新型超微外加劑在大斷面隧道機(jī)械化施工中的應(yīng)用

陳擁軍

（中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司 河北涿州 072750）

1 引言

噴射混凝土作為新奧法施工的關(guān)鍵技術(shù)之一，能有效控制開挖圍巖的穩(wěn)定，與錨桿一起組成柔性支護(hù)，與圍巖密貼，保持圍巖的自承能力［1］。因噴射混凝土外加劑的使用直接影響混凝土質(zhì)量，所以通過調(diào)整外加劑對混凝土性能進(jìn)行改良［2］。超微外加劑通過各種成分增強(qiáng)噴射混凝土的施工和使用性能。

針對隧道初支噴射混凝土引用外加劑改良性能問題，國內(nèi)許多專家學(xué)者做了大量工作。如潘志華、向新、劉晨等［3-5］對混凝土外加劑促凝機(jī)理進(jìn)行研究，著重原理。羅亮江、廖明輝、唐明等［6-8］對采用外加劑結(jié)合工程應(yīng)用進(jìn)行研究，著重應(yīng)用效果。江濤、李杰明等［9-11］對不同外加劑的適用性進(jìn)行研究，著重適應(yīng)融合。

以往的相關(guān)研究多數(shù)集中于對噴射混凝土外加劑機(jī)理、效果、適用性進(jìn)行研究，應(yīng)用效果和適用性未結(jié)合關(guān)于大型機(jī)械化施工條件下隧道軟弱圍巖大斷面初期支護(hù)施工進(jìn)行試驗(yàn)研究。

本文通過在軟弱圍巖大斷面施工條件下，噴射混凝土采用傳統(tǒng)外加劑和新型超微外加劑兩種情況下，多個角度對比工程試驗(yàn)效果并進(jìn)行分析。該新型超微外加劑，提高了噴射混凝土性能，更適合濕噴機(jī)械手機(jī)械化施工，適合大斷面初支噴射混凝土施工，現(xiàn)場實(shí)際使用效果較好，值得推廣使用。

2 超微外加劑概述

2.1 成分組成

新型超微噴射混凝土外加劑，主要重量組分：2份亞硝酸鈉、820份膨化超細(xì)硅粉、95份塑化劑和43份氫氧化鈣。其中，膨化超細(xì)硅粉中三氧化二鐵：二氧化硅：氧化鋁三者物質(zhì)的重量比為4.9∶76.9∶0.65；膨化超細(xì)硅粉粒徑為1.5～10μm。塑化劑以甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸等為主多種材料復(fù)配，聚羧酸系減水劑固含量97%～98%。

新型超微噴射混凝土外加劑制備：將各組分按比例充分混合均勻制得，粒徑為1～10μm；將其用于噴射混凝土配合比其含量占混凝土用總膠凝材料（膠凝材料指水泥）重量約6.5%。

2.2 作用機(jī)理

亞硝酸鈉作為混凝土表面活性物質(zhì)，對混凝土拌合物起塑化作用，與鈣鹽生成可溶性復(fù)鹽以調(diào)節(jié)難溶結(jié)晶，降低液相物的冰點(diǎn)，起到抗凍效果，進(jìn)而提高混凝土早期強(qiáng)度。

膨化超細(xì)硅粉里SiO2含量高，可使膠凝材料具有更好的級配。膨化超細(xì)硅粉提高混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵在于提高水泥漿體與集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度（即降低泌水、防止水分在集料下表面凝聚），摻入硅粉能明顯降低硬化水泥漿的孔隙率以及過渡區(qū)的孔隙，能提高抗?jié)B性；降低混凝土中Ca（OH）2含量，從而減少各種硫酸鹽離子與Ca（OH）2反應(yīng)生成鈣礬石而產(chǎn)生膨脹的危害性；摻入硅粉還可顯著提高水泥石抗沖磨性能。

塑化劑可在不降低水泥用量和強(qiáng)度的同時(shí)，提高混凝土的保水性、粘聚性以及流動性。

氫氧化鈣的作用是加快水泥和水等物質(zhì)組成的膠體的凝聚速度，即加快混凝土的硬化速度。

2.3 主要質(zhì)量性能指標(biāo)及其檢測結(jié)果指標(biāo)

具體檢測指標(biāo)見表1、表2、表3，證明新型超微外加劑具有抗凍融、高強(qiáng)度、滲透小、減水率高、收縮性小的優(yōu)點(diǎn)［12］。

表1 耐久性檢測

表2 速凝劑性能檢測

表3 減水劑與防腐劑性能檢測

3 工程試驗(yàn)

工程對比試驗(yàn)前，先進(jìn)行配合比確定，確保添加兩種外加劑的噴射混凝土在性能最優(yōu)的范圍內(nèi)，對噴射混凝土物理性能進(jìn)行對比分析。

根據(jù)超微外加劑特性，噴射混凝土配合比采取低膠材、高砂率試配標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試配試驗(yàn)，配合比見表4、表5。

表4 C30配合比對比

表5 C25配合比對比

通過兩組配合比噴射混凝土室內(nèi)拌制效果及混凝土物理性能綜合分析，摻超微外加劑配合比更適合大型濕噴機(jī)械手工作，因?yàn)楹鸵仔院糜欣诒盟停冶Ｌ畷r(shí)間可達(dá)2 h，可以在機(jī)械故障等特殊情況下確保噴射混凝土質(zhì)量，對于現(xiàn)場因突發(fā)狀況而影響噴砼施工提供了有利條件。

4 對比分析

4.1 準(zhǔn)備工作

對比分析選擇蘇家?guī)r隧道進(jìn)口進(jìn)行試驗(yàn)，隧道采用軟弱圍巖大斷面開挖，見圖1。現(xiàn)場噴錨作業(yè)采用鐵建重工HPS3016S混凝土濕噴機(jī)械手，通過回彈率、相對噴錨時(shí)間、噴射混凝土強(qiáng)度、施工成本、其他項(xiàng)幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

圖1 大斷面支護(hù)施工

4.2 回彈及噴錨時(shí)間對比分析

2017年5月下旬，在水泥與速凝劑適配性相對穩(wěn)定的情況下，對于蘇家?guī)r隧道進(jìn)口進(jìn)行了回彈量的測算工作。通過鋪設(shè)彩條布回收回彈料的方式對噴射混凝土回彈量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。

圖2 回彈料回收試驗(yàn)方式

蘇家?guī)r隧道進(jìn)口采用大斷面法開挖，拱部回彈較大，經(jīng)統(tǒng)計(jì)在25%～30%左右，邊墻回彈量一般為18%左右，整體回彈量約23%。經(jīng)過兩個循環(huán)的統(tǒng)計(jì)，采用超微外加劑的噴射混凝土起拱線以上噴射作業(yè)回彈率約為12%，邊墻回彈率約為7%，整體回彈率9%左右。

2018年5月23日至24日，現(xiàn)場技術(shù)人員對每車噴射混凝土的實(shí)際噴射時(shí)間（除去準(zhǔn)備工作及罐車交替就位時(shí)間）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表6。其中仰拱、邊墻采用原配合比噴射砼，拱部采用摻入高強(qiáng)超微外加劑的噴射砼。

表6 噴射時(shí)間對比分析

通過上述對比，采用超微外加劑的噴射混凝土平均每方噴射時(shí)間約4 min 30 s，普通噴射混凝土平均每方噴射時(shí)間約5 min 30 s，減少時(shí)間約1 min。

4.3 混凝土強(qiáng)度對比分析

試驗(yàn)室按照要求，貫入法檢測1 d強(qiáng)度，并預(yù)留大板試件，分別對兩種配合比1 d強(qiáng)度、7 d強(qiáng)度、28 d強(qiáng)度進(jìn)行對比。具體對比情況見表7。

表7 1 d、7 d、28 d強(qiáng)度統(tǒng)計(jì) MPa

4.4 施工成本對比分析

根據(jù)施工配合比和本項(xiàng)目采購原材料單價(jià)，進(jìn)行直接成本分析，見表8。

表8 材料使用對比分析

材料使用量上1 m3混凝土增加成本：C30混凝土增加57.99元，C25混凝土增加19.25元。

回彈量減少成本：C30混凝土節(jié)約0.14 m3·561元/m3＝78.54元；C25混凝土節(jié)約0.07 m3·567元/m3＝39.7元。

綜上所述，摻入超微混凝土外加劑后C30噴射混凝土可節(jié)約成本20.55元/m3，C25噴射混凝土可節(jié)約成本20.45元/m3

即在未考慮回彈料外運(yùn)、多次重復(fù)施工、噴射時(shí)間、堵管處理、粉塵影響、工期縮短及確保強(qiáng)度穩(wěn)定等因素的情況下，每使用1 m3噴射混凝土節(jié)約成本20.55元和20.45元。

4.5 其他對比分析

通過5個循環(huán)進(jìn)行試噴對比及跟進(jìn)，直觀效果：采用新配合比的噴射混凝土“回彈少、不掉塊、干的快”。可見其回彈量、粘結(jié)力、快凝性能均優(yōu)于普通配合比的噴射混凝土。

泵壓對比：采用超微外加劑配合比噴射混凝土的泵壓，邊墻一般為2.5 MPa，拱部為6 MPa；普通配合比的泵壓對應(yīng)為5～10 MPa。HPS3016S混凝土濕噴機(jī)械手理想泵壓為8 MPa。泵壓過高會造成對設(shè)備和管道的磨損，發(fā)生爆管現(xiàn)象，增加泵送設(shè)備的成本，加大設(shè)備損壞率，延長工序時(shí)間。

4.6 小結(jié)

通過對蘇家?guī)r隧道進(jìn)口噴射混凝土試驗(yàn)對比分析，小結(jié)如下：

（1）摻入超微外加劑的噴射混凝土1 m3可節(jié)約水泥30～40 kg，可節(jié)約速凝劑摻量3%，節(jié)約減水劑約7 kg。

（2）超微外加劑噴射混凝土比普通外加劑噴射混凝土平均1 m3噴射混凝土施工時(shí)間減少1～2 min，每循環(huán)節(jié)約時(shí)間約20%。

（3）超微外加劑噴射混凝土平均回彈率為7.5%，大斷面減少回彈約14%。

（4）超微外加劑噴射混凝土1 d平均強(qiáng)度21 MPa、7 d平均強(qiáng)度34.1 MPa、28 d平均強(qiáng)度38.2 MPa。配合比接近，相較普通混凝土早期平均強(qiáng)度增加約7 MPa。

（5）超微外加劑噴射混凝土相較普通混凝土，平均1 m3噴射混凝土節(jié)約成本20.5元。

5 結(jié)論與探討

新型超微噴射混凝土外加劑是根據(jù)新奧法的施工特點(diǎn)和發(fā)展方向而研發(fā)的一種全新產(chǎn)品，使混凝土工作性能更好、強(qiáng)度更高、施工速度更快，可及時(shí)有效地對圍巖進(jìn)行封閉式保護(hù)和加固，提高圍巖的強(qiáng)度和承載力。高強(qiáng)超微噴射混凝土外加劑材料加入后的噴射混凝土與普通噴射混凝土相比凝結(jié)時(shí)間提前一半，且強(qiáng)度高、損失少，可消除速凝劑對混凝土后期強(qiáng)度的影響。它突破了混凝土外加劑的傳統(tǒng)理念，運(yùn)用新方法、新工藝，從根本上解決了傳統(tǒng)噴射混凝土的諸多不足和局限性。