高瓦斯隧道新型噴射混凝土配制及氣密性

崔紅超, 饒軍應, 孔德禹, 趙昌杰, 唐明英, 覃杰

(1.貴州大學土木工程學院, 貴陽 550025; 2.貴州省巖土力學與工程安全重點實驗室, 貴陽 550025; 3.貴州大學空間結構研究中心, 貴陽 550025; 4.貴州省結構工程重點實驗室, 貴陽 550025; 5.貴州省公路工程集團有限責任公司, 貴陽 550008)

瓦斯不僅是煤礦工程中的重大致災隱患,在隧道建設中也是尤為常見的。高瓦斯隧道施工中存在瓦斯中毒、瓦斯燃燒、瓦斯爆炸等安全隱患,其中最為嚴重的當屬瓦斯爆炸,但無論哪種情況發(fā)生,都將造成極大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響[1-2]。因此,有必要開展高瓦斯隧道施工工藝或施工材料的改進研究。

近年來,國內(nèi)外許多學者針對施工材料做了許多研究,如覃杰等[3]通過開展聚丙烯纖維混凝土與玄武巖纖維混凝土的燃燒試驗,證明了玄武巖纖維混凝土的燃燒后性能更好;唐明英等[4]通過分析桐梓隧道玄武巖纖維噴射混凝土的系統(tǒng)試驗過程,針對其工作特性,總結出新材料的施工關鍵與注意事項,認為混合料宜使用無堿或低堿型速凝劑,摻加正常用量速凝劑的水泥凈漿初凝時間不應大于 3 min,終凝不應大于12 min,且摻入的玄武巖纖維必須保持干燥,其最佳長度為15 mm,并應控制在10～20 mm,過長會影響混合料的和易性,過短則會降低混凝土抗裂性能,是本研究的基礎和引導;以涪秀鐵路黃草二線瓦斯隧道為工程背景,楊育紅[5]通過開展混凝土氣密機理分析發(fā)現(xiàn),河砂可被人工砂代替取代,并摻入粉煤灰、氣密劑及減水劑后配制了高性能氣密性混凝土;趙海英[6]通過正交設計研究了原材料對混凝土氣密性的影響,并結合施工現(xiàn)場確定了利于混凝土氣密性控制的施工工藝,認為混凝土水灰比不宜超過0.45,硅粉與粉煤灰雙摻比單摻粉煤灰更有利于混凝土的氣密性,并且應嚴格控制砂石的含泥量,采用機械攪拌混凝土氣密性要優(yōu)于人工攪拌;Eric等[7]基于工程實例研究了玄武巖纖維對材料強度的影響,發(fā)現(xiàn)采用該材料修復后的梁試件屈服強度和極限彎矩能力顯著增強;以達成鐵路天臺寺隧道為工程依托,王秀芬[8]通過開展混凝土氣密性能的系統(tǒng)試驗研究,認為氣密性混凝土的最佳水灰比為0.4,且不宜超過0.45,細骨料的含泥量不應超過2.5%,粗骨料最大粒徑不宜超過40 mm,氣密性混凝土單方膠凝材料不宜小于380 kg且摻入硅粉和粉煤灰有利于提高混凝土的氣密性;王澤柱等[9]通過對比分析單摻和復摻情況下玄武巖纖維與玄武巖粉對混凝土的增強效果,表明單摻玄武巖纖維劣化了混凝土內(nèi)部氣孔結構,而單摻玄武巖粉則有助于改善氣孔結構,且復摻兩者效果更佳,同時可增強混凝土的力學和抗凍性能;李為民等[10]運用霍普金森壓桿試驗技術以玄武巖纖維體積摻量為變量進行試驗研究,考察了玄武巖纖維混凝土的動態(tài)強度和應變率之間的相關性,定義動態(tài)強度增長因子I為混凝土動態(tài)、準靜態(tài)抗壓強度的比值,表明I與平均應變率的對數(shù)有很強的線性相關性,隨平均應變率對數(shù)的提高而線性增加;劉雨姍等[11]通過正交試驗分析橡膠顆粒取代率、玄武巖纖維和粉煤灰摻量對混凝土28 d抗壓、劈裂抗拉和抗折強度的影響,得出在橡膠顆粒取代率5%,玄武巖纖維摻量4 kg/m3,粉煤灰摻量15%時,混凝土各項性能最佳;李雪瑩等[12]以玄武巖纖維、聚丙烯纖維以及兩者混雜纖維作為外摻料,通過坍落度擴展度試驗、J型環(huán)試驗和28 d抗壓強度等試驗,研究了不同類型纖維摻料及不同纖維體積摻量對自密實混凝土(self compacting concrete, SCC)工作性能及力學性能的影響,隨著纖維的摻入,SCC流動性能下降,混雜纖維的摻入在不同程度上提升了SCC的力學性能;陳峰賓等[13]以28 d抗壓強度為考察指標,探究了玄武巖纖維混凝土在不同纖維摻量下的強度變化,并開展微觀層次分析,證明纖維的摻入能抑制孔隙的連通,有利于混凝土整體性的提高,從而有效增強混凝土的抗壓強度;方江華等[14]通過正交設計及抗壓、劈裂抗拉及抗折強度試驗研究了不同玄武巖纖維體積率、陶砂代砂子率和陶粒代石子率對玄武巖纖維輕骨料混凝土(basalt fiber-lightweight aggregate concrete, BF-LAC)力學性能的影響,得出當玄武巖體積率為0.3%、陶砂代砂子率為7%、陶粒代石子率為8%時,BF-LAC的力學性能表現(xiàn)最佳,且玄武巖纖維是影響B(tài)F-LAC強度的顯著性因素。

綜上所述,目前對高氣密性混凝土的研究主要集中在探討玄武巖纖維的摻入或粉煤灰、橡膠顆粒、陶粒等的單摻與復摻對混凝土性能的影響,適當摻入玄武巖纖維可提高混凝土的強度,降低內(nèi)部孔隙連通,而摻入粉煤灰等則有利于提高混凝土的氣密性,但摻入玄武巖纖維對噴射混凝土氣密性、抗?jié)B性等的影響相關研究還有待深入。基于此,現(xiàn)以桐梓隧道為工程依托,以粉煤灰、玄武巖纖維為外摻料,以期通過玄武巖纖維與礦物摻合料的協(xié)同作用,開展配合比試驗、氣密性測試和現(xiàn)場試噴確定一種適用于高瓦斯隧道的新型噴射混凝土,并運用氣壓差值法和壓汞法分析氣壓和孔隙結構對混凝土氣密性的影響。

1 工程概況

桐梓隧道是貴州在建的最長高速公路隧道,左洞長10 497 m,右洞長10 485 m,最大埋深約 630 m。勘察顯示,隧址區(qū)巖溶發(fā)育,預測涌水量大,瓦斯壓力大,瓦斯含量高,存在瓦斯突出、突水突泥、巖爆、軟巖大變形等施工風險。桐梓隧道P3l煤系地層含煤(線)7層,層位較穩(wěn)定,高瓦斯煤系地段長約830 m,瓦斯壓力最大達1.5 MPa,局部瓦斯含量高達21.34 L/g,是典型的高瓦斯隧道,其主要煤層分布如圖1所示。經(jīng)交通運輸部科學研究院評估,桐梓隧道風險等級為IV級,為極高風險隧道。為有效解決高瓦斯煤系地層隧道施工存在的安全隱患多發(fā)、工效低,瓦斯抽排時間長、密封難度大等技術難題,通過制備新型噴射混凝土,利用其高致密性,有效控制施工過程中的瓦斯溢出,為桐梓隧道高效穿過高瓦斯煤系地層提供技術保障。

圖1 主要煤層分布圖(YK39+772.5)Fig.1 Distributions of main coal seams(YK39+772.5)

2 新型混凝土材料選擇及測試

2.1 選材思路及原材料

桐梓隧道不僅巖溶發(fā)育、預測涌水量大、斷層多,而且具有高地應力、高瓦斯和弱堿水的特點,故選材時應滿足以下要求。

(1)防止混凝土在高應力作用下產(chǎn)生拉裂。故通過加入纖維材料增強混凝土的抗折強度。

(2)考慮桐梓隧道施工過程中發(fā)生火災的可能性,應選用防火防裂的玄武巖纖維。

(3)選擇氣密性好的混凝土配合比,即添加粉煤灰以增強混凝土的密實度,防止氣體泄漏。由于混凝土減水劑含有引氣劑,混凝土含氣量約為5%,因此無需再添加引氣劑。

(4)噴射混凝土中各類材料的總堿量不得大于3 kg/m3,氯離子含量不應超過膠凝材料總量的0.1%。

(5)為確保混凝土的耐久性,摻入粉煤灰,以防止弱堿水的破壞。

根據(jù)以上選材要求,本次試驗原材料的選擇如表1所示。

表1 混凝土原材料

2.2 配合比試驗

基于上述設計原則,本次配合比設計擬采用粉煤灰和玄武巖纖維作為外摻料,利用粉煤灰的火山灰效應及微珠效應提高混凝土的密實性,同時,利用玄武巖纖維與水泥基材料在物理性能上的相容性,增強水泥水化產(chǎn)物基體的抗收縮性能,最終實現(xiàn)配制新型噴射混凝土。

具體試驗設計如表2所示,其中試驗一:以玄武巖纖維摻量δBF作為控制變量,配制C25噴射混凝土。試驗二:分別以水灰比、膠凝材料用量(摻入粉煤灰時,粉煤灰取代水泥20%)及玄武巖纖維摻量δBF作為控制變量,配制C30、C40噴射混凝土。

表2 配合比試驗設計

根據(jù)規(guī)程《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ 55—2011)[15]、《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規(guī)范》(GB 50086—2015)[16]及《公路隧道設計細則》(JTG TD70—2010)[17]要求,噴射混凝土應滿足表3所示技術指標。考慮到高氣密性的要求,將抗?jié)B等級提高為P8級。

表3 噴射混凝土技術指標

按照配合比設計制備試樣,判斷混合料的和易性是否良好,測定其28 d抗壓強度fcu和抗折強度fcf以及彈性模量E作為強度參數(shù),并測定其抗?jié)B等級。試驗一混凝土試樣強度參數(shù)測定結果如圖2所示,和易性和抗?jié)B等級測定結果如表4所示。

圖2 玄武巖纖維摻量對噴射混凝土強度參數(shù)的影響Fig.2 Effect of volume dosage of basalt fiber on strength parameters of shotcrete

表4 試驗一噴射混凝土和易性和抗?jié)B等級結果

結果表明,在水泥用量和水灰比不變的情況下:①隨δBF的增加,混凝土的抗折強度逐步增加,且前期增長幅度明顯大于后期,這與玄武巖纖維本身高強度高變形能力的性質(zhì)有關,摻入后使得混凝土的抗彎拉能力得到提升;②當δBF<3.5 kg/m3時,混凝土的彈性模量隨δBF的增加大幅增強,增幅達到10 GPa,但隨δBF達到4.0 kg/m3出現(xiàn)驟降,降幅達到4 GPa,而抗壓強度未出現(xiàn)明顯變化,最大變動量僅為3.17%,說明δBF對混凝土試樣抗壓強度影響不大;③隨δBF增加,混合料的和易性和試樣抗?jié)B等級越來越差,當δBF>3.0 kg/m3,開始出現(xiàn)泌水現(xiàn)象,且抗?jié)B等級不再滿足要求。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是玄武巖纖維在混凝土成型過程中僅起到改善早期局部塑形收縮的物理作用,并不參與基體水化反應[9],所以δBF對混凝土抗壓強度影響較小,當δBF>3.0 kg/m3后,玄武巖纖維在拌制過程中成團的幾率增加,影響了纖維-基體界面力學性能的發(fā)揮[10],宏觀表現(xiàn)為混合料和易性變差,微觀表現(xiàn)為混凝土內(nèi)部孔隙增多,從而使混凝土彈性模量降低,抗折強度增幅也隨之減弱。

圖3、圖4給出了試驗二混凝土試樣強度參數(shù)的測定結果,表5給出了其和易性和抗?jié)B等級的測定結果。結果表明:①摻入粉煤灰后混合料的和易性有所改善,混凝土的抗壓強度有所提升,增長約 4 MPa,但抗折強度和彈性模量幾乎未受影響,且抗折強度在后期出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。這是因為粉煤灰參與基體水化反應的火山灰效應存在滯后性,早期強度主要來源于水泥[18],但與不摻入粉煤灰的普通混凝土相比,摻入粉煤灰后可使混凝土更加密實,強度有所提升,隨膠凝材料總量的增加,而δBF未增加,使玄武巖纖維提升抗折強度效果減弱,造成抗折強度下降;②混凝土各項測試結果均大于技術指標要求,并且在δBF不變的情況下,混凝土的彈性模量、抗折強度和抗壓強度隨水泥用量的增加而增加,與普通混凝土相同;③在膠凝材料用量不變的情況下,混凝土的抗折強度隨δBF的增加而增加,而抗壓強度、彈性模量變化不大,反而在δBF=4.5 kg/m3時的彈性模量低于δBF=3.5 kg/m3時的彈性模量,差值約為1 GPa,與試驗一揭示的現(xiàn)象一致。

表5 試驗二噴射混凝土和易性和抗?jié)B等級結果

圖3 粉煤灰用量對噴射混凝土強度參數(shù)的影響Fig.3 Influence of fly ash content on strengths of shotcrete

圖4 試驗二噴射混凝土強度參數(shù)測定結果Fig.4 Results of measurement of strength parameters in the second group of tests

2.3 氣密性測試

2.3.1 氣密性測試原理

氣體滲透性可按廣義達西定律[19]進行計算,即

(1)

式(1)中:Vx為氣體流速,cm/s;x為試件距離進氣端的距離,cm;kx為試件透氣系數(shù),cm/s;μ為氣體黏度系數(shù),Pa·s;Px為試件內(nèi)部隨進氣端距離而產(chǎn)生的氣壓變化,MPa。

在進行混凝土氣密性測試時,將待測混凝土柱或平臺的一端封閉,另一端敞開,檢查試件與容器之間的密封性,并用壓力表控制各時段壓縮氣體的壓力。然后封閉敞開端,接通氣壓計,測量氣壓計在規(guī)定時間t內(nèi)水柱的高度變化為h,則試驗混凝土單位時間透氣量Q[20]和混凝土透氣系數(shù)K將計算公式為

(2)

(3)

式(2)中:Q為單位時間透氣量,cm3/s;Δh為氣壓計讀數(shù)差值;t為壓力穩(wěn)定時間,s;D為試件直徑,cm;K為混凝土透氣系數(shù),cm/s;h為試件高度,cm;γa為空氣容重,1.205×10-5N/cm3;P0為出口段氣體壓力,取大氣壓力,0.1 MPa;P為進口段氣體壓力,MPa;A為試樣透氣面積,cm2。

2.3.2 氣密性測試結果

根據(jù)前述試驗數(shù)據(jù)分析,為探究粉煤灰、玄武巖纖維對混凝土氣密性的影響,選擇普通噴射混凝土(ordinary shotcrete, OS)、粉煤灰噴射混凝土(fly ash shotcrete, FS)、摻入玄武巖纖維噴射混凝土(basalt fiber shotcrete, BS)和摻入玄武巖纖維粉煤灰噴射混凝土(shotcrete mixed with basalt fiber fly ash, BFS)四種配合比設計進行氣壓差值法氣密性試驗,考慮到桐梓隧道瓦斯壓力范圍為0.4～1.5 MPa,進氣壓力設為0.9 MPa,壓力穩(wěn)定時間為6 h,試驗儀器如圖5所示。

圖5 SHQ型混凝土透氣系數(shù)測定儀Fig.5 SHQ type air permeability tester for concrete

分析試驗結果表6可知,四種配合比下混凝土氣密性均小于1×10-10cm/s,滿足設計要求,但加入粉煤灰的混凝土氣密性明顯更佳。

表6 氣密性測試結果

2.4 現(xiàn)場試噴測試

為了驗證玄武巖纖維和粉煤灰對噴射混凝土施工性能的影響,選取表6所示4種噴射混凝土進行現(xiàn)場試噴測試,采集混凝土的噴射速度和側墻回彈率作為施工性能參數(shù)進行對比,測試結果如表7所示。

表7 現(xiàn)場試噴測試結果

根據(jù)現(xiàn)場試噴試驗可知,BFS新型噴射混凝土噴射速度快,回彈率小,施工性能最好。按噴射速度折算,該配合比下新型噴混可比普通噴混節(jié)省約38%的時間。

2.5 新型噴射混凝土各項參數(shù)

綜合比較配合比試驗、氣密性測試及現(xiàn)場試噴測試各項結果,確定BFS新型噴射混凝土的力學及施工性能各項參數(shù)如表8所示。

表8 新型噴射混凝土力學及施工性能各項參數(shù)

3 新型混凝土氣密性影響分析

3.1 氣壓對混凝土氣密性的影響

根據(jù)混凝土透氣系數(shù)計算式(3)可知,通過混凝土試件的氣體流量Q與混凝土的透氣系數(shù)K成正比。施加在混凝土試樣上的壓力P越大,混凝土的透氣系數(shù)越小,但這是在其他變量不變時的結果,當施加到混凝土試樣上的氣體壓力發(fā)生變化時,通過試樣的氣體流速Vx也將變化。因此,在驗證不同壓力對混凝土透氣系數(shù)的影響時應綜合考慮壓力變化引起的氣體流速的變化。另外,由于不同強度混凝土的內(nèi)部孔隙結構不同,高強度混凝土內(nèi)部孔隙結構更為細化,而孔隙結構的粗細會直接影響到氣體分子與孔隙間的Klinkenberg效應(與液體不同,氣體在多孔介質(zhì)滲流過程中會出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象,即靠近孔壁的氣體分子也處于運動狀態(tài),流速不為零,尤其是在低壓條件下氣體流速要比用達西定律計算的流速大[21-22]),進而影響氣體在孔隙結構中的流動。

鑒于桐梓隧道穿越煤系地層時瓦斯壓力范圍為0.4～1.5 MPa,按照《公路隧道設計細則》(JTG/TD70—2010)[17],該高瓦斯段涵蓋一級瓦斯地段(P瓦斯≥0.74 MPa)和二級瓦斯地段(0.15 MPa≤P瓦斯<0.74 MPa)。因此,本次試驗選取的進氣壓力依次為0.2、0.3、0.4、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa,選擇現(xiàn)場試噴后BFS新型噴射混凝土鉆芯取樣如圖6所示,測試上述壓力下混凝土的透氣系數(shù),從而確定新型噴射混凝土的透氣系數(shù)以及能夠真實反映其透氣系數(shù)的最佳測試壓力。

圖6 新型噴射混凝土現(xiàn)場取樣及樣品Fig.6 New type shotcrete field sampling and samples

在進行氣密性試驗操作時,針對某個試件,施加一定的壓力,待通過的氣體流量穩(wěn)定后記錄相應的透氣系數(shù),記錄完成后再提高壓力測試下一壓力值下試件的透氣系數(shù)。試驗后整理數(shù)據(jù)得到圖7所示的結果。

圖7 進氣壓力與新型噴混透氣系數(shù)的關系Fig.7 Relationship between gas pressure and air permeability coefficient of basalt fiber shotcrete

從圖7所示關系曲線可知,對試件施加的氣體

壓力從0.2 MPa增加到0.3 MPa時,試件的透氣系數(shù)驟降,在0.3 MPa至0.6 MPa時,試件的透氣系數(shù)變化較小,處于平穩(wěn)區(qū),而當氣體壓力繼續(xù)增大,透氣系數(shù)快速下降,當進氣壓力達到1.5 MPa時,混凝土透氣系數(shù)已接近為零。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是,對于強度等級較低的混凝土,其內(nèi)部連通孔較多且孔隙較為粗大,在進氣壓力較低時,通過試件的氣體流量就較大,隨著施加氣體壓力的增加(小于 0.3 MPa),雖然可導氣孔隙越來越多,但氣體流量增加幅度較小,其對透氣系數(shù)的影響較壓力的增加偏小,因此造成透氣系數(shù)下降程度較為明顯。而當進氣壓力增加到0.3～0.6 MPa時,該階段的壓力足以導致混凝土內(nèi)部一些較細的孔隙張開,氣體流量顯著增大,其對透氣系數(shù)的影響與壓力相當,因此透氣系數(shù)下降程度較小。當進氣壓力增大到 0.9 MPa 之后,Klinkenberg效應減弱,在更細的孔隙中,氣體流量隨壓力的增大也很難增加,因此,透氣系數(shù)持續(xù)降低。

綜上所述,在進行BFS新型噴射混凝土氣密性試驗時,施加于試件的測試氣體壓力應控制在 0.3～0.6 MPa,此時測試結果最為真實,所得新型噴射混凝土的透氣系數(shù)為0.32×10-10～0.34×10-10cm/s。

3.2 孔隙結構對混凝土氣密性的影響

混凝土內(nèi)部孔隙結構的分布將直接影響到自身氣密性的優(yōu)劣,為探明粉煤灰和玄武巖纖維的摻入對孔隙結構的影響,從而進一步分析其對混凝土氣密性的影響,對混凝土試樣開展壓汞測試,試樣取自現(xiàn)場試噴測試的四種混凝土,測試所得孔結構微分曲線如圖8所示,曲線峰值對應孔徑值為試樣的最可幾孔徑,即出現(xiàn)幾率最大的孔徑,最可幾孔徑越大,內(nèi)部孔隙連通性越大,則混凝土抗?jié)B性越差[23]。對測試結果進行整理得到表9及圖9所示數(shù)據(jù)。

表9 壓汞測試試驗結果

圖8 壓汞測試孔結構微分曲線Fig.8 Differential curve of pore structure of mercury intrusion test

圖9 四種試樣孔隙結構表征Fig.9 The pore structure characteristics of samples

分析試驗數(shù)據(jù)可知,摻入粉煤灰或玄武巖纖維后,混凝土的孔隙率明顯降低,最可幾孔徑也明顯縮小,且摻入粉煤灰的效果要優(yōu)于玄武巖纖維,這是因為摻入粉煤灰后發(fā)生的火山灰反應及其微珠效應使混凝土更為致密。當兩者同時摻入時,混凝土的孔隙率和最可幾孔徑達到最小值,分別約為普通混凝土的51%和42%,同時混凝土的透氣系數(shù)明顯改善,僅為0.186×10-10cm/s,與普通噴射混凝土相比降低了約66%。

為進一步分析孔隙率、最可幾孔徑與透氣系數(shù)的關系,繪制擬合曲線如圖10、圖11所示。從擬合曲線可知,混凝土的孔隙率和最可幾孔徑與透氣系數(shù)均有良好的相關性,相關系數(shù)分別達到了 0.962 52 和0.998 69,顯然,最可幾孔徑的擬合函數(shù)能更好地反映其與混凝土透氣系數(shù)的關系。因此建議可選用最可幾孔徑作為變量來表征透氣系數(shù)的變化,其計算函數(shù)式為

圖10 孔隙率與透氣系數(shù)擬合曲線Fig.10 Fitting curve between porosity and air permeability coefficient

圖11 最可幾孔徑與透氣系數(shù)擬合曲線Fig.11 Fitting curve between the maximum probability aperture and air permeability coefficient

K=0.008 3Dpro-0.087 8

(4)

式(4)中:K為混凝土的透氣系數(shù),cm/s;Dpro為混凝土的最可幾孔徑[24],nm。

4 結論

(1)通過配合比試驗、氣密性測試和現(xiàn)場試噴測試,得到滿足強度、和易性及氣密性要求的同時,施工性能好,噴射速度快,回彈率小的新型噴射混凝土配合比為:水灰比0.38,水泥∶粉煤灰∶玄武巖纖維=360∶90∶1.5(kg/m3)。

(2)對于配制的新型噴射混凝土,在開展氣密性測試時,最佳測試壓力范圍為0.3～0.6 MPa,此時所得新型噴射混凝土的透氣系數(shù)為0.32×10-10～0.34×10-10cm/s。

(3)摻入粉煤灰或玄武巖纖維使得混凝土的孔隙率明顯降低,最可幾孔徑也明顯縮小,摻入粉煤灰的效果要優(yōu)于玄武巖纖維,且兩者同時摻入后效果更優(yōu)。對孔隙率和最可幾孔徑與透氣系數(shù)的關系進行數(shù)據(jù)擬合,最可幾孔徑的擬合相關系數(shù)更高,能更好地反映其與混凝土透氣系數(shù)的關系。