不同灌漿時(shí)機(jī)下灌漿料與混凝土的結(jié)合性能試驗(yàn)研究

蘇忠純，曹忠露，2*，王世碩

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461；3.中交（深圳）工程局有限公司，廣東深圳518000）

0 引言

隧道建造過程中，因受施工工法、施工工藝、施工設(shè)備、施工技術(shù)水平和隧道地質(zhì)水文條件等多種因素的影響，隧道襯砌和圍巖之間不易緊密貼合，特別是隧道襯砌拱頂背后，最易產(chǎn)生空隙或空洞[1]?？障痘蚩斩吹拇嬖趯⒏淖兯淼酪r砌的受力狀態(tài)，進(jìn)而影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

隧道襯砌背后的空隙或空洞應(yīng)通過灌漿進(jìn)行充填，灌漿分為拆模后灌漿和拆模前（帶模）灌漿。傳統(tǒng)的拱頂回填灌漿是在襯砌拆模后混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后進(jìn)行，灌漿料與混凝土易呈現(xiàn)“兩層皮”現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的整體性較差。帶模灌漿則是在襯砌拆模前混凝土澆筑完畢即可進(jìn)行，灌漿料與混凝土有較好的粘結(jié)效果，結(jié)構(gòu)的整體性更好[2-3]。

隧道襯砌灌漿時(shí)，灌漿料和襯砌混凝土的結(jié)合性能與灌漿時(shí)機(jī)密切相關(guān)。安哲立等[4]認(rèn)為隧道襯砌拱頂帶模灌漿應(yīng)在混凝土沖頂后混凝土初凝前完成。張華等[5]認(rèn)為帶模灌漿一般在襯砌混凝土灌注結(jié)束1~2 h后進(jìn)行。呂彪[6]的研究表明微膨脹砂漿在襯砌混凝土澆筑后0~4 h內(nèi)灌注完畢，可使灌漿料和混凝土結(jié)合體呈現(xiàn)整體破壞。肖東輝等[7]建議帶模灌漿時(shí)間為襯砌混凝土澆筑后的4~6 h。賀兆鵬等[8]從理論試驗(yàn)中獲得，在混凝土初凝時(shí)間的第1/2點(diǎn)開始灌漿并于初凝前完成灌漿，可保證灌漿料與混凝土的整體性；但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)，對(duì)襯砌拱頂帶模灌漿的時(shí)間進(jìn)行了修正，以混凝土初凝時(shí)間點(diǎn)開始灌漿并在1 h內(nèi)完成，可使灌漿料和混凝土的粘結(jié)效果最好。京沈京冀客專總公司工管中心對(duì)隧道拱頂灌漿時(shí)機(jī)的規(guī)定為：灌漿需在襯砌混凝土終凝后拆模前進(jìn)行。

隧道襯砌灌漿后，灌漿料與混凝土結(jié)合性能的好壞影響著隧道結(jié)構(gòu)的整體性。當(dāng)前文獻(xiàn)對(duì)灌漿料與混凝土結(jié)合性能的研究報(bào)道較少。呂彪[6]試驗(yàn)研究了灌漿時(shí)機(jī)為0 h、2 h、4 h、8 h和24 h時(shí)，灌漿料與C30混凝土結(jié)合體的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，結(jié)果表明結(jié)合體強(qiáng)度均高于純混凝土強(qiáng)度，8 h和24 h結(jié)合體的抗壓破壞是在灌漿料和混凝土的界面處分開，而0 h、2 h和4 h結(jié)合體的抗壓破壞是整體破壞；所有結(jié)合體的抗折破壞均為整體破壞。肖東輝等[7]分析了灌漿料與混凝土澆筑時(shí)間間隔為0 h、2 h、4 h、6 h和8 h時(shí)，灌漿料與C30混凝土結(jié)合體的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，0 h和2 h結(jié)合體的抗壓破壞是整體破壞，4 h、6 h和8 h結(jié)合體的抗壓破壞是分離破壞。

為進(jìn)一步探明灌漿料和混凝土的結(jié)合性能，本文通過結(jié)合體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、結(jié)合體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和結(jié)合體破壞形式統(tǒng)計(jì)分析，研究了灌漿時(shí)機(jī)、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、結(jié)合體齡期等因素對(duì)灌漿料和混凝土結(jié)合體的強(qiáng)度、破壞形式的影響，以為隧道襯砌灌漿施工提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：北京金隅P.O42.5低堿水泥。粉煤灰：河北灤河F類II級(jí)粉煤灰。纖維：遼寧營口聚丙烯網(wǎng)狀纖維。細(xì)骨料：河北承德砂子，細(xì)度模數(shù)3.0。粗骨料：河北承德碎石，由5~10 mm、10~25 mm碎石按4頤6比例混合而成，5~25 mm連續(xù)級(jí)配碎石。拌合用水：河北安匠地下水。減水劑：山西康特爾聚羧酸高性能減水劑。灌漿料：中交天津港灣工程研究院有限公司研發(fā)的隧道襯砌灌漿料，強(qiáng)度等級(jí)60 MPa，初始流動(dòng)度逸340 mm，30 min后的流動(dòng)度逸335 mm。灌漿料表面光滑平整、質(zhì)色均勻，漿體懸浮狀態(tài)很好、不分層、不離析、不泌水，具有良好的攪拌性和泵送性。灌漿料在加水拌合后，其24 h的膨脹率為0.167%，1 d、3 d、7 d和28 d的抗折強(qiáng)度分別能達(dá)到5.5 MPa、8.2 MPa、10.3 MPa和12.1 MPa；1 d、3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別能達(dá)到25.6 MPa、50.7 MPa、64.2 MPa和70.4 MPa（40 mm伊40 mm伊160 mm試件）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

隧道襯砌用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、C35兩種，具體配合比見表1。灌漿料與混凝土的結(jié)合性能主要從結(jié)合劈拉強(qiáng)度、結(jié)合抗壓強(qiáng)度、結(jié)合抗壓破壞形式等三方面進(jìn)行分析，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。結(jié)合性能不僅與混凝土性能、灌漿料性能有關(guān)，還與灌漿時(shí)機(jī)，即混凝土灌注后多久開始灌漿有關(guān)。綜合考慮混凝土性能和現(xiàn)場(chǎng)施工可操作性，本試驗(yàn)選取混凝土澆筑后時(shí)間間隔為4 h、8 h、24 h和72 h開始灌漿的4種工況，分析灌漿時(shí)機(jī)對(duì)灌漿料和混凝土結(jié)合性能的影響。

灌漿料與混凝土的結(jié)合性能試驗(yàn)主要通過150 mm伊150 mm伊150 mm標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行，試件成型時(shí)，先在試模中澆筑一半混凝土并振動(dòng)密實(shí)，且混凝土的裝模高度嚴(yán)格控制為75 mm，然后在4 h、8 h、24 h和72 h后用灌漿料澆筑另一半，不振動(dòng)。

試件成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d和28 d齡期時(shí)，按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定相應(yīng)的結(jié)合抗壓強(qiáng)度和結(jié)合劈裂抗拉強(qiáng)度。試件的側(cè)面為抗壓面，破壞時(shí)記錄混凝土與灌漿料為整體破壞還是分離破壞。

表1 試驗(yàn)用混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion for test

表2 灌漿料與混凝土結(jié)合性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design for bonding characteristics of grouting material and concrete

2 結(jié)果與討論

2.1 灌漿料與混凝土的結(jié)合抗壓強(qiáng)度

不同灌漿時(shí)機(jī)下，混凝土與灌漿料的結(jié)合拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。相同齡期下，混凝土和灌漿料的結(jié)合抗壓強(qiáng)度均高于混凝土本體的抗壓強(qiáng)度，并低于灌漿料的抗壓強(qiáng)度。

表3 灌漿料與混凝土結(jié)合抗壓和劈拉強(qiáng)度Table 3 Combination compressive strength and splitting tensile strength of grouting material and concrete

灌漿時(shí)機(jī)對(duì)混凝土和灌漿料的結(jié)合抗壓強(qiáng)度影響顯著。3 d齡期時(shí)，結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率隨著灌漿時(shí)機(jī)的增大而呈現(xiàn)出先增加后降低趨勢(shì)；7 d齡期時(shí)，結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率隨著灌漿時(shí)機(jī)的增大而呈現(xiàn)出上下波動(dòng)；28 d齡期時(shí)，結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率則隨著灌漿時(shí)機(jī)的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)；灌漿時(shí)機(jī)從4 h變?yōu)? h和24 h時(shí)，結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率緩慢降低；灌漿時(shí)機(jī)為72 h時(shí)，結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率降低幅度較大。雖然較短的灌漿時(shí)機(jī)有利于混凝土和灌漿料結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升，但是灌漿時(shí)機(jī)較短時(shí)襯砌混凝土尚未在自重作用下逐漸密實(shí)，隧道襯砌拱頂空隙或空洞尚未完全形成，此時(shí)灌漿不僅會(huì)對(duì)混凝土造成較大的擾動(dòng)，而且會(huì)使拱頂易于產(chǎn)生二次脫空。最佳灌漿時(shí)機(jī)的選取不僅應(yīng)考慮結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率，還應(yīng)綜合考慮結(jié)合體的破壞形式、結(jié)合體劈拉強(qiáng)度以及現(xiàn)場(chǎng)施工條件的影響。

混凝土與灌漿料結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率受齡期的影響較大。由于灌漿料具有早強(qiáng)特性，與混凝土本體相比，灌漿料與混凝土結(jié)合體的早期抗壓強(qiáng)度提升率比較顯著，但隨著齡期的增加，結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率逐漸降低。

混凝土與灌漿料結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率還與混凝土本體的強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)。同齡期時(shí)，C35混凝土與灌漿料的結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率低于C30纖維混凝土與灌漿料的結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率。結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率隨著混凝土本體強(qiáng)度等級(jí)的提升而降低。

2.2 灌漿料與混凝土的結(jié)合劈拉強(qiáng)度

不同灌漿時(shí)機(jī)下，混凝土與灌漿料的結(jié)合劈拉強(qiáng)度不僅低于灌漿料的劈拉強(qiáng)度，還低于混凝土本體的劈拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表3。由于混凝土和灌漿料是兩個(gè)不同的收縮膨脹體系，變形協(xié)調(diào)的不一致性造成灌漿料和混凝土的層間粘結(jié)力減弱。

結(jié)果表明，混凝土和灌漿料的結(jié)合劈拉強(qiáng)度的降低幅度隨著灌漿時(shí)機(jī)的延長(zhǎng)而變小，灌漿時(shí)機(jī)的延長(zhǎng)可改善混凝土和灌漿料的結(jié)合劈拉強(qiáng)度。因24 h和72 h時(shí)灌漿可使混凝土和灌漿料的結(jié)合劈拉強(qiáng)度的降低幅度最小，故混凝土澆筑24 h后灌漿，可使灌漿料和混凝土間獲得較好的層間結(jié)合力。

C30纖維混凝土與灌漿料的結(jié)合劈拉強(qiáng)度高于C35混凝土與灌漿料的結(jié)合劈拉強(qiáng)度，表明纖維對(duì)混凝土和灌漿料的界面結(jié)合力起到顯著改善作用。

2.3 灌漿料與混凝土結(jié)合抗壓的破壞形式

混凝土和灌漿料結(jié)合抗壓的破壞形式匯總?cè)绫?所示，典型破壞如圖1所示。齡期對(duì)灌漿料和混凝土結(jié)合抗壓的破壞形式影響顯著。3 d齡期時(shí)79.2%的結(jié)合試件發(fā)生整體破壞、20.8%的結(jié)合試件發(fā)生分離破壞；7 d齡期時(shí)87.5%的結(jié)合試件發(fā)生整體破壞、12.5%的結(jié)合試件發(fā)生分離破壞；28 d齡期時(shí)95.8%的結(jié)合試件發(fā)生整體破壞、4.2%的結(jié)合試件發(fā)生分離破壞。數(shù)據(jù)表明，混凝土和灌漿料結(jié)合抗壓的破壞形式主要為整體破壞，且隨著齡期的增加，結(jié)合試件的整體破壞率顯著提高。

表4 灌漿料與混凝土結(jié)合抗壓的破壞形式Table 4 Failure mode of the combination of grouting material and concrete

圖1 混凝土與灌漿料結(jié)合抗壓的破壞形式Fig.1 Compressive failure mode of the combination of grouting material and concrete.

灌漿時(shí)機(jī)對(duì)結(jié)合抗壓的破壞形式也有一定影響。4 h時(shí)灌漿的結(jié)合試塊，83.3%為整體破壞、16.7%為分離破壞；8 h時(shí)灌漿的結(jié)合試塊，77.8%為整體破壞、22.2%為分離破壞；24 h時(shí)灌漿的結(jié)合試塊，94.4%為整體破壞、5.6%為分離破壞；72 h時(shí)灌漿的結(jié)合試塊，94.4%為整體破壞、5.6%為分離破壞。灌漿時(shí)機(jī)較短時(shí)，混凝土和灌漿料之間收縮膨脹變形的不一致削弱了其層間粘結(jié)力，造成灌漿料和混凝土的整體破壞率不高。24 h和72 h時(shí)灌漿可使混凝土和灌漿料的收縮膨脹變形相對(duì)協(xié)調(diào)，形成良好的結(jié)合體，提高整體破壞率。

灌漿料和混凝土結(jié)合劈拉強(qiáng)度的大小對(duì)其結(jié)合抗壓破壞形式有直接影響。灌漿料和混凝土結(jié)合劈拉強(qiáng)度小于1.2 MPa時(shí)，易發(fā)生分離破壞。本試驗(yàn)中，灌漿料與C30纖維混凝土和C35混凝土結(jié)合抗壓的整體破壞率分別為97.2%和77.8%，灌漿料與C35混凝土結(jié)合抗壓的整體破壞率較低與其結(jié)合劈拉強(qiáng)度偏低相關(guān)。

3 結(jié)語

不同灌漿時(shí)機(jī)下，混凝土和灌漿料的結(jié)合抗壓強(qiáng)度均高于混凝土本體的抗壓強(qiáng)度，而結(jié)合劈拉強(qiáng)度低于混凝土本體的劈拉強(qiáng)度。結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升和結(jié)合劈拉強(qiáng)度的降低，不僅與灌漿時(shí)機(jī)密切相關(guān)，還受結(jié)合體試件齡期、混凝土本體強(qiáng)度的影響。

混凝土和灌漿料結(jié)合抗壓的破壞形式主要為整體破壞，早齡期時(shí)整體破壞率偏低，隨著齡期的增加，結(jié)合體的整體破壞率顯著提高?；炷梁凸酀{料的結(jié)合劈拉強(qiáng)度的大小對(duì)其結(jié)合抗壓破壞形式有直接影響，結(jié)合劈拉強(qiáng)度小于1.2 MPa時(shí)，易發(fā)生分離破壞。

最佳灌漿時(shí)機(jī)的選取不僅應(yīng)考慮結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升率，還應(yīng)考慮結(jié)合體的破壞形式、結(jié)合體劈拉強(qiáng)度以及現(xiàn)場(chǎng)施工條件的影響。綜合分析后建議，在混凝土澆筑24 h后灌漿，不僅可使結(jié)合抗壓強(qiáng)度的提升有保障，并獲得較高的結(jié)合劈拉強(qiáng)度，還能降低隧道襯砌拱頂產(chǎn)生二次脫空的風(fēng)險(xiǎn)。