隧道高性能濕噴混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)選

陳文淵， 李 鑫， 何小軍， 麻 驥， 冀亞鋒

(1. 中鐵二十一局集團(tuán) 第三工程有限公司,陜西 咸陽 712023；2. 四川省公路院工程監(jiān)理有限公司,四川 成都 610000；3.冀南技師學(xué)院 城市建設(shè)工程系，河北 邯鄲 056000；4.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,江蘇 南京 211816)

0 引言

自1995年濕噴混凝土技術(shù)發(fā)展以來，其粉塵低、回彈率相對(duì)較小、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)使其迅速成為隧道工程主要的支護(hù)手段之一[1-2]。但由于技術(shù)水平不高，濕噴混凝土在推廣應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)壓送過程中堵管、回彈率較高等問題，直接延長(zhǎng)了噴射混凝土的工作時(shí)間，影響了施工進(jìn)度，不但造成了原材料的浪費(fèi)，提高了施工成本，而且嚴(yán)重威脅到施工人員的身體健康。濕噴混凝土的配合比問題是引發(fā)上述現(xiàn)象的主要原因之一，故合理設(shè)計(jì)濕噴混凝土配合比,有效降低回彈率對(duì)于推廣應(yīng)用濕噴混凝土具有良好的促進(jìn)作用[3-4]。

目前，濕噴混凝土的配合比設(shè)計(jì)仍然沒有相對(duì)固定的方法，隨著地域、原材料、試驗(yàn)人員的變化，濕噴混凝土配合比設(shè)計(jì)存在較大差異?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，也多以強(qiáng)度為主要目標(biāo)，從而忽略了濕噴混凝土對(duì)高工作性能的要求，造成噴射回彈率較高，可泵性降低等后果[5-6]。針對(duì)濕噴混凝土因配合比造成的回彈率高、流動(dòng)性不足等問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，陳耀文等[7]根據(jù)碰撞能量守恒原理，對(duì)濕噴混凝土回彈機(jī)理進(jìn)行了分析，結(jié)果表明適當(dāng)增加砂率可以有效降低濕噴混凝土的回彈率；周梅等[8]研究了不同纖維摻量和砂率下濕噴混凝土的回彈率，結(jié)果表明合適的砂率和適當(dāng)?shù)睦w維摻量不僅可以增大濕噴混凝土的黏聚性還能降低其回彈率；郭永忠[9]研究了濕噴混凝土流動(dòng)性能對(duì)其回彈率的影響，結(jié)果表明在坍落度為190 mm左右時(shí)，對(duì)其回彈率的降低最為有利。

為了降低濕噴混凝土的回彈率，配制出符合現(xiàn)場(chǎng)施工要求、節(jié)約成本的高性能濕噴混凝土，以渭武高速公路木寨嶺隧道為工程背景，通過現(xiàn)場(chǎng)配合比參數(shù)的選擇、配合比設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)回彈率測(cè)試、噴射大板試驗(yàn)等方法，優(yōu)化找到最符合實(shí)際工程要求以及滿足節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本原則的配合比，以有效減少濕噴混凝土的回彈率。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

膠凝材料主要有由漳縣祁連山水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥和由靖遠(yuǎn)縣鑫凱新型建材有限公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，2種膠凝材料的化學(xué)成分、燒失量、比表面積等參數(shù)如表1所示；細(xì)骨料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為3.03，表觀密度為2 604 kg/m3，含泥量為2.5%，泥塊含量為0.75%，含水率為5.1%，堆積密度為1 583 kg/m3；粗骨料選用5～10 mm碎石，表觀密度為2 646 kg/m3，含水率為2.1%，堆積密度為1 505 kg/m3；減水劑采用SKD14聚羧酸系高效減水劑，減水率28%；速凝劑采用液體速凝劑，初凝時(shí)間為3.7 min，終凝時(shí)間為8.5 min；拌合用水采用自來水。

表1 膠凝材料化學(xué)成分和比表面積

1.2 配合比方案設(shè)計(jì)

1.2.1 配合比參數(shù)選擇

木寨嶺隧道初期支護(hù)噴射混凝土設(shè)計(jì)厚度5～23 cm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25，故實(shí)驗(yàn)以擬配C25濕噴混凝土為研究對(duì)象，在以現(xiàn)場(chǎng)配合比為基準(zhǔn)配合比條件下，通過研究不同膠凝材料用量、水膠比、砂率等條件下混凝土的配制強(qiáng)度，并通過現(xiàn)場(chǎng)取芯強(qiáng)度、回彈率測(cè)試和噴射大板強(qiáng)度找到滿足現(xiàn)場(chǎng)濕噴混凝土的最優(yōu)配合比。

濕噴混凝土，由于需要泵送，水膠比較低時(shí)不利于混凝土的泵送，故配合比調(diào)整時(shí)在保證混凝土強(qiáng)度的前提下適當(dāng)增大水膠比，初定為0.40和0.42。現(xiàn)場(chǎng)雖采用河砂，但質(zhì)量較差，粗骨料中顆粒小于4.75 mm的部分占比約為46.8%，級(jí)配較差，配合比設(shè)計(jì)時(shí)需考慮將這部分骨料適度折算到細(xì)骨料中。過高的砂率不僅會(huì)增加膠凝材料用量，還會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度，故砂率不宜太高，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)材料物理特性初步選定砂率為0.40～0.50之間。規(guī)范規(guī)定噴射混凝土膠凝材料用量不應(yīng)小于400 kg/m3，膠凝材料用量過少，混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，回彈率高；膠凝材料用量增多，隨著噴射混凝土強(qiáng)度的提高，施工過程中產(chǎn)生的粉塵也將增多，造成施工環(huán)境的污染，進(jìn)而增加成本。因此，為改善混凝土強(qiáng)度以及工作性能，同時(shí)降低成本，需摻入一定量的粉煤灰且不宜太多，最終確定膠凝材料用量為450～480 kg/m3，粉煤灰摻量為8%。

1.2.2 配合比設(shè)計(jì)方案

(1)水膠比為0.40、膠凝材為450 kg/m3條件下，不同砂率的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表2 水膠比0.40，不同砂率的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案

(2)水膠比為0.42、膠凝材為450 kg/m3條件下，不同砂率的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案如表3所示。

表3 水膠比0.42，不同砂率的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案

(3)砂率為0.46、水膠比為0.40條件下，不同膠凝材料用量的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案如表4所示。

表4 不同膠凝材用量的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案

1.3 試件制作和測(cè)試方法

1.3.1 試件制作及養(yǎng)護(hù)

噴射混凝土試件采用鋼模大板制作，脫模后用切割機(jī)加工，鋼模大板尺寸為500 mm×500 mm×120 mm。試件制作時(shí)，將試模置于隧道內(nèi)噴射作業(yè)面附近，以80°左右斜置于墻腳處，先在模具外的邊墻上噴射，待操作正常后，將噴頭移至模具位置，由下而上逐層向模具內(nèi)噴滿混凝土，如圖1所示，試件在隧道內(nèi)自然環(huán)境中養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，移至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，3 d后把試件切割加工成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，如圖2所示，然后繼續(xù)放置在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至7 d、28 d。

圖2 濕噴混凝土試件切割

1.3.2 強(qiáng)度測(cè)試

各組試件在相同養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)3、7、28 d后，進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)試，加載速度嚴(yán)格控制在0.4～0.5 MPa/s，每組試件測(cè)試3個(gè)，將測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值乘以換算系數(shù)0.95作為試件的軸心抗壓強(qiáng)度值。需要注意的是對(duì)于切割試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，在測(cè)試前需對(duì)試件表面進(jìn)行打磨拋光，避免測(cè)試中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1.3.3 回彈率測(cè)試

隧道內(nèi)噴射混凝土回彈率測(cè)試選定邊墻和拱部2個(gè)部位，一般在隧道內(nèi)隨機(jī)選一段邊墻和拱頂進(jìn)行測(cè)試，在地下鋪上帆布或彩條布，然后噴射一定體積或質(zhì)量的混凝土，將彈落到地面的混凝土收集并稱重，彈落到地面混凝土質(zhì)量占總噴射混凝土質(zhì)量的比例就是噴射混凝土回彈率。

2 結(jié)果與分析

2.1 砂率對(duì)混凝土強(qiáng)度和工作性能影響

(1)在水膠比為0.40和0.42、膠凝材料用量為450 kg/m3、減水劑摻量均為1%的條件下，不同砂率的混凝土坍落度、擴(kuò)展度及各齡期抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同砂率的混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度

圖4 不同砂率的混凝土流動(dòng)性能

由圖3(a)可以看出：當(dāng)水膠比為0.40時(shí)，隨著砂率的增加，混凝土3、7、28 d強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；當(dāng)砂率小于0.46時(shí)，混凝土各齡期強(qiáng)度隨著砂率的增大而不斷增大，這是由于當(dāng)砂率較小時(shí)，砂漿不能夠充分包裹粗骨料的表面或者填充骨料之間的空隙，導(dǎo)致混凝土的和易性較差，密實(shí)性降低，從而降低混凝土的抗壓強(qiáng)度；在砂率為0.46時(shí)，各齡期強(qiáng)度達(dá)到最大值，這是由于當(dāng)砂率適宜時(shí)，砂不但填滿骨料之間的空隙，而且還能保證骨料間有一定的砂漿層以便增強(qiáng)混凝土的和易性，從而使混凝土有較好的抗壓強(qiáng)度，此時(shí)混凝土28 d強(qiáng)度較砂率為0.40時(shí)增大約27.0%；砂率為0.50時(shí)，混凝土各齡期強(qiáng)度達(dá)到最小值，這是由于當(dāng)砂率過大時(shí)，在相同膠凝材料用量的條件下，填充在骨料間膠砂變多了，粗骨料減少了，使粗骨料骨架作用減弱，此時(shí)的混凝土拌合物和易性也較差，從而造成混凝土抗壓強(qiáng)度的降低，此時(shí)28 d強(qiáng)度較砂率為0.46時(shí)降低約43.4%。

由圖3(b)可以看出，當(dāng)水膠比為0.42時(shí)，混凝土3、7、28 d強(qiáng)度變化與水膠比為0.40時(shí)基本一致，隨著砂率的增加，同樣整體呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)；在砂率為0.46時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)混凝土28 d強(qiáng)度較砂率為0.40時(shí)增大約23.4%，較砂率為0.50時(shí)增大約25.8%。

由圖4混凝土的流動(dòng)性能可以看出：各組混凝土坍落度和擴(kuò)展度均隨著砂率的增大呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，在砂率為0.46時(shí)，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均達(dá)到最大值，此時(shí)混凝土坍落度和擴(kuò)展度較最小值分別增大約72.2%和70%。

綜合以上分析，試驗(yàn)結(jié)果表明水膠比為0.40、0.42，砂率為0.46時(shí)，混凝土的工作性能和各齡期壓強(qiáng)度均好于其他砂率條件，由此可以確定濕噴混凝土最優(yōu)砂率為0.46。

2.2 水膠比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

水膠比為0.40、0.42時(shí)，不同砂率條件下混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 不同水膠比條件下混凝土28 d抗壓強(qiáng)度

由圖5可以看出：水膠比為0.40時(shí)，各砂率條件下混凝土28 d強(qiáng)度均要高于水膠比為0.42的混凝土，說明水膠比越低混凝土強(qiáng)度越高；2種水膠比條件下混凝土強(qiáng)度隨砂率的增加變化趨勢(shì)基本一致，這表明砂率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響在0.40～0.50之間基本呈現(xiàn)良好的規(guī)律性，通過調(diào)整砂率探尋濕噴混凝土最優(yōu)配合比是可行的。為充分考慮現(xiàn)場(chǎng)原材料的變化性以及濕噴混凝土的強(qiáng)度因素，從28 d強(qiáng)度來看混凝土水膠比為0.42是完全滿足要求的，單從強(qiáng)度來看，2種水膠比具有較高的冗余度，考慮到西部高寒地區(qū)結(jié)構(gòu)抗凍性問題，水膠比不宜太高，故實(shí)際混凝土水膠比選定為0.40。

2.3 膠凝材料用量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

砂率為0.46、水膠比為0.40條件下，不同膠凝材料用量混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度如圖6所示。

圖6 不同膠凝材用量的混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度

由圖6可以看出：在砂率為0.46，水膠比為0.40時(shí)，混凝土各齡期強(qiáng)度隨著膠凝材料用量的增加而緩慢降低，這是由于隨著膠凝材料用量的增加，相應(yīng)的石子和砂子等骨料用量減小，在保證混凝土流動(dòng)性、黏聚性和強(qiáng)度的前提下，骨料含量越高，則混凝土強(qiáng)度越大，其中膠凝材料用量為450 kg/m3混凝土各齡期強(qiáng)度最高。膠凝材料用量為450 kg/m3和460 kg/m3的2組配合比混凝土強(qiáng)度差別較小，但膠凝材料用量增加必然會(huì)使工程造價(jià)增大，既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。因此，基于強(qiáng)度和成本的綜合考慮，最終確定膠凝材料最佳摻量為450 kg/m3，不僅確保了混凝土的強(qiáng)度，還節(jié)約了膠凝材料用量，降低了工程成本。

2.4 砂率對(duì)混凝土回彈率的影響

試驗(yàn)在木寨嶺隧道右洞YK222+745～YK222+829區(qū)間段(長(zhǎng)度為84 m)，開展回彈率測(cè)試，總共分為36個(gè)試驗(yàn)段，其中每個(gè)試驗(yàn)段長(zhǎng)度為2 m，每個(gè)配合比在3個(gè)試驗(yàn)段開展試驗(yàn)，按照邊墻和拱頂2個(gè)部位分別統(tǒng)計(jì)回彈率，并計(jì)算出不同配合比條件下不同部位回彈率的平均值。試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 混凝土邊墻回彈率

圖8 混凝土拱頂回彈率

綜合分析圖7和圖8可知，混凝土回彈率隨著砂率的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，在砂率為0.46時(shí)，邊墻和拱頂?shù)幕貜椔示_(dá)到最小值，此時(shí)2組水膠比條件下邊墻和拱頂混凝土回彈率相較于砂率為0.40時(shí)分別降低約34.5%、28.4%和32.9%、37.5%；水膠比為0.42時(shí)，各砂率條件下混凝土回彈率要明顯大于水膠比為0.40的混凝土，這表明混凝土回彈率會(huì)隨著水膠比的增大而增大。綜合考慮在水膠比為0.40、砂率為0.46時(shí)，混凝土的回彈率最低。

3 結(jié)論

(1)噴射混凝土各齡期強(qiáng)度及流動(dòng)性基本呈現(xiàn)出隨著砂率增大而先增大后降低的趨勢(shì)，在砂率為0.46時(shí)強(qiáng)度及流動(dòng)性達(dá)到最大值，此時(shí)混凝土強(qiáng)度較最小值增大約43.4%，坍落度和擴(kuò)展度較最小值分別增大約72.2%和70%。

(2)在砂率為0.46、水膠比為0.40時(shí)，混凝土各齡期強(qiáng)度隨著膠凝材料用量的增加而緩慢降低，基于強(qiáng)度和成本的綜合考慮，最終確定膠凝材料最佳摻量為450 kg/m3。

(3)混凝土回彈率隨著砂率的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，在水膠比為0.40、砂率為0.46、膠凝材料用量為450 kg/m3時(shí)，噴射混凝土配合比達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)邊墻和拱頂混凝土回彈率相較于砂率為0.40時(shí)分別降低約34.5%和28.4%。

雖然試驗(yàn)結(jié)果很好指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，取得較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，但研究成果受現(xiàn)場(chǎng)條件制約，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)無法做到量大面廣，比如膠凝材料只摻入粉煤灰，水膠比參數(shù)選用較少。對(duì)于這些問題，計(jì)劃在后續(xù)的研究中加以不斷完善。