不同灌漿時機下灌漿料與混凝土的結合性能試驗研究

蘇忠純，曹忠露，2*，王世碩

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.中交第一航務工程局有限公司，天津300461；3.中交（深圳）工程局有限公司，廣東深圳518000）

0 引言

隧道建造過程中，因受施工工法、施工工藝、施工設備、施工技術水平和隧道地質水文條件等多種因素的影響，隧道襯砌和圍巖之間不易緊密貼合，特別是隧道襯砌拱頂背后，最易產生空隙或空洞[1]。空隙或空洞的存在將改變隧道襯砌的受力狀態，進而影響隧道結構的安全性和耐久性。

隧道襯砌背后的空隙或空洞應通過灌漿進行充填，灌漿分為拆模后灌漿和拆模前（帶模）灌漿。傳統的拱頂回填灌漿是在襯砌拆模后混凝土強度達到設計強度100%后進行，灌漿料與混凝土易呈現“兩層皮”現象，結構的整體性較差。帶模灌漿則是在襯砌拆模前混凝土澆筑完畢即可進行，灌漿料與混凝土有較好的粘結效果，結構的整體性更好[2-3]。

隧道襯砌灌漿時，灌漿料和襯砌混凝土的結合性能與灌漿時機密切相關。安哲立等[4]認為隧道襯砌拱頂帶模灌漿應在混凝土沖頂后混凝土初凝前完成。張華等[5]認為帶模灌漿一般在襯砌混凝土灌注結束1~2 h后進行。呂彪[6]的研究表明微膨脹砂漿在襯砌混凝土澆筑后0~4 h內灌注完畢，可使灌漿料和混凝土結合體呈現整體破壞。肖東輝等[7]建議帶模灌漿時間為襯砌混凝土澆筑后的4~6 h。賀兆鵬等[8]從理論試驗中獲得，在混凝土初凝時間的第1/2點開始灌漿并于初凝前完成灌漿，可保證灌漿料與混凝土的整體性；但現場實際施工時，對襯砌拱頂帶模灌漿的時間進行了修正，以混凝土初凝時間點開始灌漿并在1 h內完成，可使灌漿料和混凝土的粘結效果最好。京沈京冀客專總公司工管中心對隧道拱頂灌漿時機的規定為：灌漿需在襯砌混凝土終凝后拆模前進行。

隧道襯砌灌漿后，灌漿料與混凝土結合性能的好壞影響著隧道結構的整體性。當前文獻對灌漿料與混凝土結合性能的研究報道較少。呂彪[6]試驗研究了灌漿時機為0 h、2 h、4 h、8 h和24 h時，灌漿料與C30混凝土結合體的抗壓強度和抗折強度，結果表明結合體強度均高于純混凝土強度，8 h和24 h結合體的抗壓破壞是在灌漿料和混凝土的界面處分開，而0 h、2 h和4 h結合體的抗壓破壞是整體破壞；所有結合體的抗折破壞均為整體破壞。肖東輝等[7]分析了灌漿料與混凝土澆筑時間間隔為0 h、2 h、4 h、6 h和8 h時，灌漿料與C30混凝土結合體的抗壓強度，結果表明，0 h和2 h結合體的抗壓破壞是整體破壞，4 h、6 h和8 h結合體的抗壓破壞是分離破壞。

為進一步探明灌漿料和混凝土的結合性能，本文通過結合體抗壓強度試驗、結合體劈裂抗拉強度試驗和結合體破壞形式統計分析，研究了灌漿時機、混凝土強度等級、結合體齡期等因素對灌漿料和混凝土結合體的強度、破壞形式的影響，以為隧道襯砌灌漿施工提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：北京金隅P.O42.5低堿水泥。粉煤灰：河北灤河F類II級粉煤灰。纖維：遼寧營口聚丙烯網狀纖維。細骨料：河北承德砂子，細度模數3.0。粗骨料：河北承德碎石，由5~10 mm、10~25 mm碎石按4頤6比例混合而成，5~25 mm連續級配碎石。拌合用水：河北安匠地下水。減水劑：山西康特爾聚羧酸高性能減水劑。灌漿料：中交天津港灣工程研究院有限公司研發的隧道襯砌灌漿料，強度等級60 MPa，初始流動度逸340 mm，30 min后的流動度逸335 mm。灌漿料表面光滑平整、質色均勻，漿體懸浮狀態很好、不分層、不離析、不泌水，具有良好的攪拌性和泵送性。灌漿料在加水拌合后，其24 h的膨脹率為0.167%，1 d、3 d、7 d和28 d的抗折強度分別能達到5.5 MPa、8.2 MPa、10.3 MPa和12.1 MPa；1 d、3 d、7 d和28 d的抗壓強度分別能達到25.6 MPa、50.7 MPa、64.2 MPa和70.4 MPa（40 mm伊40 mm伊160 mm試件）。

1.2 試驗設計

隧道襯砌用混凝土強度等級為C30、C35兩種，具體配合比見表1。灌漿料與混凝土的結合性能主要從結合劈拉強度、結合抗壓強度、結合抗壓破壞形式等三方面進行分析，試驗設計見表2。結合性能不僅與混凝土性能、灌漿料性能有關，還與灌漿時機，即混凝土灌注后多久開始灌漿有關。綜合考慮混凝土性能和現場施工可操作性，本試驗選取混凝土澆筑后時間間隔為4 h、8 h、24 h和72 h開始灌漿的4種工況，分析灌漿時機對灌漿料和混凝土結合性能的影響。

灌漿料與混凝土的結合性能試驗主要通過150 mm伊150 mm伊150 mm標準試件進行，試件成型時，先在試模中澆筑一半混凝土并振動密實，且混凝土的裝模高度嚴格控制為75 mm，然后在4 h、8 h、24 h和72 h后用灌漿料澆筑另一半，不振動。

試件成型后標準養護至3 d、7 d和28 d齡期時，按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規定的試驗方法測定相應的結合抗壓強度和結合劈裂抗拉強度。試件的側面為抗壓面，破壞時記錄混凝土與灌漿料為整體破壞還是分離破壞。

表1 試驗用混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion for test

表2 灌漿料與混凝土結合性能試驗設計Table 2 Experimental design for bonding characteristics of grouting material and concrete

2 結果與討論

2.1 灌漿料與混凝土的結合抗壓強度

不同灌漿時機下，混凝土與灌漿料的結合拉壓強度試驗結果見表3。相同齡期下，混凝土和灌漿料的結合抗壓強度均高于混凝土本體的抗壓強度，并低于灌漿料的抗壓強度。

表3 灌漿料與混凝土結合抗壓和劈拉強度Table 3 Combination compressive strength and splitting tensile strength of grouting material and concrete

灌漿時機對混凝土和灌漿料的結合抗壓強度影響顯著。3 d齡期時，結合抗壓強度的提升率隨著灌漿時機的增大而呈現出先增加后降低趨勢；7 d齡期時，結合抗壓強度的提升率隨著灌漿時機的增大而呈現出上下波動；28 d齡期時，結合抗壓強度的提升率則隨著灌漿時機的延長而呈現出降低趨勢；灌漿時機從4 h變為8 h和24 h時，結合抗壓強度的提升率緩慢降低；灌漿時機為72 h時，結合抗壓強度的提升率降低幅度較大。雖然較短的灌漿時機有利于混凝土和灌漿料結合抗壓強度的提升，但是灌漿時機較短時襯砌混凝土尚未在自重作用下逐漸密實，隧道襯砌拱頂空隙或空洞尚未完全形成，此時灌漿不僅會對混凝土造成較大的擾動，而且會使拱頂易于產生二次脫空。最佳灌漿時機的選取不僅應考慮結合抗壓強度的提升率，還應綜合考慮結合體的破壞形式、結合體劈拉強度以及現場施工條件的影響。

混凝土與灌漿料結合抗壓強度的提升率受齡期的影響較大。由于灌漿料具有早強特性，與混凝土本體相比，灌漿料與混凝土結合體的早期抗壓強度提升率比較顯著，但隨著齡期的增加，結合抗壓強度的提升率逐漸降低。

混凝土與灌漿料結合抗壓強度的提升率還與混凝土本體的強度等級有關。同齡期時，C35混凝土與灌漿料的結合抗壓強度的提升率低于C30纖維混凝土與灌漿料的結合抗壓強度的提升率。結合抗壓強度的提升率隨著混凝土本體強度等級的提升而降低。

2.2 灌漿料與混凝土的結合劈拉強度

不同灌漿時機下，混凝土與灌漿料的結合劈拉強度不僅低于灌漿料的劈拉強度，還低于混凝土本體的劈拉強度，試驗結果見表3。由于混凝土和灌漿料是兩個不同的收縮膨脹體系，變形協調的不一致性造成灌漿料和混凝土的層間粘結力減弱。

結果表明，混凝土和灌漿料的結合劈拉強度的降低幅度隨著灌漿時機的延長而變小，灌漿時機的延長可改善混凝土和灌漿料的結合劈拉強度。因24 h和72 h時灌漿可使混凝土和灌漿料的結合劈拉強度的降低幅度最小，故混凝土澆筑24 h后灌漿，可使灌漿料和混凝土間獲得較好的層間結合力。

C30纖維混凝土與灌漿料的結合劈拉強度高于C35混凝土與灌漿料的結合劈拉強度，表明纖維對混凝土和灌漿料的界面結合力起到顯著改善作用。

2.3 灌漿料與混凝土結合抗壓的破壞形式

混凝土和灌漿料結合抗壓的破壞形式匯總如表4所示，典型破壞如圖1所示。齡期對灌漿料和混凝土結合抗壓的破壞形式影響顯著。3 d齡期時79.2%的結合試件發生整體破壞、20.8%的結合試件發生分離破壞；7 d齡期時87.5%的結合試件發生整體破壞、12.5%的結合試件發生分離破壞；28 d齡期時95.8%的結合試件發生整體破壞、4.2%的結合試件發生分離破壞。數據表明，混凝土和灌漿料結合抗壓的破壞形式主要為整體破壞，且隨著齡期的增加，結合試件的整體破壞率顯著提高。

表4 灌漿料與混凝土結合抗壓的破壞形式Table 4 Failure mode of the combination of grouting material and concrete

圖1 混凝土與灌漿料結合抗壓的破壞形式Fig.1 Compressive failure mode of the combination of grouting material and concrete.

灌漿時機對結合抗壓的破壞形式也有一定影響。4 h時灌漿的結合試塊，83.3%為整體破壞、16.7%為分離破壞；8 h時灌漿的結合試塊，77.8%為整體破壞、22.2%為分離破壞；24 h時灌漿的結合試塊，94.4%為整體破壞、5.6%為分離破壞；72 h時灌漿的結合試塊，94.4%為整體破壞、5.6%為分離破壞。灌漿時機較短時，混凝土和灌漿料之間收縮膨脹變形的不一致削弱了其層間粘結力，造成灌漿料和混凝土的整體破壞率不高。24 h和72 h時灌漿可使混凝土和灌漿料的收縮膨脹變形相對協調，形成良好的結合體，提高整體破壞率。

灌漿料和混凝土結合劈拉強度的大小對其結合抗壓破壞形式有直接影響。灌漿料和混凝土結合劈拉強度小于1.2 MPa時，易發生分離破壞。本試驗中，灌漿料與C30纖維混凝土和C35混凝土結合抗壓的整體破壞率分別為97.2%和77.8%，灌漿料與C35混凝土結合抗壓的整體破壞率較低與其結合劈拉強度偏低相關。

3 結語

不同灌漿時機下，混凝土和灌漿料的結合抗壓強度均高于混凝土本體的抗壓強度，而結合劈拉強度低于混凝土本體的劈拉強度。結合抗壓強度的提升和結合劈拉強度的降低，不僅與灌漿時機密切相關，還受結合體試件齡期、混凝土本體強度的影響。

混凝土和灌漿料結合抗壓的破壞形式主要為整體破壞，早齡期時整體破壞率偏低，隨著齡期的增加，結合體的整體破壞率顯著提高。混凝土和灌漿料的結合劈拉強度的大小對其結合抗壓破壞形式有直接影響，結合劈拉強度小于1.2 MPa時，易發生分離破壞。

最佳灌漿時機的選取不僅應考慮結合抗壓強度的提升率，還應考慮結合體的破壞形式、結合體劈拉強度以及現場施工條件的影響。綜合分析后建議，在混凝土澆筑24 h后灌漿，不僅可使結合抗壓強度的提升有保障，并獲得較高的結合劈拉強度，還能降低隧道襯砌拱頂產生二次脫空的風險。