢測結(jié)果（kg/m3）

1）洛河大橋鋼管拱設(shè)計有上下弦管8根、上下平聯(lián)4個、腹板8個，拱內(nèi)混凝土分8個批次壓注，每輪次的壓注時間1天，等強時間約5天，共持續(xù)48天。大橋立面圖及鋼管拱混凝土澆筑順序見圖5所示。

圖5 洛河大橋立面圖及鋼管混凝土澆筑順序示意圖

2）配制自密實混凝土

解決好拌和物高流態(tài)與易離析泌水的矛盾是配制自密實混凝土的技術(shù)關(guān)鍵，應(yīng)確保拌和物具有較低的屈服剪切應(yīng)力和一定的塑性粘度，并且應(yīng)選用低硫酸鈉低引氣的高效減水劑來配制高強、早強混凝土。

（1）通過優(yōu)選原材料、低堿水泥和具緩凝、保塑、增粘等多種功能的復(fù)合外加劑來解決高強度、大流動度、易泌水三者之間的矛盾。砂子采用中粗砂，細(xì)度模 數(shù)2.8～3.0，粗骨料以16mm～31.5mm碎石和5mm～20mm潔凈卵石摻配使用，實現(xiàn)良好級配，降低空隙率，同時利于提高混凝土拌和物的和易性；采用P.O42.5R低堿水泥、I級粉煤灰、膨脹劑、高效減水劑、粘度改性材料，適當(dāng)增大砂率和膠凝材料總用量，達(dá)到最佳水灰比與骨漿比。

（2）為保證鋼管混凝土的力學(xué)性能優(yōu)良，選定混凝土配合比拌制目標(biāo)為：①拌和物坍落度：210mm～240mm，擴張度：600mm～700mm；緩凝時間達(dá)18h以上。②拌和物90min經(jīng)時損失：塌落度大于200mm，塌落擴張度大于600mm。③混凝土拌和物標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護及同條件養(yǎng)護試件強度全部達(dá)到C50以上。

（3）根據(jù)相關(guān)文獻，硅灰用量不宜超過6%，否則會使?jié){液的黏性過大，影響拱內(nèi)混凝土的流動性和自密實性能，粉煤灰超量亦會影響其早強性能。依據(jù)國內(nèi)大量工程自密實混凝土配制經(jīng)驗，結(jié)合混凝土設(shè)計規(guī)范要求，粉煤灰摻量宜占膠凝材料的25～30%，硅灰摻量宜占膠凝材料的3～6%。經(jīng)反復(fù)試驗，最終施工時根據(jù)實際情況在表4范圍內(nèi)優(yōu)選配合比。

（4）試驗室模擬現(xiàn)場澆筑條件，按養(yǎng)護溫度20℃±2℃、95%以上相對濕度，測試了該配合比混凝土在免振搗和插搗時的試塊強度和按配合比配制的自密實混凝土自由膨脹率，見表5。

表4 C50自密實混凝土配合比（kg/m3）

表5 混凝土強度及自由膨脹率

從表5看出，自密實混凝土強度達(dá)到設(shè)計和規(guī)范要求，28天強度超過50MPa、自由膨脹率超過5×10-4，滿足鋼管混凝土的相關(guān)性能要求，實現(xiàn)了混凝土強度與膨脹率同步發(fā)展，既保證了混凝土與鋼管緊密接觸又對鋼管施加了足夠大的預(yù)應(yīng)力，提高了拱結(jié)構(gòu)整體受力穩(wěn)定性。

3）其它注意事項

（1）自密實混凝土配制強度不低于設(shè)計強度。增大膠凝材料用量，減小水膠比作用，水灰比不宜大于0.45，以保證混凝土和易性。

（2）為保證鋼管內(nèi)混凝土的密實性，減小混凝土收縮系數(shù)和孔隙率，配合比摻入膨脹劑，其限制膨脹率不低于 2.5×10-4。

（3）硅灰摻量一般不宜大于6%，硅灰混凝土攪拌時間應(yīng)比普通混凝土延長30S。對抗?jié)B混凝土，內(nèi)摻硅粉后，約增加用水量20%，強度不變。

（4）混凝土壓注宜選擇在氣溫合適時進行，以免坍落度的損失給壓注作業(yè)造成困難，并防止突然升、降溫給澆筑質(zhì)量帶來不利影響。壓注、養(yǎng)護時拱內(nèi)外溫差不宜超過5～10℃。施工時應(yīng)備好土工布、水管等，并派專人測量拱肋表面溫度，如溫度過高時在拱肋表面覆蓋土工布并澆水降溫?；炷两K凝后2～4小時，需對混凝土采用淋水保濕或覆蓋保濕養(yǎng)護14天以上。

5 結(jié) 語

外摻硅灰、鋼纖維混凝土與降低負(fù)溫施工影響的系列措施有機配合，互相促進，互為補充。在寒冷氣溫下隧道洞口高陡邊坡開挖和洞內(nèi)支護作業(yè)中進行了試驗探索，隧道初期支護、邊坡支護混凝土噴射作業(yè)順利，與圍巖粘附能力提高，回彈率明顯降低，表觀平順良好，密實性好，強度增長較快，達(dá)到了及時支護且內(nèi)實外美效果。

鋼管拱自密實混凝土的配制，摻入適量活性材料，優(yōu)化了水泥、骨料、粉煤灰、硅灰等用量和粒度組合，拌合物和易性良好，達(dá)到了比振實混凝土更密實的效果?；炷僚渲坪笸ㄟ^配套的管理措施，保障了連續(xù)壓注，防止了冷接縫的產(chǎn)生，經(jīng)人工敲擊與超聲波無損探傷檢測，鋼管拱肋、平聯(lián)板、腹板、斜撐內(nèi)混凝土密實無空隙，混凝土強度合格，拱肋軸線和高程符合設(shè)計和規(guī)范要求，鋼管拱混凝土施工質(zhì)量優(yōu)良，為后期拱上建筑施工奠定了良好基礎(chǔ)。