早高強(qiáng)噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能研究

文/張立波 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司工程試驗(yàn)分公司 廣東廣州 511458

1、概述

噴射混凝土是隧道開挖初期支護(hù)的重要組成部分，在初期支護(hù)中起著重要的作用。噴射混凝土施工速度快，與圍巖密貼，柔性好，有良好的物理力學(xué)性能。[1]目前對(duì)噴射混凝土早期強(qiáng)度的研究一般局限于噴射混凝土1～3d齡期強(qiáng)度的發(fā)展，而很少有人對(duì)噴射混凝土24h以內(nèi)甚至12h內(nèi)強(qiáng)度發(fā)展展開研究，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)噴射混凝土早期強(qiáng)度的做出要求的最短時(shí)間是24h，

對(duì)于噴射混凝土24h以內(nèi)齡期的抗壓強(qiáng)度，并沒標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有做出規(guī)定。

巖爆是一種應(yīng)變能釋放引發(fā)巖體發(fā)生破壞的一種地質(zhì)災(zāi)害。多發(fā)生在埋藏深、整體、干燥和地質(zhì)堅(jiān)硬的巖層中。在隧道開挖時(shí)圍巖形成新的臨空面，初始應(yīng)力由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)，并在開挖壁面上局部應(yīng)力集中，若局部應(yīng)力達(dá)到某一臨界應(yīng)力時(shí)，巖爆就會(huì)發(fā)生[2]。隧道開挖過程中巖爆的發(fā)生不僅嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，加大了施工成本，還帶來了巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。普通的噴射混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢，不能很好的起到及時(shí)封閉圍巖并提供足夠的支撐力的作用，因此研制一種早期強(qiáng)度高的噴射混凝土很有必要。

2、早高強(qiáng)噴射混凝土用原材料的選定

噴射混凝土由砂、石、水泥、水、纖維、外加劑等材料拌合而成，其早強(qiáng)、高強(qiáng)的特性與原材料的性能存在直接、密切的聯(lián)系。本研究選用硫鋁酸鹽水泥代替常用的通用硅酸鹽水泥，并摻加適量的鋼纖維。

（1）水泥：與普通的噴射混凝土不同，配制的早高強(qiáng)噴射混凝土選用42.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥，水泥的性能符合《硫鋁酸鹽水泥》GB 20472-2006的規(guī)定，凝結(jié)時(shí)間指標(biāo)按規(guī)范規(guī)定可以要求水泥廠家根據(jù)工程施工需求做出調(diào)整；對(duì)比試驗(yàn)用水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥各項(xiàng)指標(biāo)符合《通用硅酸鹽水泥》GB 175-2007的規(guī)定。

（2）細(xì)骨料：細(xì)骨料應(yīng)選用級(jí)配合理、質(zhì)地堅(jiān)固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然中粗河砂，也可選用專門機(jī)組生產(chǎn)的人工砂。細(xì)度模數(shù)應(yīng)大于2.5，河砂含泥量不大于3%。本研究所采用的細(xì)骨料為專門機(jī)組生產(chǎn)的機(jī)制砂，母材為花崗巖。

（3）粗骨料：粗骨料應(yīng)選用級(jí)配合理、粒形良好、質(zhì)地堅(jiān)固的潔凈碎石，最大粒徑不宜大于16mm，含泥量不應(yīng)大于1%。本研究所用粗骨料為專門機(jī)組生產(chǎn)的5mm～10mm碎石，母材為花崗巖。

（4）鋼纖維：鋼纖維宜采用普通碳素鋼制成，常用鋼纖維的彈性模量為200GPa，抗拉強(qiáng)度為380～1300MPa，極限延伸率3%～30%。本研究采用西安萬達(dá)工程材料有限公司生產(chǎn)的波浪型鋼纖維。

（5）外加劑：外加劑應(yīng)選用質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，外加劑與水泥之間應(yīng)具有良好的相容性。當(dāng)不同功能的外加劑復(fù)合使用時(shí)，外加劑之間以及外加劑與水泥之間應(yīng)有良好的適應(yīng)性。減水劑采用山西桑穆斯建材化工有限公司生產(chǎn)的SMS聚羧酸鹽高性能減水劑，速凝劑采用山西桑穆斯建材化工有限公司生產(chǎn)的RC-4型液體速凝劑。

3、早高強(qiáng)度噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 鋼纖維最佳摻量的確定

混凝土中鋼纖維的體積率一般在0.5%～1.5之間，體積率過小，其增強(qiáng)作用較差。鋼纖維體積率過大時(shí)，易造成鋼纖維結(jié)團(tuán)、混凝土施工困難，質(zhì)量難以保證。經(jīng)過室內(nèi)試拌觀察，當(dāng)每方混凝土鋼纖維體積率為0.7%，即每方混凝土鋼纖維摻量為55kg時(shí)，混凝土拌和物工作性能較好，鋼纖維不易結(jié)團(tuán)，有利于噴射混凝土施工。

3.2 配合比設(shè)計(jì)方案

早高強(qiáng)噴射混凝土的配合比設(shè)計(jì)與普通噴射混凝土的步驟一致，應(yīng)符合《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法》（JGJ55），本試驗(yàn)選定噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30。為研究硫鋁酸鹽水泥及鋼纖維在早高強(qiáng)噴射混凝土力學(xué)性能中發(fā)揮的作用，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三組配合比，材料用量見表1。其中，早高強(qiáng)噴射混凝土配合比編號(hào)為A-1；普通硅酸鹽水泥配制的鋼纖維噴射混凝土是在配合比A-1原材料用量不變的情況下用同標(biāo)號(hào)的硅酸鹽水泥（P.O 42.5）取代硫鋁酸鹽水泥，配合比編號(hào)為A-2；硫鋁酸鹽水泥配制的素噴射混凝土是在配合比A-1基礎(chǔ)上，去掉了鋼纖維，編號(hào)為A-3。考慮到鋼纖維的摻入及不同水泥與減水劑的相容性不一樣，導(dǎo)致不同配合比方案混凝土的流動(dòng)性有偏差，本研究通過調(diào)整減水劑摻量來調(diào)整混凝土的坍落度。

表1 不同配合比方案單方材料用量表

4、早高強(qiáng)噴射混凝土力學(xué)性能研究

4.1 抗壓性能

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）進(jìn)行試驗(yàn)，試件尺寸為150mm×l50mm×150mm，根據(jù)混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)情況分別采用WE-300B型YE-2000C型液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)試件接近破壞而開始迅速變形時(shí)，停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門，直至試件破壞。三組噴射混凝土立方體各齡期抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表2。

表2 噴射混凝土立方體抗壓試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）普通硅酸鹽水泥配制的噴射混凝土早期抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，特別是10h齡期內(nèi)，抗壓強(qiáng)度不及硫鋁酸鹽水泥配制噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的20%。

（2)硫鋁酸鹽水泥配制的噴射混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快，10h強(qiáng)度可以達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的50%，能及時(shí)為圍巖提供支撐，從而抑制巖爆的發(fā)生。

（3）鋼纖維的摻入對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的提高沒有明顯的作用，但增大了混凝土壓縮破壞時(shí)的延性，混凝土試件在破壞過程中沒有出現(xiàn)崩碎和強(qiáng)度突然降低，而是在達(dá)到峰值后強(qiáng)度逐漸降低，使混凝上表現(xiàn)出延性破壞的性質(zhì)。摻加鋼纖維的噴射混凝土試件破壞后，完整性比素混凝土好。

4.2 抗劈拉性能

通過對(duì)比摻加鋼纖維的早高強(qiáng)度噴射混凝土（配合比方案A-1）與不摻鋼纖維的素噴射混凝土（配合比方案A-3）的抗劈拉強(qiáng)度，分析鋼纖維對(duì)噴射混凝土抗拉性能方面發(fā)揮的作用。經(jīng)試驗(yàn)兩個(gè)配合比方案混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）摻加鋼纖維可以明顯提高噴射混凝土的抗劈拉強(qiáng)度，提高幅度在21%～26%，可以較好的改善噴射混凝土的抗拉性能。

（2）不摻鋼纖維混凝土試件劈拉崩裂時(shí)，應(yīng)力迅速下降，繼續(xù)加力會(huì)使試件劈開為兩半。摻加鋼纖維的混凝土試件，應(yīng)力下降的速率較慢，試驗(yàn)完成后試件的完整性較好。這說明鋼纖維混凝土破壞開裂時(shí)，由于鋼纖維的“橋聯(lián)”作用，仍能承受一部分應(yīng)力，使得混凝土的脆性降低，韌性增加。

（3）鋼纖維的摻入能提高噴射混凝土的拉壓比，有效改善噴射混凝土的脆性，提高噴射混凝土的韌性，進(jìn)而提高其抗沖擊與抗疲勞等性能。

結(jié)論：

通過使用硫鋁酸鹽水泥代替常用的通用硅酸鹽水泥并摻加鋼纖維設(shè)計(jì)出早期強(qiáng)度高的C30早高強(qiáng)噴射混凝土，分析了影響早高強(qiáng)噴射混凝土抗壓性能及抗拉性能的因素，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，得出主要結(jié)論如下：

（1）硫鋁酸鹽水泥水化速度快，早期強(qiáng)度高，可以大幅度提高噴射混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。

（2）摻入鋼纖維可以提高噴射混凝土的抗拉性能，提高混凝土的韌性，降低其脆性。

（3）早高強(qiáng)噴射混凝土早期強(qiáng)度高，可以達(dá)到3h抗壓強(qiáng)度達(dá)到5MPa，5h抗壓強(qiáng)度達(dá)到8MPa，10h抗壓強(qiáng)度達(dá)到15MPa的設(shè)計(jì)目標(biāo)，其早期強(qiáng)度的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的噴射混凝土。

（4）早高強(qiáng)噴射混凝土由于具有較高的早期抗壓強(qiáng)度及抗劈裂強(qiáng)度，在抑制隧道輕中度巖爆方面可以發(fā)揮明顯的作用。

[1]陳宇.隧道高強(qiáng)噴射混凝土試驗(yàn)研究.山西建筑.20138(33):139-141

[2]官曉琳.淺析隧道施工過程中巖爆現(xiàn)象的產(chǎn)生原因及治理措施.成鐵科技.2015，4:21-22