軟巖隧道早強(qiáng)型噴射混凝土外加劑配方試驗(yàn)研究

（中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

噴射混凝土的硬化速率對(duì)隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形具有一定的影響，尤其在軟弱圍巖中，早強(qiáng)型噴射混凝土可有效減少初支的變形，保障隧道的施工安全，同時(shí)可減小預(yù)留變形量的設(shè)置，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。一般而言，混凝土材料的彈性模量與混凝土強(qiáng)度之間呈正相關(guān)關(guān)系，目前通常采用添加速凝劑的方法來提高噴射混凝土的早期強(qiáng)度，但速凝劑的摻量對(duì)噴射混凝土后期強(qiáng)度折損影響很大，因此研究既能提高噴射混凝土早期強(qiáng)度又能保證其后期強(qiáng)度的添加劑配方，對(duì)軟弱圍巖隧道支護(hù)具有重要意義。

2 噴射混凝土硬化機(jī)理及早強(qiáng)影響因素

2.1 混凝土硬化機(jī)理

普通硅酸鹽水泥的主要化學(xué)成分有：硅酸三鈣，硅酸二鈣，鋁酸三鈣，鐵鋁酸四鈣，二水硫酸鈣。水泥在常溫下反應(yīng)生成的兩種水化產(chǎn)物，一類是結(jié)晶較差、尺寸較小的水化硅酸鈣剛性纖維凝膠（C-S-H 凝膠），這是水泥石的主要強(qiáng)度來源；另一種是結(jié)晶相對(duì)完整、晶粒比較大的Ca（OH）2、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣等。

2.2 早強(qiáng)型噴射混凝土影響因素分析

為了加快水泥的水化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)噴射混凝土的早強(qiáng)，目前常規(guī)的做法是在混凝土拌合料內(nèi)加入促進(jìn)水泥水化的外加劑，常用的有速凝劑、減水劑、早強(qiáng)劑、活性粉末等，盡管作用機(jī)理有所差異，但其本質(zhì)都是降低水與水泥熟料顆粒表面的接觸張力，加速鈣礬石、C-S-H 凝膠等水化產(chǎn)物的生成，達(dá)到快速凝結(jié)和硬化的目的。由于試驗(yàn)無法考慮每個(gè)影響因素對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度的影響，故文章主要選取速凝劑、減水劑、有機(jī)物類早強(qiáng)劑、無機(jī)鹽類早強(qiáng)劑及活性粉末硅灰，研究各因素對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響。

3 早強(qiáng)型噴射混凝土外加劑配方試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

水泥（普通硅酸鹽水泥P.O 42.5）、速凝劑（噴射混凝土用速凝劑）、有機(jī)物類早強(qiáng)劑（三乙醇胺）、無機(jī)鹽類早強(qiáng)劑（硫酸鐵，AR 級(jí)）、減水劑（聚羧酸鹽高效減水劑）、硅粉（一級(jí)硅灰）、細(xì)骨料（普通機(jī)砂，細(xì)度模數(shù)2.7）及粗骨料（5～10mm 連續(xù)級(jí)配碎石）。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

由于試驗(yàn)影響因素較多，對(duì)每一個(gè)影響因素進(jìn)行分析會(huì)增加試驗(yàn)的工作量。因此，本文首先確定速凝劑和減水劑的摻量，對(duì)噴射混凝土試驗(yàn)的基準(zhǔn)配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三乙醇胺、硫酸鐵及硅灰三因素的正交試驗(yàn)。

3.3 噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)C25 噴射混凝土混合料配合比設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定，確定噴射混凝土配合比如表1。

表1 試驗(yàn)噴射混凝土基準(zhǔn)配合比 （單位：kg/m3）

3.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在確定噴射混凝土基準(zhǔn)配合比及減水劑和速凝劑的摻量時(shí)，正交試驗(yàn)影響因素選擇：A 三乙醇胺、B 硫酸鐵、C 硅灰。具體因素水平表如表2。

表2 因素水平表

根據(jù)上述分析，正交試驗(yàn)為三因素三水平正交試驗(yàn)，即L9（33），正交試驗(yàn)表如表3 所示。

表3 正交試驗(yàn)表

4 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 空白組試驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)置兩組空白組試驗(yàn)，空白組1 為不添加任何外加劑的試驗(yàn)組，空白組2 為僅添加速凝劑和減水劑的試驗(yàn)組，各齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表4 所示。由表4 可知，空白組2 的1d 強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，速凝劑導(dǎo)致的28d 強(qiáng)度折損為75.22%。滿足C25 強(qiáng)度要求，驗(yàn)證配合比設(shè)計(jì)的正確性。

表4 空白組試驗(yàn)結(jié)果 （單位：MPa)

4.2 早期強(qiáng)度結(jié)果分析

對(duì)噴射混凝土早期強(qiáng)度進(jìn)行分析，齡期分別為4h、8h、12h、1d，正交試驗(yàn)各組各齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)如表5。

表5 早期強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 （單位：MPa）

從表5 數(shù)據(jù)可知，9 組試驗(yàn)的各齡期強(qiáng)度和空白組2 的對(duì)應(yīng)強(qiáng)度相比，基本全面提高，說明早強(qiáng)組分的種類選擇和添加范圍基本無誤。由于試驗(yàn)?zāi)康闹饕茄芯繃娚浠炷猎缙趶?qiáng)度的提升，故接下來主要針對(duì)正交試驗(yàn)組的早期強(qiáng)度（4h，8h，12h，1d）進(jìn)行極差分析。因數(shù)據(jù)較多，不一一羅列，各因素對(duì)噴射混凝土早期強(qiáng)度的影響變化規(guī)律如圖1。對(duì)噴射混凝土早期強(qiáng)度極差分析可知：①B 因素對(duì)早期強(qiáng)度的影響較小，可知在體系中引入確實(shí)可以通過快速形成鈣礬石而獲得較高的早期強(qiáng)度，但后續(xù)強(qiáng)度的增長(zhǎng)能力有限；②在4h 和8h 的強(qiáng)度測(cè)試中，C 因素比A 因素?fù)碛懈匾臎Q定性作用，而在12h 和1d 的強(qiáng)度測(cè)試中則是相反的結(jié)果，但兩者極差并不大。從選取的水平來看，A 因素選擇2 水平是比較理想的摻量選擇；③在4h 和8h 時(shí)1%摻量的硅灰可以有效提高噴混的早期強(qiáng)度。但在12h 和24h 時(shí)，硅灰的摻入效果顯著性下降。

4.3 后期強(qiáng)度結(jié)果分析

圖1 各因素在早期強(qiáng)度中的影響趨勢(shì)線

圖2 各因素在后期強(qiáng)度中的影響趨勢(shì)線

對(duì)正交試驗(yàn)組后期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（3d，7d，28d）進(jìn)行分析，通過分析統(tǒng)計(jì)，9 組試驗(yàn)的后期強(qiáng)度和基本全面高于空白組2，說明早強(qiáng)組分的種類選擇和添加范圍并沒有對(duì)該配方下的后期強(qiáng)度造成減縮。對(duì)后期強(qiáng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，各因素對(duì)噴射混凝土后期強(qiáng)度（重點(diǎn)考慮28d 強(qiáng)度）的影響變化規(guī)律如圖2 所示。

對(duì)噴射混凝土早期強(qiáng)度極差分析可知：①因素A 對(duì)噴射混凝土28d 強(qiáng)度具有一定的影響，選擇2 水平可有效保證28d 強(qiáng)度；②因素B 選擇1水平即可保證噴射混凝土后期強(qiáng)度，且各齡期強(qiáng)度隨摻量增加而相應(yīng)減小；③因素C 對(duì)噴射混凝土后期強(qiáng)度影響較大，尤其對(duì)28d 強(qiáng)度的影響，隨著硅灰摻量的增加，后期強(qiáng)度具有明顯的提升。

5 結(jié)語

文章根據(jù)正交試驗(yàn)原理，對(duì)噴射混凝土外加劑配方進(jìn)行正交試驗(yàn)，主要結(jié)論如下。

因素A（TEA）對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在早期強(qiáng)度，對(duì)后期強(qiáng)度影響不大，選擇2 水平（0.04%的摻量）比較理想。

B 因素（硫酸鐵）的添加可使得噴射混凝土獲得較高的早期強(qiáng)度，但其強(qiáng)度是隨著摻量的增加而衰減，選擇1 水平（0.5%）比較理想。

C 因素（硅灰）對(duì)后期的強(qiáng)度有大幅的提升，在條件允許的情況下，可以適量添加硅灰。

結(jié)合上述分析結(jié)果來看，A2B1C3 是較為理想的配方選擇。