公路隧道濕噴混凝土配比優(yōu)化試驗(yàn)研究

劉開(kāi)勇，劉明燦

（1.廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

隨著我國(guó) 《公路水路交通結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)意見(jiàn)》與 《公路網(wǎng)規(guī)劃 （2013-2030）》的有序推進(jìn)，中國(guó)高速公路施工與建設(shè)在近年來(lái)得到了迅猛發(fā)展，截止到2019年，我國(guó)高速公路待建約2.5萬(wàn)km，尤其是隨著現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展和基建水平的極大提升，公路修建技術(shù)的要求也逐步提高，除要求線(xiàn)路順直、坡度平緩、路面寬敞等外，道路穿越山區(qū)時(shí)的盤(pán)山繞行方案也逐漸演變?yōu)樗淼朗┕し桨?，這種轉(zhuǎn)變?cè)诟纳乒芳夹g(shù)狀態(tài)、縮短運(yùn)行距離、提高運(yùn)輸能力、減少事故等方面起到重要的作用［1］。在公路隧道施工過(guò)程中，目前使用的多為濕式噴射混凝土技術(shù)，與傳統(tǒng)干噴技術(shù)相比具有易于施工、生產(chǎn)率高和磨損小等優(yōu)點(diǎn)，但是仍然存在機(jī)制砂濕噴混凝土回彈率較高以及成型件抗壓強(qiáng)度偏低的問(wèn)題［2-3］。雖然許多學(xué)者從原材料角度 （水泥等級(jí)、砂粒度和用水量等）對(duì)濕噴混凝土的回彈率和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究并取得了一定進(jìn)展，但是考慮速凝劑和減水劑對(duì)機(jī)制砂混凝土回彈率和抗壓強(qiáng)度的影響方面的報(bào)道較少，具體作用機(jī)理也不清楚［4］。在此基礎(chǔ)上，本文從速凝劑和減水劑摻量角度考察了其對(duì)濕噴混凝土塌落度、回彈率和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果有助于高性能濕噴混凝土在公路隧道施工中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

按照公路隧道工程中對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度指標(biāo)高于C25的要求，試驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度要求在30 MPa以上，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行濕噴混凝土配合比設(shè)計(jì)［5］。其中，濕噴混凝土中用到的砂子為機(jī)制砂，具體性能參數(shù)見(jiàn)表1；按照GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)要求，新園區(qū)中獅北京環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥為原料；按照碎石為按照GB／T 14685-2011《建設(shè)用卵石碎石》標(biāo)準(zhǔn)要求，選取粒徑6～12 mm機(jī)制碎石；按照J(rèn)GJ 63-2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)要求，選取飲用水為濕噴混凝土攪拌用水；選取隆達(dá)礦越生產(chǎn)的CA-100L型速凝劑和南迪斯通生產(chǎn)的BSTNXL300型減水劑作為輔料。按照混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，設(shè)定基準(zhǔn)配合比，水泥∶砂∶石∶水的質(zhì)量比為1∶2.02∶1.65∶0.45。

采用坍落度桶測(cè)試不同混凝土配比時(shí)間的塌落度，其中，未添加速凝劑和減水劑的基準(zhǔn)配比坍落度越為95.6 mm；抗壓強(qiáng)度測(cè)試過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，凝固成型后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，并選取三組試樣測(cè)試基本配比試件28 d抗壓強(qiáng)度，平均值為34.02 MPa；采用BJNB-38型隧道激光斷面掃描儀對(duì)濕噴后時(shí)間的回彈率進(jìn)行測(cè)試，回彈率計(jì)算公式為［6］：

表1 機(jī)制砂參數(shù)Table 1 Parameters of machined sand

式中：η為回彈率；s1和s2分別為單次掃描時(shí)毛斷面和濕噴后隧道斷面面積，m2；n表示測(cè)試斷面數(shù)量；v0表示濕噴混凝土總體積，m3；l為測(cè)試段長(zhǎng)度，m。

2 結(jié)果及討論

2.1 速凝劑摻量

將380 g水泥和125 g水?dāng)嚢杈鶆蚝蠹尤氩煌瑩搅康乃倌齽?，快速攪拌后裝入模具并進(jìn)行人工振搗，整個(gè)操作過(guò)程時(shí)間低于45 s，然后在標(biāo)準(zhǔn)稠度儀上測(cè)試水泥凈漿的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間，每組試樣測(cè)量?jī)纱尾⑷∑骄怠?/p>

表2為速凝劑摻量對(duì)濕噴混凝土初凝和終凝時(shí)間的影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果。對(duì)比分析可見(jiàn)，當(dāng)速凝劑摻量為2%、4%、6%、8%時(shí)，濕噴混凝土的初凝時(shí)間平均值分別為201、165、152、144 s，濕噴混凝土的終凝時(shí)間平均值分別為442、422、345、330 s。隨著速凝劑摻量的從2%增加至8%，濕噴混凝土的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

表2 速凝劑摻量對(duì)初凝時(shí)間和終凝時(shí)間的影響Table 2 The influence of the dosage of accelerator on the initial setting time and the final setting time s

在隧道內(nèi)按照4m／試驗(yàn)段進(jìn)行回彈率試驗(yàn)，分別測(cè)試了不同速凝劑摻量作用下邊墻、拱腰和拱頂區(qū)域的回彈率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。當(dāng)速凝劑摻量為2%時(shí)，邊墻拱腰和拱頂區(qū)域的回彈率分別為23.2%、26.8%和35.5%；隨著速凝劑摻量的增加，邊墻、拱腰和拱頂區(qū)域的回彈率都呈現(xiàn)先減小而后增加的趨勢(shì)，在速凝劑摻量為6%時(shí)3個(gè)不同區(qū)域的回彈率都取得最小值。當(dāng)速凝劑摻量從2%增加至6%時(shí)，速凝劑摻量的增加會(huì)使得濕噴混凝土凝結(jié)在一起而有效降低回彈率，但是當(dāng)速凝劑摻量進(jìn)一步增加至8%時(shí)，過(guò)多的速凝劑添加會(huì)使得濕噴混凝土呈較硬的結(jié)核狀，后續(xù)混凝土的回彈會(huì)增加［7-8］。整體而言，速凝劑為6%時(shí)濕噴混凝土的回彈率最小。

表3 速凝劑摻量對(duì)邊墻、拱腰和拱頂回彈率的影響Table 3 The influence of the dosage of accelerator on the springback of side wall，arch waist and arch crown%

為了考察速凝劑摻量對(duì)濕噴混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響，在速凝劑分別為0%、4%、8%和8%時(shí)制備了12組試塊，試件中水泥含量為4.8 kg、砂10.05 kg、石子8.18 kg、水2.12 kg，每組試樣制備3塊并取28 d抗壓強(qiáng)度平均值，結(jié)果如表4。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，未添加速凝劑的試塊28 d抗壓強(qiáng)度為34 MPa，而速凝劑摻量分別為4%、6%和8%的試塊28 d抗壓強(qiáng)度分別為32.43、32.09、28.51 MPa，相應(yīng)的強(qiáng)度比例 （與未添加速凝劑強(qiáng)度的比值）分別為0.953 8、0.943 8、0.838 5，即隨著速凝劑摻量的增加，濕噴混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度比例逐漸減小。此外，當(dāng)速凝劑摻量為4%、6%時(shí)，濕噴混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度都高于30 MPa，而速凝劑摻量為8%時(shí)，濕噴混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度低于30 MPa，不滿(mǎn)足濕噴混凝土對(duì)抗壓強(qiáng)度的要求。

表4 速凝劑摻量對(duì)濕噴混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響Table 4 The influence of the content of accelerator on the 28-day compressive strength of wet shotcrete

2.2 減水劑摻量

調(diào)節(jié)減水劑摻量并使得濕噴混凝土坍落度在3個(gè)不同范圍內(nèi)，表5中列出了按照水泥重量配比的減水劑摻量為0.8%、1.0%、1.2%時(shí)混凝土坍落度的測(cè)試結(jié)果。可見(jiàn)，當(dāng)減水劑摻量分別為0.8%、1.0%、1.2%時(shí)，混凝土坍落度平均值分別為115（100～120 mm）、129（120～140 mm）和153 mm（140～160 mm），即隨著減水劑摻量的增加，混凝土坍落度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

表5 減水劑摻量對(duì)混凝土塌落度的影響Table 5 Effect of water reducing agent on concrete collapse mm

在公路隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試3種坍落度范圍內(nèi)濕噴混凝土的平均回彈率，結(jié)果見(jiàn)表6?？梢?jiàn)，當(dāng)坍落度在100～120 mm范圍內(nèi)時(shí)，濕噴混凝土的平均回彈率為23.5%；當(dāng)坍落度在120～140 mm范圍內(nèi)時(shí)，濕噴混凝土的平均回彈率為19.6%；當(dāng)坍落度在140～160 mm范圍內(nèi)時(shí)，濕噴混凝土的平均回彈率為36.2%。隨著濕噴混凝土坍落度的增加，平均回彈率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在120～140 mm范圍內(nèi)時(shí)濕噴混凝土的平均回彈率最小。由此可見(jiàn)，在公路隧道現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，通過(guò)控制減水劑摻量來(lái)調(diào)節(jié)濕噴混凝土塌落度可以有效控制濕噴混凝土的回彈率［9］。

表6 不同坍落度范圍內(nèi)的平均回彈率Table 6 Average resilience in different slump ranges

進(jìn)一步在公路隧道段現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了回彈率與抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，其中，水泥∶砂∶石∶水的質(zhì)量比為1∶2.02∶1.65∶0.45，在制備濕噴混凝土過(guò)程中添加水泥重量6%的速凝劑和水泥重量1.0%的減水劑。噴射后的濕噴混凝土養(yǎng)護(hù)4周后制成100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，宏觀(guān)形貌中可見(jiàn)濕噴混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，未見(jiàn)明顯疏松、氣孔等缺陷存在，成型質(zhì)量良好［10］；混凝土密度測(cè)量結(jié)果表明5組試樣的密度都維持在2 100 kg／m3以上，平均抗壓強(qiáng)度約為32.56 MPa，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化后的濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足公路隧道施工對(duì)抗壓強(qiáng)度的要求 （≥25 MPa）。

3 結(jié)論

a.當(dāng)速凝劑摻量為2%、4%、6%和8%時(shí)，濕噴混凝土的初凝時(shí)間平均值分別為201、165、152、144 s，濕噴混凝土的終凝時(shí)間平均值分別為442、422、345、330 s。隨著速凝劑摻量的從2%增加至8%，濕噴混凝土的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

b.速凝劑為6%時(shí)濕噴混凝土的回彈率最??；當(dāng)速凝劑摻量為4%和6%時(shí)，濕噴混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度都高于30 MPa，而速凝劑摻量為8%時(shí)，濕噴混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度低于30 MPa，不滿(mǎn)足濕噴混凝土對(duì)抗壓強(qiáng)度的要求。

c.隨著減水劑摻量的增加，混凝土坍落度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)；隨著濕噴混凝土坍落度的增加，平均回彈率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在120～140 mm范圍內(nèi)時(shí)濕噴混凝土的平均回彈率最小。添加水泥重量6%的速凝劑和水泥重量1.0%的減水劑的濕噴混凝土的密度都在2 100 kg／m3以上，平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到32.56 MPa。