外摻硅灰等活性材料在低溫噴射混凝土和鋼管拱壓注混凝土中的應(yīng)用研究

王才高 馬常青

（中鐵五局集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410007）

1 前言

硅灰外觀為灰色或灰白色粉末，是在冶煉硅鐵合金和工業(yè)硅時產(chǎn)生的SiO2和Si氣體與空氣中的氧氣迅速氧化并冷凝而形成的一種超細(xì)硅質(zhì)粉體材料，又叫微硅粉或二氧化硅超細(xì)粉。挪威、瑞典等國最早回收并利用了硅灰，我國建筑行業(yè)在“十二五”期間大量研究使用高性能混凝土，通過摻入硅粉、礦碴、粉煤灰等活性材料來改善混凝土強(qiáng)度和耐久性。硅灰的超細(xì)性使其能夠進(jìn)入水泥顆粒間孔隙予以充填，同時與水化產(chǎn)物或堿性材料氧化鎂反應(yīng)生成凝膠體。混凝土中摻入適量的硅灰，能夠有效防止發(fā)生混凝土堿骨料反應(yīng)、防止發(fā)生離析和泌水危害，降低成本的同時能夠顯著提高抗壓、抗折、抗?jié)B、抗沖擊、防腐及耐磨性和耐久性能，大幅延長混凝土的使用壽命。

2 工程概況

蒙華鐵路MHTJ-15標(biāo)正線全長46.2km，橋隧占比78%，其中黃柏嶺隧道全長7.4km，為I級鐵路雙線隧道，設(shè)有橫洞和斜井輔助施工，是標(biāo)段內(nèi)重難點和控制性工程；洛河大橋全長313.74m，主跨為220m上承式鋼管混凝土拱橋，雙線提藍(lán)拱結(jié)構(gòu)，鋼管拱內(nèi)采用C50補(bǔ)償收縮混凝土，總方量3206m3。標(biāo)段工程位于洛陽市洛寧縣及三門峽市盧氏縣境內(nèi)，平均海拔高度1500m，沿線山勢起伏大，一些橋隧地處溝谷峭壁處，施工條件差。

3 低溫噴射混凝土和鋼管拱壓注混凝土施工難點

管段內(nèi)黃柏嶺隧道、廟坪隧道等隧址區(qū)具大陸性季風(fēng)氣候特點，季節(jié)變化明顯，每年11月至第二年2月溫度偏低（1955年1月極端最低溫-19.1℃），日照時數(shù)少，無霜期短，一些地段山高谷深，“一山有四季，十里不同天”。隧道穿越微凍地區(qū)，存在危害，進(jìn)口100米、出口50m范圍內(nèi)防排水設(shè)計采用抗凍防護(hù)措施。項目于2015年8月份開工不久即進(jìn)入冬季，氣溫下降大，從11月開始?xì)鉁亟档?7℃～6℃。此階段隧道或在進(jìn)行高陡邊坡刷坡進(jìn)洞作業(yè)、或開始進(jìn)入斜井、橫洞施工，作業(yè)環(huán)境溫度偏低，存在噴射混凝土粘附性不強(qiáng)、回彈率高，噴射面不夠平順、強(qiáng)度增長緩慢等問題。

洛河大橋跨度大，施工場地狹窄，因位于西子湖水利風(fēng)景區(qū)和一級水源地，環(huán)保施工要求嚴(yán)，無法修筑施工便道和采用水上運輸，只能采用2×150T纜索吊裝、斜拉扣掛法施工，拱座和鋼管拱拼裝完成后直到2017年9月底才得以壓注拱肋混凝土。其泵送頂升施工要求采用自密實微膨脹混凝土，使之達(dá)到強(qiáng)度高、流動性大、不離析、不泌水、體積穩(wěn)定。自密實混凝土配制的難點在于高流態(tài)化與泌水離析的矛盾，必須確保混凝土和易性、增強(qiáng)可泵性和抗?jié)B性，有效提高耐久性。

4 施工應(yīng)對方案及工藝研究

4.1 現(xiàn)狀分析

噴射混凝土初期支護(hù)是隧道和邊坡開挖后穩(wěn)定巖體的一種重要手段，目前因濕噴法具有工藝簡單、造價經(jīng)濟(jì)、效應(yīng)獨特等優(yōu)點而被廣泛采用。但低溫氣候條件下噴射混凝土存在以下難點：氣溫低時輸水管及噴頭注水易凍結(jié)，無法噴射；噴射到巖壁上難以凝固，出現(xiàn)成片脫落現(xiàn)象；因圍巖面冷，所噴混凝土粘不上，易受凍害等。

鋼管混凝土被稱為土木工程中的第五大結(jié)構(gòu)體系，其塑性和韌性好，承載能力高，抗震性能強(qiáng)，施工方便快捷，具有較好的環(huán)保效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。對鋼管混凝土材料性能的一般要求：1）高強(qiáng)、早強(qiáng)，3d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的80%；2）良好的可泵性和自密實性，新拌混凝土的坍落度≥200mm，擴(kuò)展度≥600mm；3）良好的抗分離性；4）足夠的膨脹性能。

鋼管拱內(nèi)壓注C50補(bǔ)償收縮混凝土，強(qiáng)度等級高，根據(jù)鋼管混凝土施工特點，還要求具有收縮補(bǔ)償、低氣泡、大流動性、免振自密、緩凝時間長、早強(qiáng)等性能。鋼管混凝土要求具有較大的膨脹變形，既能夠補(bǔ)償混凝土的收縮又能在鋼管的約束作用下產(chǎn)生較大的自應(yīng)力，因此膨脹性能不同于普通的補(bǔ)償收縮混凝土，配制難度較大。

4.2 解決方案

1）降低負(fù)溫施工影響，當(dāng)外界氣溫低于5℃時在拌合混凝土地點搭設(shè)保溫棚，對砂石料和速凝劑預(yù)先加熱，熱水拌制混凝土，并選用利于低溫條件下早期強(qiáng)度增長的混凝土原材料及配合比。

2）在洞口段采用外摻硅灰的濕噴鋼纖維配筋混凝土，解決低溫噴射混凝土的難點，提高噴射混凝土強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，在保證質(zhì)量同時縮短圍巖暴露時間，減少氣溫的影響。

3）在邊坡支護(hù)中采用干噴硅灰混凝土，解決水出現(xiàn)冷凝的問題，而且用硅灰替代部分水泥，提高噴混凝土的強(qiáng)度和粘著能力，改善噴砼的密實度，提高其抗化學(xué)侵蝕和機(jī)械的破壞作用，有效減小回彈，及時、順利進(jìn)行支護(hù)。

4）在混凝土中加入適量早強(qiáng)劑、減水劑，以改善混凝土的性能，同時提高早期強(qiáng)度，降低等強(qiáng)時間，加快施工進(jìn)度。

5）利用粉煤灰的減水效應(yīng)和硅灰的微集料效應(yīng)，在膠結(jié)料中摻入適當(dāng)比例的粉煤灰和硅灰來提高漿體的黏性，粗骨料受重力、浮力和砂漿黏性共同作用保持受力平衡，從而防止拌合物離析。同時加入硅灰、粉煤灰等摻和料后還可降低混凝土的水化熱，減慢水化反應(yīng)的速度，增加混凝土的密實減少收縮，提高混凝土的抗?jié)B抗凍等性能，減少結(jié)構(gòu)的維修養(yǎng)護(hù)。

6）在膠凝材料中加入摻量10%的硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑，減少壓注混凝土的體積收縮。加入摻量5%的粘度改性材料，利用它里面的內(nèi)養(yǎng)護(hù)成分，在密閉環(huán)境下提供一定的自由水給膨脹劑，提高膨脹劑的膨脹性能；還可以在一定程度上把混凝土里面的氣泡鎖定，而不至于形成氣泡膜；并有效提高混凝土的和易性（主要是流動性、粘聚性），防止混凝土從山頂流動到拱座過程中產(chǎn)生離析。

4.3 施工工藝研究

4.3.1 硅灰鋼纖維性能分析及在噴射混凝土中的應(yīng)用

硅灰是近幾年發(fā)展起來的一種混凝土外加劑，摻入冷凝硅灰可提高混凝土強(qiáng)度及明顯降低滲透性，其抗凍性也得到很大的改善。在干噴法中加入硅灰（漿體或干粉），可以大大降低粉塵的發(fā)展，干噴法的回彈也可減小到濕噴法的水平。

鋼纖維配筋混凝土是摻入一定數(shù)量鋼纖維的混凝土，由于鋼纖維具有阻裂增強(qiáng)作用，從而對混凝土的抗裂性能、抗震性能、抗折性能、抗剝落效果以及韌性、斷裂性能都有了顯著的增加，加入鋼纖維配筋的混凝土與素噴混凝土相比其力學(xué)性能明顯改善。

1）加入鋼纖維、硅灰的混凝土有關(guān)性能關(guān)系見圖1～圖4所示。

圖1 纖維含量和噴混凝土抗壓強(qiáng)度

圖2 加硅灰后纖維含量和噴混凝土抗壓強(qiáng)度

圖3 纖維含量與抗凍性

從上圖可知：混凝土強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加急劇增長。加入冷凝硅灰的混凝土早期強(qiáng)度增長慢而后期強(qiáng)度增長快，且強(qiáng)度值較高。摻用堿性速凝劑的混凝土其抗凍性低于100次循環(huán)，不摻速凝劑時高于600次，而用無堿速凝劑（如鋁酸鹽類）與冷凝硅灰同摻時，試件能承受1000次以上的凍融循環(huán)考驗。未摻冷凝硅灰而只含鋼纖維的試件，在經(jīng)受1000次以上的凍融循環(huán)后仍能保持不變。而且據(jù)有關(guān)資料顯示，摻有冷凝硅灰和鋼纖維的噴混凝土在水壓達(dá)到7bars前，實際上是不透水的，與素噴混凝土相比透水性降低到原來的1/4～1/11，這無疑有利于低溫特殊環(huán)境下的隧道設(shè)計與施工。

圖4 凍融穩(wěn)定性

2）強(qiáng)度試驗對比

鋼纖維混凝土在工程中的應(yīng)用效果已眾所周知，工藝成熟。硅灰（漿體或干粉）在國內(nèi)外一些工程施工中也得到了較好應(yīng)用，部分試驗結(jié)果參見表1、表2。

表1 摻與不摻硅灰的噴混凝土的強(qiáng)度比較

表2 不同試驗中摻與不摻硅灰漿的干噴法的回彈率

從試驗結(jié)果可看出，摻加硅灰后混凝土強(qiáng)度增長較快，回彈率明顯降低。

3）在黃柏嶺隧道等洞口段冬期低溫環(huán)境下噴混凝土配合比及強(qiáng)度檢測情況見表3。

4.3.2 硅灰等活性材料在鋼管拱C50自密實混凝土中的應(yīng)用

表3 C25濕噴混凝土配合比及強(qiáng)度檢測結(jié)果（kg/m3）

1）洛河大橋鋼管拱設(shè)計有上下弦管8根、上下平聯(lián)4個、腹板8個，拱內(nèi)混凝土分8個批次壓注，每輪次的壓注時間1天，等強(qiáng)時間約5天，共持續(xù)48天。大橋立面圖及鋼管拱混凝土澆筑順序見圖5所示。

圖5 洛河大橋立面圖及鋼管混凝土澆筑順序示意圖

2）配制自密實混凝土

解決好拌和物高流態(tài)與易離析泌水的矛盾是配制自密實混凝土的技術(shù)關(guān)鍵，應(yīng)確保拌和物具有較低的屈服剪切應(yīng)力和一定的塑性粘度，并且應(yīng)選用低硫酸鈉低引氣的高效減水劑來配制高強(qiáng)、早強(qiáng)混凝土。

（1）通過優(yōu)選原材料、低堿水泥和具緩凝、保塑、增粘等多種功能的復(fù)合外加劑來解決高強(qiáng)度、大流動度、易泌水三者之間的矛盾。砂子采用中粗砂，細(xì)度模 數(shù)2.8～3.0，粗骨料以16mm～31.5mm碎石和5mm～20mm潔凈卵石摻配使用，實現(xiàn)良好級配，降低空隙率，同時利于提高混凝土拌和物的和易性；采用P.O42.5R低堿水泥、I級粉煤灰、膨脹劑、高效減水劑、粘度改性材料，適當(dāng)增大砂率和膠凝材料總用量，達(dá)到最佳水灰比與骨漿比。

（2）為保證鋼管混凝土的力學(xué)性能優(yōu)良，選定混凝土配合比拌制目標(biāo)為：①拌和物坍落度：210mm～240mm，擴(kuò)張度：600mm～700mm；緩凝時間達(dá)18h以上。②拌和物90min經(jīng)時損失：塌落度大于200mm，塌落擴(kuò)張度大于600mm。③混凝土拌和物標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及同條件養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度全部達(dá)到C50以上。

（3）根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，硅灰用量不宜超過6%，否則會使?jié){液的黏性過大，影響拱內(nèi)混凝土的流動性和自密實性能，粉煤灰超量亦會影響其早強(qiáng)性能。依據(jù)國內(nèi)大量工程自密實混凝土配制經(jīng)驗，結(jié)合混凝土設(shè)計規(guī)范要求，粉煤灰摻量宜占膠凝材料的25～30%，硅灰摻量宜占膠凝材料的3～6%。經(jīng)反復(fù)試驗，最終施工時根據(jù)實際情況在表4范圍內(nèi)優(yōu)選配合比。

（4）試驗室模擬現(xiàn)場澆筑條件，按養(yǎng)護(hù)溫度20℃±2℃、95%以上相對濕度，測試了該配合比混凝土在免振搗和插搗時的試塊強(qiáng)度和按配合比配制的自密實混凝土自由膨脹率，見表5。

表4 C50自密實混凝土配合比（kg/m3）

表5 混凝土強(qiáng)度及自由膨脹率

從表5看出，自密實混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計和規(guī)范要求，28天強(qiáng)度超過50MPa、自由膨脹率超過5×10-4，滿足鋼管混凝土的相關(guān)性能要求，實現(xiàn)了混凝土強(qiáng)度與膨脹率同步發(fā)展，既保證了混凝土與鋼管緊密接觸又對鋼管施加了足夠大的預(yù)應(yīng)力，提高了拱結(jié)構(gòu)整體受力穩(wěn)定性。

3）其它注意事項

（1）自密實混凝土配制強(qiáng)度不低于設(shè)計強(qiáng)度。增大膠凝材料用量，減小水膠比作用，水灰比不宜大于0.45，以保證混凝土和易性。

（2）為保證鋼管內(nèi)混凝土的密實性，減小混凝土收縮系數(shù)和孔隙率，配合比摻入膨脹劑，其限制膨脹率不低于 2.5×10-4。

（3）硅灰摻量一般不宜大于6%，硅灰混凝土攪拌時間應(yīng)比普通混凝土延長30S。對抗?jié)B混凝土，內(nèi)摻硅粉后，約增加用水量20%，強(qiáng)度不變。

（4）混凝土壓注宜選擇在氣溫合適時進(jìn)行，以免坍落度的損失給壓注作業(yè)造成困難，并防止突然升、降溫給澆筑質(zhì)量帶來不利影響。壓注、養(yǎng)護(hù)時拱內(nèi)外溫差不宜超過5～10℃。施工時應(yīng)備好土工布、水管等，并派專人測量拱肋表面溫度，如溫度過高時在拱肋表面覆蓋土工布并澆水降溫。混凝土終凝后2～4小時，需對混凝土采用淋水保濕或覆蓋保濕養(yǎng)護(hù)14天以上。

5 結(jié) 語

外摻硅灰、鋼纖維混凝土與降低負(fù)溫施工影響的系列措施有機(jī)配合，互相促進(jìn)，互為補(bǔ)充。在寒冷氣溫下隧道洞口高陡邊坡開挖和洞內(nèi)支護(hù)作業(yè)中進(jìn)行了試驗探索，隧道初期支護(hù)、邊坡支護(hù)混凝土噴射作業(yè)順利，與圍巖粘附能力提高，回彈率明顯降低，表觀平順良好，密實性好，強(qiáng)度增長較快，達(dá)到了及時支護(hù)且內(nèi)實外美效果。

鋼管拱自密實混凝土的配制，摻入適量活性材料，優(yōu)化了水泥、骨料、粉煤灰、硅灰等用量和粒度組合，拌合物和易性良好，達(dá)到了比振實混凝土更密實的效果。混凝土配制后通過配套的管理措施，保障了連續(xù)壓注，防止了冷接縫的產(chǎn)生，經(jīng)人工敲擊與超聲波無損探傷檢測，鋼管拱肋、平聯(lián)板、腹板、斜撐內(nèi)混凝土密實無空隙，混凝土強(qiáng)度合格，拱肋軸線和高程符合設(shè)計和規(guī)范要求，鋼管拱混凝土施工質(zhì)量優(yōu)良，為后期拱上建筑施工奠定了良好基礎(chǔ)。