低溫條件下提高噴射混凝土性能的方法研究

丁衛(wèi)軍，王 晨，韓 濤，荀 晗

（陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710032）

1 工程概況

宗灣子至陳子溝二級(jí)公路工程共1座隧道，為大吉溝隧道。隧道起點(diǎn)位于吳起縣榆樹坪村西，穿越黃土梁，終點(diǎn)位于東樹灣村，設(shè)計(jì)為單洞隧道，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為雙向兩車道。隧道起止樁號(hào)K0+604～K1+520，總長916m，屬中隧道。大吉溝隧道最小平曲線半徑為600m，進(jìn)口縱坡為2.8%、出口縱坡為2.8%。隧道圍巖分級(jí)為V級(jí)，該隧道位于直線段，從進(jìn)口單口掘進(jìn)。所處隧址區(qū)屬于黃土臺(tái)塬梁峁地貌，多屬于Ⅴ級(jí)圍巖。

噴射混凝土是利用壓縮空氣做動(dòng)力，將一定比例的拌和料，通過高壓管道輸送并以高速噴射到受噴面上凝結(jié)硬化而成。噴射混凝土的噴嘴噴出速度達(dá)到50～80m/s，依靠高速噴射時(shí)水泥與集料的反復(fù)連續(xù)撞擊壓密混凝土。由于采用較小的水灰比（0.4～0.5），噴射混凝土能與巖石、磚石、鋼材等有很高的黏結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)與鋼筋網(wǎng)聯(lián)合使用可很好地在結(jié)合面上傳遞拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，具有較高的力學(xué)性能和良好的耐久性，能大幅度地提高隧道承載力，加強(qiáng)隧道整體性。

2 噴射混凝土的性能研究

關(guān)于噴射混凝土方面的研究已歷時(shí)百年有余，1914年美國最先將噴射水泥砂漿應(yīng)用于礦山當(dāng)中，1948～1953年新奧法（NATM）作為一種主要支護(hù)手段被廣泛用于世界各地的地下工程。我國在20世紀(jì)50年代引入并自行試驗(yàn)應(yīng)用噴射混凝土技術(shù)，迅速得到推廣和發(fā)展。噴射混凝土因其施工方式的特殊性，對(duì)混凝土的凝結(jié)時(shí)間提出了較高要求，噴射物需在足夠短的時(shí)間內(nèi)快速凝結(jié)失去流動(dòng)性，同時(shí)具備一定的黏聚力，避免因流動(dòng)性過大或者黏聚力不足造成的滑移和墜落。因此，噴射混凝土施工時(shí)需要引入速凝劑來確保噴射混凝土的快速凝結(jié)。速凝劑作為一種不可缺少的添加劑，直接影響噴射混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能。速凝劑的摻量并不是越多越好，而是存在一個(gè)最佳范圍，混凝土的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均對(duì)速凝劑摻量具有顯著敏感性。因此，在進(jìn)行噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參照廠家給出的推薦摻量并結(jié)合具體用途進(jìn)行試配，避免因摻量過少引起的工作性能和早期強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)和因摻量過多對(duì)后期力學(xué)性能的不利影響，對(duì)速凝劑的最佳摻量進(jìn)行研究勢(shì)在必行。

2.1 主要研究內(nèi)容

（1）新拌噴射混凝土黏聚特性。新拌噴射混凝土的黏聚特性是表征其工作性能的有效參數(shù)，與混合料的“可噴性”、噴射后與受噴面的黏結(jié)能力、回彈量密切相關(guān)。本項(xiàng)目借助合作單位長安大學(xué)所開發(fā)的設(shè)備進(jìn)行新拌噴射混凝土的黏聚特性測(cè)試，分析溫度、速凝劑摻量兩大因素對(duì)其黏聚特性的影響。首先，對(duì)比分析不同加載速率平行試驗(yàn)的變異系數(shù)，確定黏聚力試驗(yàn)的最佳試驗(yàn)條件；然后，通過萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同溫度、不同速凝劑摻量的新拌噴射混凝土進(jìn)行加載測(cè)試，分析相應(yīng)條件下的噴射混凝土體系黏聚特性。

（2）噴射混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及預(yù)估模型。噴射混凝土的強(qiáng)度是除工作性能外的另一重要控制參數(shù)，是判斷施工質(zhì)量是否合格的直接指標(biāo)。噴射混凝土的強(qiáng)度形成與混合料的組成、齡期、養(yǎng)護(hù)條件等因素均有密切關(guān)系。本項(xiàng)目針對(duì)強(qiáng)度特性重點(diǎn)開展了以下兩個(gè)方面的研究：①通過單因素控制研究溫度和速凝劑摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，以確認(rèn)二者對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的形成是否存在交互作用，以及不同條件下速凝劑的最佳摻量；②通過不同養(yǎng)護(hù)條件的控制分析噴射混凝土強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展規(guī)律，結(jié)合前述研究結(jié)果探索噴射混凝土強(qiáng)度構(gòu)成機(jī)制及形成機(jī)理，建立噴射混凝土強(qiáng)度預(yù)估模型。

（3）低溫條件下噴射混凝土性能改善。基于內(nèi)聚力試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究SAP摻量、額外引水量、聚丙烯纖維摻量對(duì)噴射混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能的影響規(guī)律。通過對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行“歸一化”處理，提出了適用于低溫環(huán)境下的噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證得出該復(fù)合材料在不影響工作性能的基礎(chǔ)上可以大幅增強(qiáng)后期性能并具備一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 新制噴射混凝土黏聚特性研究

（1）新制噴射混凝土黏聚特性影響因素研究。噴射混凝土因其施工要求，在極短時(shí)間內(nèi)能夠快速凝結(jié)硬化，速凝劑必不可少。速凝劑可與膠凝材料反應(yīng)加速水泥的極早期水化，形成膠凝結(jié)構(gòu)進(jìn)而增加噴射混凝土的黏聚力使之不至于發(fā)生流動(dòng)、滑落。然而各個(gè)廠家生產(chǎn)的速凝劑都存在最佳摻量，較少的摻量不能滿足噴射混凝土的工作性能要求，而過多的速凝劑不僅會(huì)增大經(jīng)濟(jì)成本，還可能造成噴射混凝土后期性能的下降。

（2）試驗(yàn)方案。試驗(yàn)溫度分別選取5℃、10℃、15℃、20℃、25℃五個(gè)溫度，速凝劑的摻量分別選取0%、3%、6%、9%四個(gè)不同摻量。配合比同上述研究所述一致，每次配置4 L混凝土用于填裝測(cè)試儀。配置混凝土?xí)r的溫度依據(jù)室內(nèi)溫度計(jì)選擇合適時(shí)間進(jìn)行新制噴射混凝土的制備，同時(shí)為保證試驗(yàn)過程中溫度的準(zhǔn)確性，控制環(huán)境箱溫度為相應(yīng)溫度。試驗(yàn)加載速率根據(jù)上述研究分析各組變異性系數(shù)選定10 mm/min。

3 噴射混凝土的強(qiáng)度構(gòu)成

3.1 噴射混凝土強(qiáng)度增長特性研究

噴射混凝土的強(qiáng)度依賴于水泥強(qiáng)度的形成，而水泥強(qiáng)度的形成離不開水泥的水化過程，水泥加適量的水拌和后，水泥的各個(gè)組分別開始溶解并產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間很長的復(fù)雜物理與化學(xué)變化，隨著反應(yīng)的不斷發(fā)生，散狀的水泥在水的作用下逐漸變化成為具有一定黏結(jié)和流動(dòng)性能的可塑性漿體，此時(shí)可稱之為水泥漿，此后水化繼續(xù)進(jìn)行，流動(dòng)性能不斷下降，黏結(jié)性能不斷加強(qiáng)，最后凝結(jié)硬化成為具有一定強(qiáng)度的石狀體。C3S、C2S、C3A、C4AF作為水泥熟料中的主要礦物組成成分，其對(duì)水泥強(qiáng)度形成的重要性不言而喻，這四種礦物成分在水泥水化過程中發(fā)生的反應(yīng)及對(duì)水泥強(qiáng)度的影響已有不少學(xué)者研究。其中C3S水化較快，是產(chǎn)生水泥強(qiáng)度的主力軍，是水泥水化產(chǎn)生強(qiáng)度最重要的礦物；C2S水化較慢，主要影響水泥的后期強(qiáng)度；C3A水化反應(yīng)最快，放熱最多，是水泥水化反應(yīng)的急先鋒，主要影響水泥的凝結(jié)速率，但產(chǎn)生的強(qiáng)度并不高；C4AF水化速度和水化熱均較快，主要影響水泥的抗折強(qiáng)度及耐磨性能。

3.2 抗壓強(qiáng)度

外界的溫度條件直接影響水泥混凝土的水化速率，從而影響水泥混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。根據(jù)陜北地區(qū)隧道施工特點(diǎn)，在固定速凝劑摻量為0%和6%情況下，設(shè)計(jì)溫度為5℃、10℃、15℃、20℃、25℃成型試件，分別進(jìn)行不同齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析不同溫度下混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。

4 低溫條件下噴射混凝土性能改善研究

4.1 材料的選擇及技術(shù)性質(zhì)

噴射混凝土由于其特殊性，對(duì)工作性能和長期性能均有較高要求。工作性能方面主要指噴射物應(yīng)具有良好的黏聚性，防止噴射混凝土與構(gòu)造面的黏聚力不足或者噴射混凝土自身內(nèi)部的黏聚力不足造成的脫落，避免回彈率過高造成的經(jīng)濟(jì)成本浪費(fèi)。長期性能主要指噴射混凝土作為隧道開挖初期支護(hù)的主要承擔(dān)者，具備長期良好的承載能力，是隧道施工及使用安全的重要保證，故應(yīng)具有良好的力學(xué)性能，并且應(yīng)避免因自身的收縮開裂等病害造成力學(xué)性能下降等問題。

然而，我國多數(shù)高寒地區(qū)滿足具備良好施工條件的作業(yè)周期短，不可避免地要求在不良環(huán)境下進(jìn)行施工。上述研究中提到溫度是影響水泥凝結(jié)時(shí)間以及噴射混凝土強(qiáng)度形成的重要因素，相對(duì)較低的溫度并不能保證施工以及養(yǎng)護(hù)的順利進(jìn)行。為了確保噴射混凝土的黏聚性，施工方往往會(huì)提高速凝劑的摻量，但相對(duì)高的速凝劑摻量又會(huì)影響到噴射混凝土硬化后的長期性能。加之低溫對(duì)水泥水化速率的影響，更是導(dǎo)致噴射混凝土的長期性能得不到較好的提升。

為了使噴射混凝土在低溫施工及養(yǎng)護(hù)過程中始終具備良好的性能，可以選擇增加部分膠凝材料的用量，并引入減水劑等材料以確保其長期性能。但往往在提高強(qiáng)度的同時(shí)伴隨有高收縮現(xiàn)象，相對(duì)較高的濕度可以有效地減緩混凝土的收縮，濕度也在一定程度上影響了水泥的水化和混凝土強(qiáng)度的形成，可以通過引入增加濕度的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料來確保濕度。同時(shí)引入纖維也可以有效提高混凝土的強(qiáng)度，延緩收縮開裂。

4.2 超吸水樹脂

超吸水樹脂（SAP）具有很強(qiáng)的吸水能力，往往能夠吸收是自身質(zhì)量的幾百倍的水。但是在不同離子濃度的混凝土拌和物中的吸水能力不同，僅憑經(jīng)驗(yàn)往往無法準(zhǔn)確地判斷SAP的額外引水量。

聚丙烯纖維以聚丙烯為原料，經(jīng)加工處理后得到高強(qiáng)度束狀單絲有機(jī)纖維，易于分散，該纖維具有極其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，不與混凝土中其他材料發(fā)生反應(yīng)，僅發(fā)揮其物理性質(zhì)，可有效地減少高強(qiáng)混凝土的收縮及裂縫，抑制裂縫的形成和發(fā)展，從而大幅度改善噴射混凝土的抗收縮抗裂性能。

5 低溫噴射混凝土力學(xué)性能改善及分析

低溫會(huì)影響膠凝材料的水化，為了克服低溫帶來的不利影響，可以采用增加膠凝材料用量或者摻入減水劑等方法，同時(shí)為了抑制收縮開裂摻入SAP及聚丙烯纖維。但強(qiáng)度仍是混凝土最重要的指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制過程中必須嚴(yán)加把控的首要因素，不能以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)。當(dāng)前關(guān)于SAP對(duì)混凝土強(qiáng)度的作用仍存在爭(zhēng)議：部分學(xué)者認(rèn)為摻入SAP會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度；部分學(xué)者認(rèn)為摻入SAP不但不會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度還會(huì)使強(qiáng)度得以提升；還存在部分學(xué)者認(rèn)為當(dāng)摻入的SAP適量時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度有所增長。

在此基礎(chǔ)上，綜合上述研究噴射混凝土配合比對(duì)陜北地區(qū)隧道初期支護(hù)邊坡進(jìn)行試噴。利用鋼尺測(cè)量一次噴射所能達(dá)到的最大厚度，以掉落質(zhì)量表征回彈率。將現(xiàn)場(chǎng)噴射大板移至室內(nèi)養(yǎng)生1d后，切割成邊長為100mm的立方體試件，并測(cè)定其養(yǎng)生1d、28d后的抗壓強(qiáng)度。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目以噴射混凝土為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了溫度和速凝劑交互作用下噴射混凝土黏聚特性和強(qiáng)度特性的發(fā)展規(guī)律。以低溫施工為目的、以保濕、增韌為出發(fā)點(diǎn)，提出SAP及聚丙烯纖維對(duì)低溫條件下的噴射混凝土性能具有改善作用并加以研究，提出了適用于低溫施工時(shí)噴射混凝土的材料組成。