液體速凝劑在鐵路隧道噴射混凝土中的應用研究

楊富民，孫成曉，仇 鵬，張 雯，何軍利，閆俊潔，李 晨

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京 102206)

液體速凝劑在鐵路隧道噴射混凝土中的應用研究

楊富民1，孫成曉2，仇 鵬1，張 雯1，何軍利2，閆俊潔2，李 晨2

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京 102206)

為研究無堿液體速凝劑和堿性液體速凝劑對噴射混凝土抗壓強度和耐久性能的影響，對摻加兩種速凝劑的噴射混凝土試件進行了抗壓強度、體積穩定性和快速凍融試驗。試驗結果表明:摻加無堿液體速凝劑可大幅度提高噴射混凝土28 d抗壓強度，保有率達到106.8%，而摻加堿性液體速凝劑的混凝土28 d抗壓強度比僅為57.5%;摻加無堿液體速凝劑的噴射混凝土試件在各齡期的收縮率均小于摻加堿性液體速凝劑的混凝土試件;摻加無堿液體速凝劑可有效提高噴射混凝土的抗凍性能，混凝土試件經受300次凍融循環未破壞，而摻加堿性液體速凝劑的混凝土試件在進行凍融循環125次時已完全破壞。

無堿液體速凝劑 噴射混凝土 抗壓強度 耐久性能

速凝劑是一種能促進混凝土迅速凝結硬化的外加劑，是噴射混凝土重要的組成材料。近年來，無堿速凝劑成為速凝劑研究的新方向。根據歐洲噴射混凝土規范(《European Specification for Sprayed Concrete Guidelines》)對速凝劑的定義，Na2O含量不超過1%的速凝劑為無堿速凝劑，其余為堿性速凝劑。摻加無堿速凝劑的噴射混凝土具有后期抗壓強度保有率高、耐久性好和安全環保等優勢，在國外隧道工程中得到了廣泛應用。而我國現行標準《噴射混凝土用速凝劑》并未給出無堿速凝劑的明確定義及性能要求，因此，國內無堿速凝劑應用案例較少。

目前，我國鐵路隧道噴射混凝土用液體速凝劑多以鋁酸鹽、硅酸鹽類堿性速凝劑為主。中國鐵道科學研究院選取目前施工中使用的20種液體速凝劑進行勻質性檢測，速凝劑總堿含量均在10%～20%，pH值接近14，屬強堿性。該類速凝劑具有摻量小、凝結時間快等優點，但是在水泥水化過程中引入了大量堿性物質，導致混凝土后期強度損失嚴重，耐久性下降，且對施工人員的眼睛和皮膚有腐蝕性傷害。

針對上述問題，采用無堿液體速凝劑與堿性液體速凝劑進行同條件對比試驗，研究兩種液體速凝劑對噴射混凝土抗壓強度、體積穩定性及抗凍性能的影響規律，為無堿速凝劑在高速鐵路隧道初期支護的推廣應用提供依據。

1 工程背景

壁板坡隧道為滬昆客專第一長隧道，全長14 756 m，最大埋深735 m，為低瓦斯隧道。沿線地形起伏大，地層繁多，巖性繁雜，斷裂構造發育，可溶巖地層分布廣泛。主要不良地質和特殊地質有:滑坡、崩塌、危巖落石、巖堆、高地震烈度、高地應力、軟土等。

2 原材料

水泥為云南遠東 P.O 42.5水泥，比表面積 344 m2/kg，28 d抗壓強度51.3 MPa;粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，需水量比100%，燒失量4.23%;細骨料為機制砂，石粉含量6.5%，細度模數3.4，泥塊含量0.2%，壓碎指標19%;粗骨料為5～10 mm單粒級配碎石，含泥量0.7%，石粉含量5.6%，表觀密度2 670 kg/m3;水為普通自來水，符合《混凝土拌合用水標準》(JGJ 63—89)要求;減水劑為聚羧酸減水劑，減水率26%，含氣量2.9%;速凝劑分兩種:①TK-S無堿液體速凝劑，②JVS堿性液體速凝劑。兩種速凝劑性能指標如表1所示。

3 試驗設計

選取TK-S無堿液體速凝劑和JVS堿性液體速凝

劑兩種速凝劑，進行同條件對比試驗，并選取了基準混凝土作為對照，研究兩種速凝劑對噴射混凝土抗壓強度、體積穩定性和抗凍性能的影響規律。噴射混凝土強度等級為C25，混凝土配合比如表2所示。

表2 C25噴射混凝土配合比 kg/m3

4 試驗方法

4.1 試件成型方法

試件制備采用噴板法，噴射設備采用中鐵巖峰成都科技有限公司生產的TK600A型濕噴機，噴射工藝采用濕噴，成型后的混凝土試件經一段養護時間后進行切磨處理，具體方法依據《錨桿噴射混凝土支護技術規范》。成型的噴射混凝土板及測試試件如圖1所示。

圖1 噴射混凝土板及測試試件

4.2 抗壓強度試驗

混凝土抗壓強度試驗采用100 mm×100 mm× 100 mm的標準試件，測試方法依據《普通混凝土力學性能試驗方法》(GB/T 50081)關于抗壓強度試驗的規定。

4.3 體積穩定性試驗

混凝土體積穩定性試驗采用100 mm×100 mm× 515 mm標準試件，測試方法依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》關于干縮試驗的規定。

4.4 抗凍性能試驗

混凝土抗凍性能試驗采用100 mm×100 mm× 400 mm標準試件，試驗方法依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》關于快凍法的規定。

5 試驗結果及分析

5.1 抗壓強度試驗

分別對噴射混凝土試件進行3 h，12 h，1 d，3 d，7 d，28 d，56 d和90 d共8個養護齡期的抗壓強度測試。各組噴射混凝土抗壓強度與齡期的關系如圖2所示。

圖2 各組噴射混凝土抗壓強度與齡期關系

從圖2可以看出:

1)相同條件下，TK-S無堿液體速凝劑對混凝土抗壓強度的增加效果優于JVS堿性液體速凝劑。

2)摻加TK-S無堿液體速凝劑的噴射混凝土1 d抗壓強度為10.5 MPa;28 d抗壓強度為39.0 MPa，為基準混凝土抗壓強度的106.8%。而摻加JVS堿性液體速凝劑的噴射混凝土1 d抗壓強度為9.5 MPa;28 d抗壓強度為21.0 MPa，僅為基準混凝土的57.5%，后期強度損失嚴重。

3)隨著養護齡期的增長，3組混凝土抗壓強度均有不同程度增長，摻加TK-S無堿液體速凝劑的噴射混凝土抗壓強度高于基準混凝土，并有增長的趨勢。基準混凝土和摻加JVS堿性液體速凝劑的噴射混凝土抗壓強度趨于穩定，并且摻加JVS堿性液體速凝劑的噴射混凝土抗壓強度低于基準混凝土。

由此可見，摻加 TK-S無堿液體速凝劑的噴射混凝土滿足1 d抗壓強度不低于10 MPa的要求，并且28 d抗壓強度不損失，甚至有所提高。因此，TK-S無堿液體速凝劑對噴射混凝土抗壓強度的提高明顯優于JVS堿性液體速凝劑。

5.2 體積穩定性試驗

由于干燥收縮引起的開裂是混凝土材料最常見的病害之一，混凝土開裂會加速有害物質的侵入，加速鋼筋銹蝕，最終導致混凝土結構破壞。噴射混凝土由于

砂率高、骨料粒徑小、膠凝材料用量大，再加上摻加速凝劑，其收縮尤為嚴重。混凝土體積穩定性通常用試件軸向相對長度的變化率來表征。分別對噴射混凝土試件進行1，3，7，14，28，56和90 d共7個養護齡期的收縮率測試。體積穩定性試驗結果如圖3所示。

圖3 各組噴射混凝土收縮率與齡期的關系

從圖3可以看出:

1)在混凝土養護早期(3 d)，摻加速凝劑的噴射混凝土收縮率均大于基準混凝土，這是由于加入速凝劑后，加速水泥水化反應速率，引起化學收縮率增大，此時，收縮率:JVS＞TK-S＞基準混凝土。

2)隨著養護齡期的延長，基準混凝土收縮率逐漸增大，超過摻加速凝劑的兩組混凝土收縮率，此時，收縮率:基準混凝土＞JVS＞TK-S。

3)在整個試驗過程中，摻加JVS堿性液體速凝劑的噴射混凝土收縮率均大于摻加TK-S無堿液體速凝劑噴射混凝土。

從本次試驗結果來看，速凝劑可減小噴射混凝土收縮率，并且摻加無堿液體速凝劑的噴射混凝土收縮率小于摻加堿性液體速凝劑的噴射混凝土。

5.3 抗凍性能試驗

混凝土抗凍性能是混凝土耐久性的一項重要指標。本試驗采用快速凍融法對基準混凝土及摻加TKS和JVS液體速凝劑的混凝土進行凍融試驗，試驗結果如圖4所示。可以看出:

1)隨著凍融次數的增加，混凝土相對動彈性模量逐漸降低，質量損失逐漸增加。

2)摻加TK-S無堿液體速凝劑的混凝土相對動彈性模量均大于基準混凝土，質量損失小于基準混凝土;而摻加JVS堿性液體速凝劑的混凝土相對動彈性模量均小于基準混凝土，質量損失大于基準混凝土。

3)摻加 TK-S無堿液體速凝劑的混凝土在凍融300次后，相對動彈性模量為 94.3%，質量損失為0.82%;而摻加JVS堿性液體速凝劑的混凝土在凍融125次后，相對動彈性模量降低至57.5%，質量損失達到2.5%，出現凍融破壞。

圖4 噴射混凝土凍融試驗結果

由此可見，摻加 TK-S無堿液體速凝劑能夠略微提高混凝土的抗凍性能，而摻加JVS堿性液體速凝劑大大降低了混凝土的抗凍性能。摻加無堿液體速凝劑的混凝土抗凍性能明顯優于摻加堿性液體速凝劑的混凝土。

6 結論

1)摻加TK-S無堿液體速凝劑的噴射混凝土滿足1 d抗壓強度不低于10 MPa的要求，并且28 d抗壓強度不損失，甚至有所提高。因此，TK-S無堿液體速凝劑對噴射混凝土抗壓強度的提高明顯優于JVS堿性液體速凝劑。

2)從本次試驗結果來看，速凝劑可減小噴射混凝土收縮率，并且摻加TK-S無堿液體速凝劑的噴射混凝土收縮率小于摻加JVS堿性液體速凝劑的噴射混凝土收縮率。

3)摻加 TK-S無堿液體速凝劑的混凝土在凍融300次后，相對動彈性模量為 94.3%，質量損失為0.82%，摻加TK-S無堿液體速凝劑能夠略微提高混凝土的抗凍性能;而摻加JVS堿性液體速凝劑則大大降低了混凝土的抗凍性能。

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Study on application of liquid accelerating agent in shotcrete of railway tunnels

YANG Fumin1，SUN Chengxiao2，QIU Peng1，ZHANG Wen1，HE Junli2，YAN Junjie2，LI Chen2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Beijing Tieke Shougang Track Technology Co.，Ltd.，Beijing 102206，China)

T he paper conducts experimental study on the compressive strength，volume stability and freezing resistance of the two shotcrete samples with different accelerating agents，aiming to unveil the influence of alkali-free liquid accelerating agent and alkaline liquid accelerating agent to the compressive strength and durability of shotcrete.T he results show that within a matter of 28 d alkali-free liquid accelerating agent largely improves the compressive strength of the sample，as the retention rate raises to 106.8%，while the other sample only displays a compressive strength of 57.5%.At the same time，it is noticed that the alkali-free sample falls behind the alkaline sample in terms of contraction rate at every stage of the experiment.T he alkali-free liquid accelerating agent elevates the freezing resistance of the shotcrete by a large margin，which manages to withstand 300 freeze-thaw cycles，while the other sample fails at cycle 125.

Alkali-free liquid accelerating agent;Shotcrete;Compressive strength;Durability

U214.1+8

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.22

(責任審編 周彥彥)

2015-01-12;

:2015-03-19

中國鐵道科學研究院基金項目(2013YJ026)

楊富民(1976— )，男，黑龍江佳木斯人，副研究員，碩士。

1003-1995(2015)09-0074-04