隧道高滲透區(qū)初支用噴射混凝土性能研究

王 恒

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400700)

隧道修建過程中為防止新鑿隧道面的掉塊和坍塌，通常采用噴射混凝土穩(wěn)定新建隧道界面，噴射混凝土凝結(jié)硬化時(shí)間短，噴射過程無須模板支撐即可達(dá)到成型效果，操作簡(jiǎn)便，而且加固效果良好。滲水是隧道噴射混凝土施工面臨的主要難題，初噴混凝土在滲透作用下，某些組分損失嚴(yán)重、回彈率較高?；趪娚浠炷量?jié)B性能要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了研究與討論：孫學(xué)志[1]提出混凝土澆筑過程中添加涂料可以將抗?jié)B等級(jí)提高到P12；喬匡義[2]提出摻加纖維改性混凝土的抗?jié)B等級(jí)；張俊儒[3]指出噴射混凝土易受地下水的影響；祝云華[4]提出鋼纖維的摻加降低了C30 噴射混凝土的最大滲水深度和滲透系數(shù)。除抗?jié)B性能外，回彈率也制約著噴射混凝土的推廣應(yīng)用。本研究立足于重慶軌道土建5標(biāo)，旨在解決施工過程中因地下水豐富造成初支噴射混凝土回彈率較大的問題。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料來源

水泥：華新水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O 42.5 低堿水泥；集料：粗細(xì)集料均由重慶市江津區(qū)楊家灣砂石廠提供，細(xì)集料細(xì)度模數(shù)2.5、含泥量0.8%，粗集料選用5～10 mm碎石，含泥量0.3%；減水劑、速凝劑：江蘇蘇博特材料股份有限公司提供；三乙醇胺：分析純；膠粉：北京萬吉建業(yè)建材有限公司提供的108濃縮膠粉型噴漿拉毛膠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 拌合物性能測(cè)試

(1)噴射混凝土回彈率試驗(yàn)依據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB50086)。

(2)混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50081-2019)。

(3)混凝土電通量、抗?jié)B等級(jí)、氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50082-2019)。

1.2.2 噴射混凝土配比

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，初支噴射混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25，回彈率≤15%，電通量≤1500 C，抗?jié)B等級(jí)P10。三乙醇胺摻量超出水泥0.06%時(shí)，不利于混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展，因此本研究選取三乙醇胺的摻量為0.03%和0.06%，膠粉摻量為1%、2%、3%。分析混凝土性能，具體配合比設(shè)計(jì)見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 回彈率分析

噴射混凝土回彈率是指攪拌均勻的混凝土噴射到圍巖上時(shí)，不能及時(shí)凝結(jié)并與圍巖固結(jié)成整體結(jié)構(gòu)，致使部分混凝土掉落，掉落量與已噴射混凝土量的比值為回彈率?；貜椔士刂频年P(guān)鍵是混凝土的凝結(jié)特性和粘結(jié)力特性。不同類型噴射混凝土的回彈率變化趨勢(shì)如圖1所示，從圖中可以得出：①對(duì)比C-0、C-1、C-2不同三乙醇胺摻量回彈率變化趨勢(shì)可知，C-1、C-2的回彈率分別為C-0回彈率的98.25%和94.26%，即隨著三乙醇胺摻量的增加，噴射混凝土的回彈率隨之降低。由此可以說明，噴射混凝土中適量三乙醇胺的摻加有利于降低混凝土的回彈率。②分析對(duì)比膠粉摻量為0、1%、2%、3%(配比為C-0、C-3、C-4、C-5)時(shí)噴射混凝土回彈率的變化值，C-3、C-4、C-5的回彈率分別為C-0回彈率的99.23%、96.79%、106.83%，即膠粉摻量在1%～3%時(shí)，噴射混凝土回彈率隨著膠粉摻入增加，先降低后增加，因此控制膠粉的摻入量有利于控制噴射混凝土的回彈率。③分析三乙醇胺摻量0.03%下膠粉摻量1%、2%、3%(配合比為C-6、C-7、C-8)時(shí)回彈率的變化，回彈率分別為C-0時(shí)的96.03%、92.26%、98.32%，即回彈率呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。④當(dāng)三乙醇胺摻量0.06%，膠粉摻量1%、2%、3% (C-9、C-10、C-11)時(shí)，回彈率分別為C-0回彈率的92.26%、88.92%、93.94%，其發(fā)展趨勢(shì)與C-6、C-7、C-8等同，即先減小后增大。

表1 噴射混凝土配合比 kg/m3

圖1 噴射混凝土回彈率發(fā)展

適量三乙醇胺的摻加，降低了噴射混凝土的回彈率，由此證實(shí)了噴射混凝土施工過程中摻加三乙醇胺提高了混凝土水化凝結(jié)性能或與新鑿圍巖面的粘結(jié)強(qiáng)度。究其主要原因[5]：三乙醇胺是一種弱堿性有機(jī)溶劑，常常作為助磨劑應(yīng)用于水泥生產(chǎn)中，其自身具有較強(qiáng)的絡(luò)合性促進(jìn)水泥早期水化反應(yīng)，因此適量三乙醇胺的摻加加快了噴射混凝土的水化凝結(jié)性能，回彈率因此降低。膠粉易溶于水且具有較強(qiáng)的分散性，對(duì)比C-3、C-4、C-5配合比，回彈率呈現(xiàn)先減后增趨勢(shì)，即與新鑿圍巖面的粘結(jié)性能先增后減，摻量為2%時(shí)，回彈率最低，即此時(shí)的粘結(jié)力最大。究其主要原因：108濃縮型膠粉屬于親水性聚合物，摻入混凝土中與水泥懸浮液相共同向混凝土基體孔隙及毛細(xì)管內(nèi)滲透，膠粉聚合物在孔隙及毛細(xì)管內(nèi)成膜并吸附于基體表面，成膜的聚合物形成次級(jí)粘附復(fù)合體，以橋鍵和有孔聚合物膜的形式分布在混凝土與圍巖基體之間吸收和傳遞能量，從而提高了與圍巖基體間的粘結(jié)強(qiáng)度。三乙醇胺和膠粉雙重組分摻量下回彈率值均低于單摻三乙醇胺和膠粉組分，對(duì)比C-6～C-11可知，回彈率最低配合比為C-10(三乙醇胺摻量0.06%、膠粉摻量2%)，即三乙醇胺和膠粉的相互作用、相互促進(jìn)，提高水泥早期凝結(jié)硬化的同時(shí)增強(qiáng)混凝土與圍巖基體間的粘結(jié)性能，最終降低噴射混凝土的回彈率。

2.2 力學(xué)性能分析

強(qiáng)度發(fā)展是衡量混凝土結(jié)構(gòu)服役過程中耐久性的關(guān)鍵，依據(jù)設(shè)計(jì)要求，重慶軌道土建5標(biāo)初支噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。不同配合比混凝土強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖2所示，分析可知：①同齡期下對(duì)比C-0、C-1、C-2不同三乙醇胺摻量強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度隨著三乙醇胺摻量的增加而增加，齡期1～7 d強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率高于28～90 d速率，90 d時(shí)三者強(qiáng)度差別不大，即三乙醇胺的摻入有利于水泥早期水化。②對(duì)比C-0、C-3、C-4、C-5 相同齡期下不同膠粉摻量強(qiáng)度發(fā)展變化，隨著膠粉摻入量的增大，強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì)。齡期90 d時(shí)，相較于C-0，C-3、C-4、C-5強(qiáng)度分別為97.15%、95.74%、94.19%。③對(duì)比C-6、C-7、C-8 (三乙醇胺摻量為0.03%，膠粉摻量為1%、2%、3% )的混凝土抗壓強(qiáng)度，同齡期下強(qiáng)度發(fā)展呈先增后減趨勢(shì)，膠粉摻入量為2%時(shí)，強(qiáng)度發(fā)展達(dá)到最大值；齡期90 d時(shí)，C-6、C-7、C-8強(qiáng)度分別為C-0的100.29%、102.07%、98.22%。④對(duì)比三乙醇胺摻量為0.06%，膠粉摻量為1%、2%、3% 下(配合比C-9、C-10、C-11)強(qiáng)度發(fā)展，同齡期下強(qiáng)度發(fā)展亦呈先增后減趨勢(shì)(等同C-6、C-7、C-8變化)，強(qiáng)度分別為C-0混凝土強(qiáng)度的102.18%、108.44%、99.41%；⑤C-6、C-7、C-8和 C-9、C-10、C-11 90 d強(qiáng)度較C-0的變化量均高于C-1、C-2和C-3、C-4、C-5，即雙摻三乙醇胺、膠粉的混凝土強(qiáng)度變化趨勢(shì)均高于單摻三乙醇胺和膠粉混凝土強(qiáng)度，證實(shí)雙摻效果優(yōu)于單摻效果。

圖2 噴射混凝土強(qiáng)度發(fā)展

三乙醇胺摻入有利于水泥早期水化從而提高強(qiáng)度，其主要原因[5]：三乙醇胺作為一種弱堿性有機(jī)溶劑，其組成結(jié)構(gòu)中 N 原子上未共用電子對(duì)，易與水泥水化漿體中Ca2+、K2+和Na2+形成共價(jià)鍵，生成絡(luò)合物沉積在水泥顆粒表面，加速水泥中的 C3A 和 C4AF 快速溶解、加速其與石膏的反應(yīng)速度，水泥水化早期強(qiáng)度主要取決于C3A水化性能，三乙醇胺的摻加增強(qiáng)了C3A溶解速率，因此混凝土早期強(qiáng)度得以提升。對(duì)比不同膠粉摻量下噴射混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，隨著膠粉摻量的增加，強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，主要原因：膠粉摻量的增加有利于增大水泥砂漿的流動(dòng)度，具有極強(qiáng)的分散性[6]，有利于排開參與水泥水化的水分子，使參與水泥水化反應(yīng)的有效水增多，一定程度上增大了水膠比；加之膠粉屬于有機(jī)粉體，與混凝土之間的親和力較弱，摻加后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疏松性增強(qiáng)，最終致使強(qiáng)度下降。雙摻三乙醇胺與膠粉下強(qiáng)度均高于單摻組分，對(duì)比C-6～C-11可知，高強(qiáng)度配合比為C-10(三乙醇胺摻量0.06%、膠粉摻量2%)，三乙醇胺加快了C3A的溶解速度，同時(shí)膠粉的摻加為C3A進(jìn)一步水化反應(yīng)提供有效水，二者相互促進(jìn)、發(fā)展，最終提高混凝土強(qiáng)度。

2.3 耐久性分析

綜合噴射混凝土回彈率和強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)可得，雙摻三乙醇胺和膠粉配比的性能均優(yōu)于單摻三乙醇胺或膠粉，基于此耐久性分析討論了未摻三乙醇胺和膠粉配合比(C-0)、三乙醇胺最佳摻量配合比(C-2)、膠粉最佳摻量組分(C-4)、三乙醇胺和膠粉最佳摻量配合比(C-10)四種配合比電通量值、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗?jié)B等級(jí)發(fā)展趨勢(shì)，具體結(jié)果見表2。C-0、C-2、C-4、C-10電通量值均低于1 500 C，滿足設(shè)計(jì)要求，其發(fā)展規(guī)律為C-4>C-0>C-2>C-10，即其抗?jié)B透能力C-4C-2>C-0>C-4，因此得出雙摻性能優(yōu)于單摻三乙醇胺性能、優(yōu)于單摻膠粉性能。對(duì)比C-0、C-2、C-4、C-10配合比氯離子擴(kuò)散系數(shù)發(fā)展歸規(guī)律，氯離子擴(kuò)散系數(shù)均低于7.0×10-12m2/s，符合設(shè)計(jì)要求，其發(fā)展趨勢(shì)等同電通量變化趨勢(shì)，即C-4>C-0>C-2>C-10，其抵抗氯離子擴(kuò)散性能、斷面微結(jié)構(gòu)致密程度趨勢(shì)發(fā)展均為C-10>C-2>C-0>C-4。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，噴射混凝土的抗?jié)B等級(jí)不低于P10，對(duì)比C-0、C-2、C-4、C1-0抗?jié)B等級(jí)發(fā)展規(guī)律，C-4配合比已不滿足于設(shè)計(jì)要求，C-10抗?jié)B能力高于C-2、高于C-0，即雙摻組分的抗?jié)B性最優(yōu)。

表2 電通量值、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗?jié)B等級(jí)發(fā)展規(guī)律

3 工程應(yīng)用

綜合上述C-0～C-11配合比下噴射混凝土回彈率、力學(xué)性能以及耐久性能分析，得出C-10配合比為噴射混凝土的最佳配比。目前C-10配合比已應(yīng)用于重慶軌道土建5標(biāo)隧道初支加固結(jié)構(gòu)，其早期回彈率及后期噴射混凝土耐久性均滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。