基于復合膠凝材配制隧道高性能濕噴混凝土試驗研究

冀亞鋒， 羅 超， 陳文淵， 周敏娟， 王海彥， 麻 驥

(1.中鐵二十一局集團第三工程有限公司，陜西 咸陽 712000；2.南京工業大學交通運輸工程學院，江蘇 南京 211816；3.石家莊鐵路職業技術學院，河北 石家莊 050041)

隨著我國山嶺隧道的大量修建，初期支護采用普通濕噴混凝土已難以滿足隧道結構性能和施工要求，主要存在力學、耐久性能不足，施工時回彈率高、環境污染較大等影響，故研究低成本、少回彈、低污染的高性能濕噴混凝土來施作隧道初期支護勢在必行。在1980年代末，一些國家在混凝土結構耐久性設計方面提出高性能混凝土的概念，其主要是通過在膠凝材中復摻多元礦物摻合料，達到提高混凝土力學和耐久性能目的。由于膠凝材中礦物摻合料取之于工業廢料，這樣從根本上減少了水泥用量，既節約了能源和資源，又實現了工業廢料的循環利用，還降低碳排放和成本。本世紀初，我國隨著高性能混凝土普遍應用，隧道工程中提出了使用高性能濕噴混凝土技術思路，但由于技術水平所限和外加劑性能不足，未能得到普遍應用。隨著混凝土技術的不斷改進，越來越多的礦物摻合料運用于其中，但其性能受摻合料種類、摻量、單摻與復摻等多種因素的影響，最終混凝土的性能也相差較大[1]。

1 膠凝材復合效應分析

礦物摻合料摻入混凝土中，因其物理性能和化學成分的不同，摻合料的微集料效應、形態效應、界面效應等在混凝土中所表現出的有正負效應之分，若將各種摻合料物理性能、摻量比例控制得當，在混凝土摻入多種礦物摻合料所表現出的正效應一般要大于單摻一種礦物摻合料，這歸結為多元復合膠凝材的復合效應[2-3]。

(1)微集料效應：在混凝土的常用膠凝材料中，硅灰、粉煤灰、礦粉、水泥的顆粒粒徑依次增大，這些膠凝材料通過合理的比例進行混合可形成級配良好的復合膠凝材料。膠凝材混合后不同粒徑的粉體顆粒互相填充，減少了顆粒之間的間隙，進而降低膠凝體硬化后的總孔隙率，提高混凝土的密實性，降低混凝土的滲透性，提高了混凝土的抗侵蝕能力。

(2)形態效應：膠凝材料因其形態不同，應用于混凝土中所發揮的作用也不盡相同。如礦粉顆粒形貌不規則且粗糙，應用于混凝土中會使其流動性降低；粉煤灰顆粒圓潤，摻入混凝土中可增加其流動性；硅灰粒徑小、比表面積大，可增加混凝土的粘聚性。基于膠凝材料的以上特性，在進行混凝土配合比設計時可采取復摻方式，充分利用各種膠凝材的優點，進而改善混凝土的工作性、提高其密實程度和耐久性能。

(3)界面效應：在混凝土成型過程中，在骨料的周圍會形成一層密閉的水膜，此處水泥水化形成的Ca(OH)2富集，使得骨料、漿體形成明顯的界面過渡區，此過渡區往往是混凝土裂縫形成及破壞的薄弱環節，在混凝土中復摻礦粉、粉煤灰、硅灰等膠凝材料可以降低混凝土中Ca(OH)2含量，改善界面過渡區的粘結性能，因此，適量的復合膠凝材料對混凝土的性能表現為正效應。

2 配合比設計及試件制作

2.1 原材料

膠凝材料選用海工復合硅酸鹽水泥(比表面積400 m2/kg，P.C42.5)、本溪電廠粉煤灰(比表面積750 m2/kg，Ⅱ)、本溪鋼鐵礦粉(比表面積450 m2/kg，S95)，粗骨料選用含泥小于1.5%、5～10 mm連續級配破碎石灰石，細骨料選用細度模數為2.7、含泥量小于2.0%的河砂；減水劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%；速凝劑為SA160型高性能無堿速凝劑，終凝時間為4′25″，初凝時間為30′30″；拌和用水為自來水。

2.2 配合比設計

濕噴混凝土配合比設計要兼具強度、耐久性以及施工性能的要求，一般的濕噴混凝土初始坍落度160～180 mm為宜，具有和易性好、無離析特性，2 h坍落度損失小于80 mm。通過坍落度試驗調整水膠比(0.38、0.40、0.42)和砂率(50%、52%、55%、60%)，達到濕噴混凝土適宜的工作性，最終確定基準配合比采用水膠比W0.40，砂率50%，砂∶石∶水∶減水劑(0.8%)∶速凝劑(6%)=860∶860∶180∶3.6∶27(kg/m3)。膠凝材料的用量見表1。

表1 混凝土膠凝材料用量 kg/m3

2.3 試件制備及養生

噴射混凝土試件采用鋼模大板制作，鋼模大板尺寸為500 mm×500 mm×120 mm。噴射完成后在隧道內自然環境中養生1 d后脫模，移至實驗室進行標準養生，3 d后把試件切割加工成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊進行相關試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 力學性能試驗

根據(GB/T50081—2016)中規定的方法對混凝土試件進行1 d、3 d、7 d、28 d和56 d抗壓強度以及28 d的抗拉強度與抗折強度試驗，各組混凝土力學性能測試結果如圖1和表2所示。

圖1 各組混凝土抗壓強度

表2 混凝土28 d性能指標

從圖1和表2中可以看出：各組混凝土抗壓強度與養生齡期呈正相關關系；當混凝土中摻入礦物摻合料，其早期強度(小于7 d)相較于基準組降低；在相同的摻和比例下，單摻粉煤灰的早期強度要高于單摻礦粉的早期強度，但后期強度單摻礦粉漲幅明顯，強度明顯優于單摻粉煤灰；礦粉和粉煤灰復摻，強度較其他組略有差別，但差距較小，此時單摻礦粉混凝土強度優勢明顯；纖維的加入導致混凝土強度有所下降；養生條件對濕噴混凝土力學性能有很大影響，自然養生下的N8相較于灑水養生的N6其強度在28 d時下降了36%；混凝土抗拉強度屬單摻礦粉最優，抗折強度在單摻礦粉時有所增長，其他配方混凝土抗折強度均有不同程度下降。

3.2 耐久性能試驗

3.2.1 電通量試驗

混凝土的耐久性能與滲透性密不可分，礦物摻合料的摻入改善了膠凝材料微觀顆粒級配和混凝土內部微觀結構以及水化產物。混凝土中摻入礦物摻合料后，由于粉煤灰、礦粉的顆粒較水泥顆粒細，彼此粒徑各不相同，將這些材料三元復合能夠形成良好級配的膠凝材料。粉煤灰、礦粉的摻量比例對混凝土抗氯離子滲透性有較大影響，這些礦物摻合料不僅可以填充水泥顆粒之間以及水泥石-骨料界面之間的空隙，且不同粗細的粉煤灰、礦粉按適當比例復合后，相互填充，具有“復合超疊加效應”，形成密實的堆聚體系，更有利于改善混凝土孔結構，降低孔隙率，使混凝土抗氯離子滲透性提高；另外，在混凝土中摻入適量礦物摻合料后，由于其二次水化效應的作用，會消耗部分Ca(OH)2，生成結構更為致密的C-S-H凝膠，填充了混凝土的孔隙，提高了混凝土的抗氯離子滲透能力[4-8]，因此混凝土的抗滲透性能可以通過其抗氯離子滲透性能進行反映。

混凝土抗氯離子滲透性能一般采用其28 d電通量值進行表征，電通量測試結果如表2所示。

通過對表2中數據的分析可看出：混凝土中摻入礦物摻合料會使其電通量降低；單摻粉煤灰或礦粉的混凝土電通量較基準組N1降低近50%，雙摻粉煤灰和礦粉的混凝土的電通量相較單摻粉煤灰或礦粉的混凝土更低，其中N5配方電通量最低，為490 C；在雙摻粉煤灰和礦粉的膠凝材料中加入纖維素纖維，纖維素纖維溶解后可吸附部分氣泡，促使混凝土內部孔徑變細，并改善了混凝土內部孔徑分布，提高了混凝土的密實性；自然養生環境下所得電通量與基準試件相比差距不大，這表明良好的養生條件可以有效改善混凝土的滲透性能，尤其對于摻入摻合料的混凝土。

3.2.2 抗硫酸鹽腐蝕試驗

硫酸鹽侵蝕是硫酸鹽溶液與混凝土中水化生成物發生反應，產生的膨脹物造成混凝土滲透性增加，降低其強度、質量、耐久性的一種危害性極大的侵蝕性破壞[9-10]。隧道結構因受地下水、雨水中硫酸根離子侵蝕而發生破壞的現象屢見不鮮，因此混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性是評價隧道混凝土結構耐久性的重要指標之一。

混凝土抗硫酸鹽抗侵蝕性評價采取干濕循環后試件抗壓強度與同齡期未受侵蝕試件的抗壓強度比值來進行評判。試驗中選取了N1、N3、N4、N6、N8五組試件進行抗硫酸鹽腐蝕試驗，得到的抗硫酸腐蝕試驗結果如表3所示。

表3 抗硫酸腐蝕和抗凍性試驗結果

表3試驗結果表明，濕噴混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力：基準≈單摻礦粉<單摻粉煤灰<復摻礦物摻合料，養生條件對混凝土抗硫酸鹽腐蝕有一定影響，復摻礦物摻合料混凝土在自然養生時的抗硫酸鹽腐蝕能力比灑水養生的差，總的來看，濕噴混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力較差。

濕噴混凝土密實度較差一些，其抗硫酸腐蝕能力要弱一些。此外，膠凝材料中摻入多種礦物摻合料，可減少混凝土界面中氫氧化鈣生成物，從而降低混凝土硫酸鹽腐蝕程度，提高了混凝土的抗腐蝕能力。

3.2.3 快速凍融試驗

混凝土長期受水侵蝕，在低溫環境中其內部孔隙水會結冰使體積膨脹，當膨脹應力大于混凝土的抗拉強度時會使混凝土脹裂，進而降低其使用性能[11]，因此抗凍性是評價高寒地區隧道混凝土結構耐久性的主要指標之一。

文中采用超聲波縱波速度來計算混凝土結構的相對動彈性模量，當相對動彈性模量值低于60%時，凍融試驗結束，此時的凍融循環次數就是抗凍性指數。選取N1、N3、N4、N6、N8五組配合比進行抗凍試驗，得到的試驗結果如表3所示。

由表3中試驗數據可知：摻入礦物摻合料后混凝土的抗凍性會降低，且隨著摻入種類和摻量的增多混凝土抗凍性呈下降趨勢。基準混凝土的抗凍性能最優，凍融次數能達到175次；單摻礦物摻合料混凝土次之，復摻礦物摻合料混凝土抗凍性能最差；復摻礦物摻合料時，灑水養生混凝土的抗凍性要優于自然養生；自然養生下的混凝土抗凍能力最差，僅能承受25次凍融循環，說明濕噴混凝土在施作后進行灑水養生是非常有必要的。造成復合膠凝材混凝土抗凍性下降的原因：其一由于膠凝材各組分材料脹縮系數不同所致；其二摻入礦物摻合料后混凝土內部孔隙減少，水泥石微觀結構得到改善，滲透系數降低，在凍融條件下混凝土內部水分遷移困難，水泥石承受凍脹壓力增大，加劇了混凝土的破壞。

3.3 濕噴混凝土綜合性能比較

根據濕噴混凝土力學性能及耐久性能試驗結果，可以得出濕噴混凝土綜合性能評價結果，如表4所示。

表4 濕噴混凝土綜合性能評價

由表4可以看出，復摻配合比的綜合性能是最平衡的，不僅能達到混凝土的力學性能要求，電通量及抗硫酸鹽腐蝕能力上也較好，只有抗凍能力較差。復摻礦物摻合料混凝土優于單摻礦物摻合料混凝土，單摻粉煤灰或礦粉混凝土綜合性能優于基準混凝土，但單摻礦粉混凝土綜合性能較差。同時作為濕噴混凝土，摻入礦物摻合料導致早期強度過低也是一個需要考慮的問題。另外，此次試驗也說明了濕噴混凝土進行灑水自然養生是很有必要的，但濕噴混凝土不同于模筑混凝土，有必要對其養生方式進行更多地研究，以便選擇一種能更好適應濕噴混凝土的養生方式。

4 結論

(1)高品質礦物摻合料摻入混凝土中，提高了混凝土的綜合性能，復摻礦粉、粉煤灰混凝土綜合性能最好，單摻礦粉或粉煤灰混凝土的綜合性能略差，但優于純水泥混凝土。

(2)在濕噴混凝土中添加礦物摻合料后，初期強度普遍較低，此問題在實際工程需要解決。

(3)在礦物摻合料中加入纖維素纖維，混凝土力學性能降低，說明纖維素纖維對濕噴混凝土具有負面影響，后續需要進行更深入的研究。

(4)養生條件對濕噴凝土性能有很大影響，自然養生下N8混凝土比灑水養生下N6混凝土28 d抗壓強度下降了36%，由此可見，實際工程中濕噴混凝土需進行必要灑水養生。