基于復(fù)合膠凝材配制隧道高性能濕噴混凝土試驗(yàn)研究

冀亞鋒， 羅 超， 陳文淵， 周敏娟， 王海彥， 麻 驥

(1.中鐵二十一局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 咸陽 712000；2.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；3.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050041)

隨著我國山嶺隧道的大量修建，初期支護(hù)采用普通濕噴混凝土已難以滿足隧道結(jié)構(gòu)性能和施工要求，主要存在力學(xué)、耐久性能不足，施工時(shí)回彈率高、環(huán)境污染較大等影響，故研究低成本、少回彈、低污染的高性能濕噴混凝土來施作隧道初期支護(hù)勢(shì)在必行。在1980年代末，一些國家在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方面提出高性能混凝土的概念，其主要是通過在膠凝材中復(fù)摻多元礦物摻合料，達(dá)到提高混凝土力學(xué)和耐久性能目的。由于膠凝材中礦物摻合料取之于工業(yè)廢料，這樣從根本上減少了水泥用量，既節(jié)約了能源和資源，又實(shí)現(xiàn)了工業(yè)廢料的循環(huán)利用，還降低碳排放和成本。本世紀(jì)初，我國隨著高性能混凝土普遍應(yīng)用，隧道工程中提出了使用高性能濕噴混凝土技術(shù)思路，但由于技術(shù)水平所限和外加劑性能不足，未能得到普遍應(yīng)用。隨著混凝土技術(shù)的不斷改進(jìn)，越來越多的礦物摻合料運(yùn)用于其中，但其性能受摻合料種類、摻量、單摻與復(fù)摻等多種因素的影響，最終混凝土的性能也相差較大[1]。

1 膠凝材復(fù)合效應(yīng)分析

礦物摻合料摻入混凝土中，因其物理性能和化學(xué)成分的不同，摻合料的微集料效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、界面效應(yīng)等在混凝土中所表現(xiàn)出的有正負(fù)效應(yīng)之分，若將各種摻合料物理性能、摻量比例控制得當(dāng)，在混凝土摻入多種礦物摻合料所表現(xiàn)出的正效應(yīng)一般要大于單摻一種礦物摻合料，這歸結(jié)為多元復(fù)合膠凝材的復(fù)合效應(yīng)[2-3]。

(1)微集料效應(yīng)：在混凝土的常用膠凝材料中，硅灰、粉煤灰、礦粉、水泥的顆粒粒徑依次增大，這些膠凝材料通過合理的比例進(jìn)行混合可形成級(jí)配良好的復(fù)合膠凝材料。膠凝材混合后不同粒徑的粉體顆粒互相填充，減少了顆粒之間的間隙，進(jìn)而降低膠凝體硬化后的總孔隙率，提高混凝土的密實(shí)性，降低混凝土的滲透性，提高了混凝土的抗侵蝕能力。

(2)形態(tài)效應(yīng)：膠凝材料因其形態(tài)不同，應(yīng)用于混凝土中所發(fā)揮的作用也不盡相同。如礦粉顆粒形貌不規(guī)則且粗糙，應(yīng)用于混凝土中會(huì)使其流動(dòng)性降低；粉煤灰顆粒圓潤(rùn)，摻入混凝土中可增加其流動(dòng)性；硅灰粒徑小、比表面積大，可增加混凝土的粘聚性。基于膠凝材料的以上特性，在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)可采取復(fù)摻方式，充分利用各種膠凝材的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而改善混凝土的工作性、提高其密實(shí)程度和耐久性能。

(3)界面效應(yīng)：在混凝土成型過程中，在骨料的周圍會(huì)形成一層密閉的水膜，此處水泥水化形成的Ca(OH)2富集，使得骨料、漿體形成明顯的界面過渡區(qū)，此過渡區(qū)往往是混凝土裂縫形成及破壞的薄弱環(huán)節(jié)，在混凝土中復(fù)摻礦粉、粉煤灰、硅灰等膠凝材料可以降低混凝土中Ca(OH)2含量，改善界面過渡區(qū)的粘結(jié)性能，因此，適量的復(fù)合膠凝材料對(duì)混凝土的性能表現(xiàn)為正效應(yīng)。

2 配合比設(shè)計(jì)及試件制作

2.1 原材料

膠凝材料選用海工復(fù)合硅酸鹽水泥(比表面積400 m2/kg，P.C42.5)、本溪電廠粉煤灰(比表面積750 m2/kg，Ⅱ)、本溪鋼鐵礦粉(比表面積450 m2/kg，S95)，粗骨料選用含泥小于1.5%、5～10 mm連續(xù)級(jí)配破碎石灰石，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.7、含泥量小于2.0%的河砂；減水劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%；速凝劑為SA160型高性能無堿速凝劑，終凝時(shí)間為4′25″，初凝時(shí)間為30′30″；拌和用水為自來水。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

濕噴混凝土配合比設(shè)計(jì)要兼具強(qiáng)度、耐久性以及施工性能的要求，一般的濕噴混凝土初始坍落度160～180 mm為宜，具有和易性好、無離析特性，2 h坍落度損失小于80 mm。通過坍落度試驗(yàn)調(diào)整水膠比(0.38、0.40、0.42)和砂率(50%、52%、55%、60%)，達(dá)到濕噴混凝土適宜的工作性，最終確定基準(zhǔn)配合比采用水膠比W0.40，砂率50%，砂∶石∶水∶減水劑(0.8%)∶速凝劑(6%)=860∶860∶180∶3.6∶27(kg/m3)。膠凝材料的用量見表1。

表1 混凝土膠凝材料用量 kg/m3

2.3 試件制備及養(yǎng)生

噴射混凝土試件采用鋼模大板制作，鋼模大板尺寸為500 mm×500 mm×120 mm。噴射完成后在隧道內(nèi)自然環(huán)境中養(yǎng)生1 d后脫模，移至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，3 d后把試件切割加工成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)(GB/T50081—2016)中規(guī)定的方法對(duì)混凝土試件進(jìn)行1 d、3 d、7 d、28 d和56 d抗壓強(qiáng)度以及28 d的抗拉強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，各組混凝土力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖1和表2所示。

圖1 各組混凝土抗壓強(qiáng)度

表2 混凝土28 d性能指標(biāo)

從圖1和表2中可以看出：各組混凝土抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)生齡期呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)混凝土中摻入礦物摻合料，其早期強(qiáng)度(小于7 d)相較于基準(zhǔn)組降低；在相同的摻和比例下，單摻粉煤灰的早期強(qiáng)度要高于單摻礦粉的早期強(qiáng)度，但后期強(qiáng)度單摻礦粉漲幅明顯，強(qiáng)度明顯優(yōu)于單摻粉煤灰；礦粉和粉煤灰復(fù)摻，強(qiáng)度較其他組略有差別，但差距較小，此時(shí)單摻礦粉混凝土強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)明顯；纖維的加入導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度有所下降；養(yǎng)生條件對(duì)濕噴混凝土力學(xué)性能有很大影響，自然養(yǎng)生下的N8相較于灑水養(yǎng)生的N6其強(qiáng)度在28 d時(shí)下降了36%；混凝土抗拉強(qiáng)度屬單摻礦粉最優(yōu)，抗折強(qiáng)度在單摻礦粉時(shí)有所增長(zhǎng)，其他配方混凝土抗折強(qiáng)度均有不同程度下降。

3.2 耐久性能試驗(yàn)

3.2.1 電通量試驗(yàn)

混凝土的耐久性能與滲透性密不可分，礦物摻合料的摻入改善了膠凝材料微觀顆粒級(jí)配和混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)以及水化產(chǎn)物?；炷林袚饺氲V物摻合料后，由于粉煤灰、礦粉的顆粒較水泥顆粒細(xì)，彼此粒徑各不相同，將這些材料三元復(fù)合能夠形成良好級(jí)配的膠凝材料。粉煤灰、礦粉的摻量比例對(duì)混凝土抗氯離子滲透性有較大影響，這些礦物摻合料不僅可以填充水泥顆粒之間以及水泥石-骨料界面之間的空隙，且不同粗細(xì)的粉煤灰、礦粉按適當(dāng)比例復(fù)合后，相互填充，具有“復(fù)合超疊加效應(yīng)”，形成密實(shí)的堆聚體系，更有利于改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，使混凝土抗氯離子滲透性提高；另外，在混凝土中摻入適量礦物摻合料后，由于其二次水化效應(yīng)的作用，會(huì)消耗部分Ca(OH)2，生成結(jié)構(gòu)更為致密的C-S-H凝膠，填充了混凝土的孔隙，提高了混凝土的抗氯離子滲透能力[4-8]，因此混凝土的抗?jié)B透性能可以通過其抗氯離子滲透性能進(jìn)行反映。

混凝土抗氯離子滲透性能一般采用其28 d電通量值進(jìn)行表征，電通量測(cè)試結(jié)果如表2所示。

通過對(duì)表2中數(shù)據(jù)的分析可看出：混凝土中摻入礦物摻合料會(huì)使其電通量降低；單摻粉煤灰或礦粉的混凝土電通量較基準(zhǔn)組N1降低近50%，雙摻粉煤灰和礦粉的混凝土的電通量相較單摻粉煤灰或礦粉的混凝土更低，其中N5配方電通量最低，為490 C；在雙摻粉煤灰和礦粉的膠凝材料中加入纖維素纖維，纖維素纖維溶解后可吸附部分氣泡，促使混凝土內(nèi)部孔徑變細(xì)，并改善了混凝土內(nèi)部孔徑分布，提高了混凝土的密實(shí)性；自然養(yǎng)生環(huán)境下所得電通量與基準(zhǔn)試件相比差距不大，這表明良好的養(yǎng)生條件可以有效改善混凝土的滲透性能，尤其對(duì)于摻入摻合料的混凝土。

3.2.2 抗硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)

硫酸鹽侵蝕是硫酸鹽溶液與混凝土中水化生成物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的膨脹物造成混凝土滲透性增加，降低其強(qiáng)度、質(zhì)量、耐久性的一種危害性極大的侵蝕性破壞[9-10]。隧道結(jié)構(gòu)因受地下水、雨水中硫酸根離子侵蝕而發(fā)生破壞的現(xiàn)象屢見不鮮，因此混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性是評(píng)價(jià)隧道混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)之一。

混凝土抗硫酸鹽抗侵蝕性評(píng)價(jià)采取干濕循環(huán)后試件抗壓強(qiáng)度與同齡期未受侵蝕試件的抗壓強(qiáng)度比值來進(jìn)行評(píng)判。試驗(yàn)中選取了N1、N3、N4、N6、N8五組試件進(jìn)行抗硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)，得到的抗硫酸腐蝕試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 抗硫酸腐蝕和抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

表3試驗(yàn)結(jié)果表明，濕噴混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力：基準(zhǔn)≈單摻礦粉<單摻粉煤灰<復(fù)摻礦物摻合料，養(yǎng)生條件對(duì)混凝土抗硫酸鹽腐蝕有一定影響，復(fù)摻礦物摻合料混凝土在自然養(yǎng)生時(shí)的抗硫酸鹽腐蝕能力比灑水養(yǎng)生的差，總的來看，濕噴混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力較差。

濕噴混凝土密實(shí)度較差一些，其抗硫酸腐蝕能力要弱一些。此外，膠凝材料中摻入多種礦物摻合料，可減少混凝土界面中氫氧化鈣生成物，從而降低混凝土硫酸鹽腐蝕程度，提高了混凝土的抗腐蝕能力。

3.2.3 快速凍融試驗(yàn)

混凝土長(zhǎng)期受水侵蝕，在低溫環(huán)境中其內(nèi)部孔隙水會(huì)結(jié)冰使體積膨脹，當(dāng)膨脹應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)會(huì)使混凝土脹裂，進(jìn)而降低其使用性能[11]，因此抗凍性是評(píng)價(jià)高寒地區(qū)隧道混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要指標(biāo)之一。

文中采用超聲波縱波速度來計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)的相對(duì)動(dòng)彈性模量，當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈性模量值低于60%時(shí)，凍融試驗(yàn)結(jié)束，此時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)就是抗凍性指數(shù)。選取N1、N3、N4、N6、N8五組配合比進(jìn)行抗凍試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：摻入礦物摻合料后混凝土的抗凍性會(huì)降低，且隨著摻入種類和摻量的增多混凝土抗凍性呈下降趨勢(shì)?；鶞?zhǔn)混凝土的抗凍性能最優(yōu)，凍融次數(shù)能達(dá)到175次；單摻礦物摻合料混凝土次之，復(fù)摻礦物摻合料混凝土抗凍性能最差；復(fù)摻礦物摻合料時(shí)，灑水養(yǎng)生混凝土的抗凍性要優(yōu)于自然養(yǎng)生；自然養(yǎng)生下的混凝土抗凍能力最差，僅能承受25次凍融循環(huán)，說明濕噴混凝土在施作后進(jìn)行灑水養(yǎng)生是非常有必要的。造成復(fù)合膠凝材混凝土抗凍性下降的原因：其一由于膠凝材各組分材料脹縮系數(shù)不同所致；其二摻入礦物摻合料后混凝土內(nèi)部孔隙減少，水泥石微觀結(jié)構(gòu)得到改善，滲透系數(shù)降低，在凍融條件下混凝土內(nèi)部水分遷移困難，水泥石承受凍脹壓力增大，加劇了混凝土的破壞。

3.3 濕噴混凝土綜合性能比較

根據(jù)濕噴混凝土力學(xué)性能及耐久性能試驗(yàn)結(jié)果，可以得出濕噴混凝土綜合性能評(píng)價(jià)結(jié)果，如表4所示。

表4 濕噴混凝土綜合性能評(píng)價(jià)

由表4可以看出，復(fù)摻配合比的綜合性能是最平衡的，不僅能達(dá)到混凝土的力學(xué)性能要求，電通量及抗硫酸鹽腐蝕能力上也較好，只有抗凍能力較差。復(fù)摻礦物摻合料混凝土優(yōu)于單摻礦物摻合料混凝土，單摻粉煤灰或礦粉混凝土綜合性能優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土，但單摻礦粉混凝土綜合性能較差。同時(shí)作為濕噴混凝土，摻入礦物摻合料導(dǎo)致早期強(qiáng)度過低也是一個(gè)需要考慮的問題。另外，此次試驗(yàn)也說明了濕噴混凝土進(jìn)行灑水自然養(yǎng)生是很有必要的，但濕噴混凝土不同于模筑混凝土，有必要對(duì)其養(yǎng)生方式進(jìn)行更多地研究，以便選擇一種能更好適應(yīng)濕噴混凝土的養(yǎng)生方式。

4 結(jié)論

(1)高品質(zhì)礦物摻合料摻入混凝土中，提高了混凝土的綜合性能，復(fù)摻礦粉、粉煤灰混凝土綜合性能最好，單摻礦粉或粉煤灰混凝土的綜合性能略差，但優(yōu)于純水泥混凝土。

(2)在濕噴混凝土中添加礦物摻合料后，初期強(qiáng)度普遍較低，此問題在實(shí)際工程需要解決。

(3)在礦物摻合料中加入纖維素纖維，混凝土力學(xué)性能降低，說明纖維素纖維對(duì)濕噴混凝土具有負(fù)面影響，后續(xù)需要進(jìn)行更深入的研究。

(4)養(yǎng)生條件對(duì)濕噴凝土性能有很大影響，自然養(yǎng)生下N8混凝土比灑水養(yǎng)生下N6混凝土28 d抗壓強(qiáng)度下降了36%，由此可見，實(shí)際工程中濕噴混凝土需進(jìn)行必要灑水養(yǎng)生。