隧道高滲透區初支用噴射混凝土性能研究

王 恒

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

隧道修建過程中為防止新鑿隧道面的掉塊和坍塌，通常采用噴射混凝土穩定新建隧道界面，噴射混凝土凝結硬化時間短，噴射過程無須模板支撐即可達到成型效果，操作簡便，而且加固效果良好。滲水是隧道噴射混凝土施工面臨的主要難題，初噴混凝土在滲透作用下，某些組分損失嚴重、回彈率較高?；趪娚浠炷量節B性能要求，國內外學者展開了研究與討論：孫學志[1]提出混凝土澆筑過程中添加涂料可以將抗滲等級提高到P12；喬匡義[2]提出摻加纖維改性混凝土的抗滲等級；張俊儒[3]指出噴射混凝土易受地下水的影響；祝云華[4]提出鋼纖維的摻加降低了C30 噴射混凝土的最大滲水深度和滲透系數。除抗滲性能外，回彈率也制約著噴射混凝土的推廣應用。本研究立足于重慶軌道土建5標，旨在解決施工過程中因地下水豐富造成初支噴射混凝土回彈率較大的問題。

1 試驗設計

1.1 原材料來源

水泥：華新水泥有限責任公司生產的P.O 42.5 低堿水泥；集料：粗細集料均由重慶市江津區楊家灣砂石廠提供，細集料細度模數2.5、含泥量0.8%，粗集料選用5～10 mm碎石，含泥量0.3%；減水劑、速凝劑：江蘇蘇博特材料股份有限公司提供；三乙醇胺：分析純；膠粉：北京萬吉建業建材有限公司提供的108濃縮膠粉型噴漿拉毛膠。

1.2 試驗方法

1.2.1 拌合物性能測試

(1)噴射混凝土回彈率試驗依據《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GB50086)。

(2)混凝土抗壓強度測試依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/50081-2019)。

(3)混凝土電通量、抗滲等級、氯離子擴散系數測試依據《普通混凝土長期性和耐久性試驗方法標準》(GB/50082-2019)。

1.2.2 噴射混凝土配比

依據設計要求，初支噴射混凝土設計強度等級為C25，回彈率≤15%，電通量≤1500 C，抗滲等級P10。三乙醇胺摻量超出水泥0.06%時，不利于混凝土后期強度發展，因此本研究選取三乙醇胺的摻量為0.03%和0.06%，膠粉摻量為1%、2%、3%。分析混凝土性能，具體配合比設計見表1。

2 結果與分析

2.1 回彈率分析

噴射混凝土回彈率是指攪拌均勻的混凝土噴射到圍巖上時，不能及時凝結并與圍巖固結成整體結構，致使部分混凝土掉落，掉落量與已噴射混凝土量的比值為回彈率?；貜椔士刂频年P鍵是混凝土的凝結特性和粘結力特性。不同類型噴射混凝土的回彈率變化趨勢如圖1所示，從圖中可以得出：①對比C-0、C-1、C-2不同三乙醇胺摻量回彈率變化趨勢可知，C-1、C-2的回彈率分別為C-0回彈率的98.25%和94.26%，即隨著三乙醇胺摻量的增加，噴射混凝土的回彈率隨之降低。由此可以說明，噴射混凝土中適量三乙醇胺的摻加有利于降低混凝土的回彈率。②分析對比膠粉摻量為0、1%、2%、3%(配比為C-0、C-3、C-4、C-5)時噴射混凝土回彈率的變化值，C-3、C-4、C-5的回彈率分別為C-0回彈率的99.23%、96.79%、106.83%，即膠粉摻量在1%～3%時，噴射混凝土回彈率隨著膠粉摻入增加，先降低后增加，因此控制膠粉的摻入量有利于控制噴射混凝土的回彈率。③分析三乙醇胺摻量0.03%下膠粉摻量1%、2%、3%(配合比為C-6、C-7、C-8)時回彈率的變化，回彈率分別為C-0時的96.03%、92.26%、98.32%，即回彈率呈現先減小后增大趨勢。④當三乙醇胺摻量0.06%，膠粉摻量1%、2%、3% (C-9、C-10、C-11)時，回彈率分別為C-0回彈率的92.26%、88.92%、93.94%，其發展趨勢與C-6、C-7、C-8等同，即先減小后增大。

表1 噴射混凝土配合比 kg/m3

圖1 噴射混凝土回彈率發展

適量三乙醇胺的摻加，降低了噴射混凝土的回彈率，由此證實了噴射混凝土施工過程中摻加三乙醇胺提高了混凝土水化凝結性能或與新鑿圍巖面的粘結強度。究其主要原因[5]：三乙醇胺是一種弱堿性有機溶劑，常常作為助磨劑應用于水泥生產中，其自身具有較強的絡合性促進水泥早期水化反應，因此適量三乙醇胺的摻加加快了噴射混凝土的水化凝結性能，回彈率因此降低。膠粉易溶于水且具有較強的分散性，對比C-3、C-4、C-5配合比，回彈率呈現先減后增趨勢，即與新鑿圍巖面的粘結性能先增后減，摻量為2%時，回彈率最低，即此時的粘結力最大。究其主要原因：108濃縮型膠粉屬于親水性聚合物，摻入混凝土中與水泥懸浮液相共同向混凝土基體孔隙及毛細管內滲透，膠粉聚合物在孔隙及毛細管內成膜并吸附于基體表面，成膜的聚合物形成次級粘附復合體，以橋鍵和有孔聚合物膜的形式分布在混凝土與圍巖基體之間吸收和傳遞能量，從而提高了與圍巖基體間的粘結強度。三乙醇胺和膠粉雙重組分摻量下回彈率值均低于單摻三乙醇胺和膠粉組分，對比C-6～C-11可知，回彈率最低配合比為C-10(三乙醇胺摻量0.06%、膠粉摻量2%)，即三乙醇胺和膠粉的相互作用、相互促進，提高水泥早期凝結硬化的同時增強混凝土與圍巖基體間的粘結性能，最終降低噴射混凝土的回彈率。

2.2 力學性能分析

強度發展是衡量混凝土結構服役過程中耐久性的關鍵，依據設計要求，重慶軌道土建5標初支噴射混凝土強度等級為C25。不同配合比混凝土強度發展趨勢如圖2所示，分析可知：①同齡期下對比C-0、C-1、C-2不同三乙醇胺摻量強度發展趨勢，抗壓強度隨著三乙醇胺摻量的增加而增加，齡期1～7 d強度的增長速率高于28～90 d速率，90 d時三者強度差別不大，即三乙醇胺的摻入有利于水泥早期水化。②對比C-0、C-3、C-4、C-5 相同齡期下不同膠粉摻量強度發展變化，隨著膠粉摻入量的增大，強度呈遞減趨勢。齡期90 d時，相較于C-0，C-3、C-4、C-5強度分別為97.15%、95.74%、94.19%。③對比C-6、C-7、C-8 (三乙醇胺摻量為0.03%，膠粉摻量為1%、2%、3% )的混凝土抗壓強度，同齡期下強度發展呈先增后減趨勢，膠粉摻入量為2%時，強度發展達到最大值；齡期90 d時，C-6、C-7、C-8強度分別為C-0的100.29%、102.07%、98.22%。④對比三乙醇胺摻量為0.06%，膠粉摻量為1%、2%、3% 下(配合比C-9、C-10、C-11)強度發展，同齡期下強度發展亦呈先增后減趨勢(等同C-6、C-7、C-8變化)，強度分別為C-0混凝土強度的102.18%、108.44%、99.41%；⑤C-6、C-7、C-8和 C-9、C-10、C-11 90 d強度較C-0的變化量均高于C-1、C-2和C-3、C-4、C-5，即雙摻三乙醇胺、膠粉的混凝土強度變化趨勢均高于單摻三乙醇胺和膠粉混凝土強度，證實雙摻效果優于單摻效果。

圖2 噴射混凝土強度發展

三乙醇胺摻入有利于水泥早期水化從而提高強度，其主要原因[5]：三乙醇胺作為一種弱堿性有機溶劑，其組成結構中 N 原子上未共用電子對，易與水泥水化漿體中Ca2+、K2+和Na2+形成共價鍵，生成絡合物沉積在水泥顆粒表面，加速水泥中的 C3A 和 C4AF 快速溶解、加速其與石膏的反應速度，水泥水化早期強度主要取決于C3A水化性能，三乙醇胺的摻加增強了C3A溶解速率，因此混凝土早期強度得以提升。對比不同膠粉摻量下噴射混凝土強度發展規律，隨著膠粉摻量的增加，強度呈下降趨勢，主要原因：膠粉摻量的增加有利于增大水泥砂漿的流動度，具有極強的分散性[6]，有利于排開參與水泥水化的水分子，使參與水泥水化反應的有效水增多，一定程度上增大了水膠比；加之膠粉屬于有機粉體，與混凝土之間的親和力較弱，摻加后導致結構的疏松性增強，最終致使強度下降。雙摻三乙醇胺與膠粉下強度均高于單摻組分，對比C-6～C-11可知，高強度配合比為C-10(三乙醇胺摻量0.06%、膠粉摻量2%)，三乙醇胺加快了C3A的溶解速度，同時膠粉的摻加為C3A進一步水化反應提供有效水，二者相互促進、發展，最終提高混凝土強度。

2.3 耐久性分析

綜合噴射混凝土回彈率和強度發展趨勢可得，雙摻三乙醇胺和膠粉配比的性能均優于單摻三乙醇胺或膠粉，基于此耐久性分析討論了未摻三乙醇胺和膠粉配合比(C-0)、三乙醇胺最佳摻量配合比(C-2)、膠粉最佳摻量組分(C-4)、三乙醇胺和膠粉最佳摻量配合比(C-10)四種配合比電通量值、氯離子擴散系數、抗滲等級發展趨勢，具體結果見表2。C-0、C-2、C-4、C-10電通量值均低于1 500 C，滿足設計要求，其發展規律為C-4>C-0>C-2>C-10，即其抗滲透能力C-4C-2>C-0>C-4，因此得出雙摻性能優于單摻三乙醇胺性能、優于單摻膠粉性能。對比C-0、C-2、C-4、C-10配合比氯離子擴散系數發展歸規律，氯離子擴散系數均低于7.0×10-12m2/s，符合設計要求，其發展趨勢等同電通量變化趨勢，即C-4>C-0>C-2>C-10，其抵抗氯離子擴散性能、斷面微結構致密程度趨勢發展均為C-10>C-2>C-0>C-4。依據設計要求，噴射混凝土的抗滲等級不低于P10，對比C-0、C-2、C-4、C1-0抗滲等級發展規律，C-4配合比已不滿足于設計要求，C-10抗滲能力高于C-2、高于C-0，即雙摻組分的抗滲性最優。

表2 電通量值、氯離子擴散系數、抗滲等級發展規律

3 工程應用

綜合上述C-0～C-11配合比下噴射混凝土回彈率、力學性能以及耐久性能分析，得出C-10配合比為噴射混凝土的最佳配比。目前C-10配合比已應用于重慶軌道土建5標隧道初支加固結構，其早期回彈率及后期噴射混凝土耐久性均滿足現場施工要求。