富水隧道強粘結噴射混凝土配置研究

宋海宏

(中鐵十二局集團第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 前言

富水隧道施作初期支護時，經超前泄水孔泄水降壓及超前帷幕注漿等工藝處理后，涌水量及水壓已有了大幅下降，但在噴射混凝土與圍巖接觸時，由于圍巖表面涌水的存在，噴射混凝土與圍巖的早期粘結強度下降明顯，導致噴射混凝土在圍巖表面凝結成型較為困難，甚至由于粘結強度下降，無法承載噴射混凝土自重，已經初步形成的噴層，出現掉塊現象。

在施工過程中，由于圍巖表面存在的涌水現象，有大量的噴射混凝土被浪費。為了提高噴射混凝土的利用率，提升工程經濟效益，加快工程建設進度，噴射混凝土與存在涌水巖面的粘結問題亟待解決。

2 方案設計

在富水隧道施工中，初期支護采用的噴射混凝土要求采用濕噴技術，然而在富水隧道中，特別是淌水的墻面上，噴射混凝土的粘結強度很差，施工過程中回彈量大，噴射形成的混凝土強度不足，密實度差，性能差。

由于沸石粉具有黏度及滾珠效應，在流態混凝土和泵送混凝土中摻入沸石粉，混凝土拌和物的結構黏度得以提高，同時，混凝土拌和物的抗離析泌水性能也能得以改善[1-2]。

擬通過加入一定量的沸石粉，調整水灰比、外摻料的量，通過試驗對比研究不同配比情況下的粘結強度，得到適合于濕潤壁面的最佳噴射混凝土配比。

2.1 濕噴混凝土配比設計

依據現行技術標準及設計文件的要求，濕噴混凝土水灰比宜不大于0.55，砂率宜為50% ～60%，坍落度不宜小于10 cm[3]。

(1)計算試配強度

混凝土試配強度配置強度采用下式確定:

式中，fcu，0為混凝土配制強度(MPa)；fcu，k為混凝土立方體抗壓強度標準值(MPa)；σ為混凝土強度標準差，取5.0 MPa[4]。

(2)計算水膠比(W/B)

式中，αa為 0.53；αb為 0.2。

本次試驗水膠比擬選取0.36，滿足要求。

(3)確定單位用水量

依據現行技術標準所要求的砼坍落度、碎石最大粒徑及經驗，選取用水量238 kg。緩凝型高性能減水劑摻量擬確定為1.4%，減水率按實測結果27.2%計算[5-6]，混凝土的用水量按下式計算:

根據經驗及現場施工情況，選用用水量為169 kg/m3比較合理。

(4)計算單位膠凝材料用量

水泥用量:

mc＝mwo/(w/b)＝169/0.36＝469 kg/m3

外加劑1(DHP-R1型聚羧酸高性能減水劑(緩凝型))用量:

(5)采用重量法計算各種材料用量

①混凝土拌和物的假定表觀密度為2 300 kg/m3；

②根據水灰比、規范及施工工藝要求選砂率為βs＝50%；

③計算砂、石用量:

2.2 沸石粉材料的選取

考慮到不同廠家所生產的沸石粉中SiO2和Al2O3等成分的含量有所區別，且細度對沸石粉的活性有一定的影響，現選取3個廠家所生產的沸石粉樣品，包含 325 目(46 μm)、800 目(18 μm)、1 250目(12 μm)三種粒徑的沸石粉，根據《混凝土和砂漿用天然沸石粉》(JG/T 566—2018)規范對沸石粉進行活性指數試驗，并根據試驗結果選擇合適的沸石粉[7-9]。

分別采用3個廠家A、B、C所生產的沸石粉，按表1膠砂配合比進行膠砂攪拌，試驗所采用的水泥為華潤普通硅酸鹽水泥P.O42.5，水為地表水，砂為ISO標準砂，試驗材料均滿足規范要求[10]。

表1 膠砂配比

制作40 mm×40 mm×160 mm膠砂試件，并在水中進行養護，達到齡期后進行抗折強度、抗壓強度測試，本次試驗測試3 d和28 d強度。測試結果如圖1、圖2所示。

圖1 抗折強度

圖2 抗壓強度

試驗測得對比膠砂的3 d和28 d抗壓強度分別為27.30 MPa、51.03 MPa，根據規范沸石粉各齡期活性指數按如下公式計算:

式中，A為沸石粉活性指數；Rt為受檢膠砂相應齡期的抗壓強度(MPa)；R0為對比膠砂相應齡期的抗壓強度(MPa)。

沸石粉粒徑越小(目數越大)，膠砂試塊抗折強度、抗壓強度越大，活性指數越大；廠家A所生產的沸石粉不同齡期的抗折強度和抗壓強度均好于另外兩個廠家的沸石粉，活性指數也達到95%以上。

2.3 沸石粉摻量的確定

沸石粉既能置換混凝土中的部分水泥，降低水泥用量，減少混凝土中的水化性，又能提高混凝土的強度和硬化混凝土的耐久性能，但沸石粉的摻量過大時，水泥含量明顯下降，缺少水化作用的反應物，將減少C-S-H凝膠的生成，導致混凝土的早期及后期強度下降[11-12]。

試驗以現場施工噴混所采用的配比為基礎，通過控制變量法改變沸石粉摻量，探究沸石粉摻量為0、10%、20%、30%、40%對混凝土綜合性能的影響；試驗采用325目、800目、1 250目三種不同粒徑的沸石粉進行平行試驗。

各摻量混凝土的配比情況見表2。

表2 配比參數 kg/m3

按以上配比拌制15 L的混凝土，根據配比加入169 kg的水所拌制的混凝土的拌和物的坍落度小，流動性較差。經過一定的試配，發現在實際試驗時加入水的比例為174的水，能夠保證混凝土拌和物有較好的流動性，滿足施工要求的物理性能。

根據試配結果調整沸石粉各摻量下的配比，拌制15 L混凝土，觀察拌和物的流動性、保水性，進行坍落度試驗。

將拌和物裝入試模，制作100 mm×100 mm×100 mm標準立方體試塊，每組試驗需制作9個試塊，并在標準環境下養護，并通過抗壓試驗測出混凝土1 d(3個試塊)、3 d(3個試塊)、28 d(3個試塊)的強度。從曲線圖3～圖5中可看到，不同粒徑的沸石粉摻入混凝土中，隨著摻量的增加，混凝土的抗壓強度減小。沸石粉摻量為10%時，早期強度和28 d強度減小量較小，當沸石粉摻量超過20%時，混凝土抗壓強度顯著降低。由于隧道初期噴射混凝土不僅要求混凝土噴射瞬間與巖面有一定的粘結力，還需要混凝土有一定的早期強度，保證施工安全。因此，建議沸石粉摻量控制在10% ～20%。

圖3 沸石粉摻量對混凝土強度的影響(1250目)

圖4 沸石粉摻量對混凝土強度的影響(800目)

圖5 沸石粉摻量對混凝土強度的影響(325目)

3 配比試驗

在進行混凝土配合比設計時，需要考慮水泥強度等級、水膠比、膠凝材料用量、砂率等多種因素對混凝土各種性能的影響。

為了減少試驗組數量，采用正交試驗方法，擬選取水膠比(a)、膠凝材料(b)、沸石粉摻量(c)、砂率(d)等作為配制混凝土的4個變量因素，各因素的水平數選3個，如表3。

表3 正交試驗的因素及水平

根據4個變量因素，各因素的水平數選3個，按正交試驗原理設計9組試驗，對應的各參數具體如表4所示。

表4 正交試驗參數

制作150 mm×150 mm×150 mm標準立方體試塊，每個試驗編號需制作9個試塊，并在標準環境下養護，并通過抗壓試驗測出混凝土1 d(3個試塊)、3 d(3個試塊)、28 d(3個試塊)的強度，試驗結果見表5。

表5 正交試驗結果 MPa

對試驗結果進行處理，得到方差分析表6、表7。

表6 正交試驗3 d強度方差分析

表7 正交試驗28 d強度方差分析

從試驗結果中看出:隨著水膠比增大，混凝土的抗壓強度減小。這一規律與普通混凝土規律一致，水膠比的增大使得水泥漿流動性變大，骨料的裹漿量減小，骨料間的聯結性減弱，混凝土的抗壓強度減小。且混凝土的早期強度主要由膠凝材料水化硬化強度控制，早期抗壓強度測試中，混凝土試塊從粗骨料膠結處破壞；后期抗壓強度則主要由粗骨料和膠凝材料強度共同控制。

隨著膠凝材料用量增加，混凝土抗壓強度增大。膠凝材料的增加本質為水膠比的減小，骨料的裹漿量增大，從而使混凝土的強度得到提升。

沸石粉摻量從10%到15%時，混凝土抗壓強度增加；沸石粉摻量從15%到20%時，混凝土抗壓強度減小。

對于混凝土早期強度(1 d和3 d強度)，砂率增加，混凝土抗壓強度無明顯改變，但是對于28 d強度而言，砂率的增加使得混凝土中粗骨料含量減少，因此混凝土抗壓強度減小。

由表6、表7可以看到，對于3 d、28 d強度，水膠比對混凝土的抗壓強度的影響均是極為顯著，沸石粉摻量對混凝土抗壓強度的影響均為顯著，砂率對3 d強度影響是顯著，但顯著性不及沸石粉摻量的影響，而對28 d強度的影響則是極為顯著，其顯著性影響大大提高，其原因前文已述，砂率對后期強度影響較大。

從試驗結果看:膠凝材料影響最小，但其用量應足以保證骨料之間的膠結，其配比建議為469；沸石粉摻量建議為15%；砂率越高，混凝土拌和物流動性越大，但其強度會有所減小，因此砂率建議為50%；水膠比是影響混凝土強度的主要因素，當膠凝材料用量一定時，主要通過調節水量控制水膠比，由于噴射混凝土對拌和物流動性要求較高，根據試驗過程中拌和物工作性能，水膠比建議0.36左右。

4 隧道內沸石噴射混凝土試驗

為探究摻沸石粉混凝土的噴射效果，在隧道內展開噴射混凝土試驗，試驗將正交試驗所得配比A與施工現場所用的配比B進行對比。具體參數見表8。

表8 噴射混凝土試驗配合比

考慮到施工現場實際情況，第一次拌制10 m3混凝土在隧道內自下而上進行掃噴，余下混凝土則可噴在隧道兩側拱腳處；第二次按照正交試驗所確定的配比，拌制10 m3摻沸石粉的混凝土，通過濕噴機械手試噴，待噴射穩定后，分兩次將大板試模噴滿，共噴兩塊。余下混凝土則噴射在隧道左側拱腰及拱頂處，觀察記錄噴射效果，并測其回彈量；第三次拌制10 m3混凝土采用相同方法噴射混凝土大板，余下混凝土噴射在右側拱腰及拱頂處，觀察記錄噴射效果，并測其回彈量。各齡期強度見表9。

表9 噴射混凝土各齡期強度 MPa

從噴射混凝土強度結果來看，摻入沸石粉的混凝土的強度略小于未摻沸石粉的混凝土，但通過觀察噴混效果，發現在無水或少量淌水的巖面上摻入沸石粉的混凝土噴射效果明顯好于未摻入沸石粉的正常施工的混凝土；而在泄水孔附近或滲水量較大的巖面上，由于水量過大，導致噴射混凝土極易被水流沖走，摻入沸石粉的混凝土和未摻沸石粉的噴射效果均不佳。

摻入沸石粉的混凝土能夠有更好的噴射效果，分析其原因為:沸石粉是一種多孔的粉狀物，而其孔徑往往能達到納米級。沸石粉有一定的親水性，在自然條件下，能夠吸附大量的水分子及空氣，當與水泥等拌和形成混凝土拌和物，沸石粉中吸附的空氣將被排出，加之沸石粉在堿性環境下反應生成膠凝材料，大大提高了拌和物的粘聚度和粗骨料的裹漿量。

5 總結

(1)室內試驗表明:混凝土中摻入沸石粉會使混凝土強度性能降低，隨著沸石粉摻量的增加，混凝土強度下降逐漸顯著，因此，混凝土中沸石粉摻量不宜過大，控制在10% ～20%為宜。

(2)水膠比增大，混凝土的抗壓強度減小；膠凝材料用量增加，混凝土抗壓強度增大；砂率增加，混凝土抗壓強度減小；沸石粉摻量增加，混凝土抗壓強度減小。以1 d、3 d、28 d抗壓強度為指標，按正交試驗極差分析法分析數據，極差能反映各因素在水平變動時，試驗指標的變化幅度，極差越大，表明該因素對試驗指標影響越大。經分析得，各因素對試驗指標的影響由大到小依次為水膠比、砂率、沸石粉摻量、膠凝材料用量。

(3)沸石粉有一定的親水性，在自然條件下，能夠吸附大量的水分子及空氣，當與水泥等拌和形成混凝土拌和物，沸石粉中吸附的空氣將被排出，加之沸石粉在堿性環境下反應生成膠凝材料，大大提高了拌和物的粘聚度和粗骨料的裹漿量。因此，摻入沸石粉的混凝土能夠有更好的噴射效果。