低溫條件下提高噴射混凝土性能的方法研究

丁衛(wèi)軍，王 晨，韓 濤，荀 晗

（陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710032）

1 工程概況

宗灣子至陳子溝二級公路工程共1座隧道，為大吉溝隧道。隧道起點(diǎn)位于吳起縣榆樹坪村西，穿越黃土梁，終點(diǎn)位于東樹灣村，設(shè)計(jì)為單洞隧道，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為雙向兩車道。隧道起止樁號K0+604～K1+520，總長916m，屬中隧道。大吉溝隧道最小平曲線半徑為600m，進(jìn)口縱坡為2.8%、出口縱坡為2.8%。隧道圍巖分級為V級，該隧道位于直線段，從進(jìn)口單口掘進(jìn)。所處隧址區(qū)屬于黃土臺塬梁峁地貌，多屬于Ⅴ級圍巖。

噴射混凝土是利用壓縮空氣做動力，將一定比例的拌和料，通過高壓管道輸送并以高速噴射到受噴面上凝結(jié)硬化而成。噴射混凝土的噴嘴噴出速度達(dá)到50～80m/s，依靠高速噴射時(shí)水泥與集料的反復(fù)連續(xù)撞擊壓密混凝土。由于采用較小的水灰比（0.4～0.5），噴射混凝土能與巖石、磚石、鋼材等有很高的黏結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)與鋼筋網(wǎng)聯(lián)合使用可很好地在結(jié)合面上傳遞拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，具有較高的力學(xué)性能和良好的耐久性，能大幅度地提高隧道承載力，加強(qiáng)隧道整體性。

2 噴射混凝土的性能研究

關(guān)于噴射混凝土方面的研究已歷時(shí)百年有余，1914年美國最先將噴射水泥砂漿應(yīng)用于礦山當(dāng)中，1948～1953年新奧法（NATM）作為一種主要支護(hù)手段被廣泛用于世界各地的地下工程。我國在20世紀(jì)50年代引入并自行試驗(yàn)應(yīng)用噴射混凝土技術(shù)，迅速得到推廣和發(fā)展。噴射混凝土因其施工方式的特殊性，對混凝土的凝結(jié)時(shí)間提出了較高要求，噴射物需在足夠短的時(shí)間內(nèi)快速凝結(jié)失去流動性，同時(shí)具備一定的黏聚力，避免因流動性過大或者黏聚力不足造成的滑移和墜落。因此，噴射混凝土施工時(shí)需要引入速凝劑來確保噴射混凝土的快速凝結(jié)。速凝劑作為一種不可缺少的添加劑，直接影響噴射混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能。速凝劑的摻量并不是越多越好，而是存在一個最佳范圍，混凝土的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均對速凝劑摻量具有顯著敏感性。因此，在進(jìn)行噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參照廠家給出的推薦摻量并結(jié)合具體用途進(jìn)行試配，避免因摻量過少引起的工作性能和早期強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)和因摻量過多對后期力學(xué)性能的不利影響，對速凝劑的最佳摻量進(jìn)行研究勢在必行。

2.1 主要研究內(nèi)容

（1）新拌噴射混凝土黏聚特性。新拌噴射混凝土的黏聚特性是表征其工作性能的有效參數(shù)，與混合料的“可噴性”、噴射后與受噴面的黏結(jié)能力、回彈量密切相關(guān)。本項(xiàng)目借助合作單位長安大學(xué)所開發(fā)的設(shè)備進(jìn)行新拌噴射混凝土的黏聚特性測試，分析溫度、速凝劑摻量兩大因素對其黏聚特性的影響。首先，對比分析不同加載速率平行試驗(yàn)的變異系數(shù)，確定黏聚力試驗(yàn)的最佳試驗(yàn)條件；然后，通過萬能試驗(yàn)機(jī)對不同溫度、不同速凝劑摻量的新拌噴射混凝土進(jìn)行加載測試，分析相應(yīng)條件下的噴射混凝土體系黏聚特性。

（2）噴射混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及預(yù)估模型。噴射混凝土的強(qiáng)度是除工作性能外的另一重要控制參數(shù)，是判斷施工質(zhì)量是否合格的直接指標(biāo)。噴射混凝土的強(qiáng)度形成與混合料的組成、齡期、養(yǎng)護(hù)條件等因素均有密切關(guān)系。本項(xiàng)目針對強(qiáng)度特性重點(diǎn)開展了以下兩個方面的研究：①通過單因素控制研究溫度和速凝劑摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，以確認(rèn)二者對噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的形成是否存在交互作用，以及不同條件下速凝劑的最佳摻量；②通過不同養(yǎng)護(hù)條件的控制分析噴射混凝土強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展規(guī)律，結(jié)合前述研究結(jié)果探索噴射混凝土強(qiáng)度構(gòu)成機(jī)制及形成機(jī)理，建立噴射混凝土強(qiáng)度預(yù)估模型。

（3）低溫條件下噴射混凝土性能改善?；趦?nèi)聚力試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究SAP摻量、額外引水量、聚丙烯纖維摻量對噴射混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能的影響規(guī)律。通過對各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行“歸一化”處理，提出了適用于低溫環(huán)境下的噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)場驗(yàn)證得出該復(fù)合材料在不影響工作性能的基礎(chǔ)上可以大幅增強(qiáng)后期性能并具備一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 新制噴射混凝土黏聚特性研究

（1）新制噴射混凝土黏聚特性影響因素研究。噴射混凝土因其施工要求，在極短時(shí)間內(nèi)能夠快速凝結(jié)硬化，速凝劑必不可少。速凝劑可與膠凝材料反應(yīng)加速水泥的極早期水化，形成膠凝結(jié)構(gòu)進(jìn)而增加噴射混凝土的黏聚力使之不至于發(fā)生流動、滑落。然而各個廠家生產(chǎn)的速凝劑都存在最佳摻量，較少的摻量不能滿足噴射混凝土的工作性能要求，而過多的速凝劑不僅會增大經(jīng)濟(jì)成本，還可能造成噴射混凝土后期性能的下降。

（2）試驗(yàn)方案。試驗(yàn)溫度分別選取5℃、10℃、15℃、20℃、25℃五個溫度，速凝劑的摻量分別選取0%、3%、6%、9%四個不同摻量。配合比同上述研究所述一致，每次配置4 L混凝土用于填裝測試儀。配置混凝土?xí)r的溫度依據(jù)室內(nèi)溫度計(jì)選擇合適時(shí)間進(jìn)行新制噴射混凝土的制備，同時(shí)為保證試驗(yàn)過程中溫度的準(zhǔn)確性，控制環(huán)境箱溫度為相應(yīng)溫度。試驗(yàn)加載速率根據(jù)上述研究分析各組變異性系數(shù)選定10 mm/min。

3 噴射混凝土的強(qiáng)度構(gòu)成

3.1 噴射混凝土強(qiáng)度增長特性研究

噴射混凝土的強(qiáng)度依賴于水泥強(qiáng)度的形成，而水泥強(qiáng)度的形成離不開水泥的水化過程，水泥加適量的水拌和后，水泥的各個組分別開始溶解并產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間很長的復(fù)雜物理與化學(xué)變化，隨著反應(yīng)的不斷發(fā)生，散狀的水泥在水的作用下逐漸變化成為具有一定黏結(jié)和流動性能的可塑性漿體，此時(shí)可稱之為水泥漿，此后水化繼續(xù)進(jìn)行，流動性能不斷下降，黏結(jié)性能不斷加強(qiáng)，最后凝結(jié)硬化成為具有一定強(qiáng)度的石狀體。C3S、C2S、C3A、C4AF作為水泥熟料中的主要礦物組成成分，其對水泥強(qiáng)度形成的重要性不言而喻，這四種礦物成分在水泥水化過程中發(fā)生的反應(yīng)及對水泥強(qiáng)度的影響已有不少學(xué)者研究。其中C3S水化較快，是產(chǎn)生水泥強(qiáng)度的主力軍，是水泥水化產(chǎn)生強(qiáng)度最重要的礦物；C2S水化較慢，主要影響水泥的后期強(qiáng)度；C3A水化反應(yīng)最快，放熱最多，是水泥水化反應(yīng)的急先鋒，主要影響水泥的凝結(jié)速率，但產(chǎn)生的強(qiáng)度并不高；C4AF水化速度和水化熱均較快，主要影響水泥的抗折強(qiáng)度及耐磨性能。

3.2 抗壓強(qiáng)度

外界的溫度條件直接影響水泥混凝土的水化速率，從而影響水泥混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。根據(jù)陜北地區(qū)隧道施工特點(diǎn)，在固定速凝劑摻量為0%和6%情況下，設(shè)計(jì)溫度為5℃、10℃、15℃、20℃、25℃成型試件，分別進(jìn)行不同齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析不同溫度下混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。

4 低溫條件下噴射混凝土性能改善研究

4.1 材料的選擇及技術(shù)性質(zhì)

噴射混凝土由于其特殊性，對工作性能和長期性能均有較高要求。工作性能方面主要指噴射物應(yīng)具有良好的黏聚性，防止噴射混凝土與構(gòu)造面的黏聚力不足或者噴射混凝土自身內(nèi)部的黏聚力不足造成的脫落，避免回彈率過高造成的經(jīng)濟(jì)成本浪費(fèi)。長期性能主要指噴射混凝土作為隧道開挖初期支護(hù)的主要承擔(dān)者，具備長期良好的承載能力，是隧道施工及使用安全的重要保證，故應(yīng)具有良好的力學(xué)性能，并且應(yīng)避免因自身的收縮開裂等病害造成力學(xué)性能下降等問題。

然而，我國多數(shù)高寒地區(qū)滿足具備良好施工條件的作業(yè)周期短，不可避免地要求在不良環(huán)境下進(jìn)行施工。上述研究中提到溫度是影響水泥凝結(jié)時(shí)間以及噴射混凝土強(qiáng)度形成的重要因素，相對較低的溫度并不能保證施工以及養(yǎng)護(hù)的順利進(jìn)行。為了確保噴射混凝土的黏聚性，施工方往往會提高速凝劑的摻量，但相對高的速凝劑摻量又會影響到噴射混凝土硬化后的長期性能。加之低溫對水泥水化速率的影響，更是導(dǎo)致噴射混凝土的長期性能得不到較好的提升。

為了使噴射混凝土在低溫施工及養(yǎng)護(hù)過程中始終具備良好的性能，可以選擇增加部分膠凝材料的用量，并引入減水劑等材料以確保其長期性能。但往往在提高強(qiáng)度的同時(shí)伴隨有高收縮現(xiàn)象，相對較高的濕度可以有效地減緩混凝土的收縮，濕度也在一定程度上影響了水泥的水化和混凝土強(qiáng)度的形成，可以通過引入增加濕度的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料來確保濕度。同時(shí)引入纖維也可以有效提高混凝土的強(qiáng)度，延緩收縮開裂。

4.2 超吸水樹脂

超吸水樹脂（SAP）具有很強(qiáng)的吸水能力，往往能夠吸收是自身質(zhì)量的幾百倍的水。但是在不同離子濃度的混凝土拌和物中的吸水能力不同，僅憑經(jīng)驗(yàn)往往無法準(zhǔn)確地判斷SAP的額外引水量。

聚丙烯纖維以聚丙烯為原料，經(jīng)加工處理后得到高強(qiáng)度束狀單絲有機(jī)纖維，易于分散，該纖維具有極其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，不與混凝土中其他材料發(fā)生反應(yīng)，僅發(fā)揮其物理性質(zhì)，可有效地減少高強(qiáng)混凝土的收縮及裂縫，抑制裂縫的形成和發(fā)展，從而大幅度改善噴射混凝土的抗收縮抗裂性能。

5 低溫噴射混凝土力學(xué)性能改善及分析

低溫會影響膠凝材料的水化，為了克服低溫帶來的不利影響，可以采用增加膠凝材料用量或者摻入減水劑等方法，同時(shí)為了抑制收縮開裂摻入SAP及聚丙烯纖維。但強(qiáng)度仍是混凝土最重要的指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制過程中必須嚴(yán)加把控的首要因素，不能以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)。當(dāng)前關(guān)于SAP對混凝土強(qiáng)度的作用仍存在爭議：部分學(xué)者認(rèn)為摻入SAP會降低混凝土的強(qiáng)度；部分學(xué)者認(rèn)為摻入SAP不但不會降低混凝土的強(qiáng)度還會使強(qiáng)度得以提升；還存在部分學(xué)者認(rèn)為當(dāng)摻入的SAP適量時(shí)，會對混凝土的強(qiáng)度有所增長。

在此基礎(chǔ)上，綜合上述研究噴射混凝土配合比對陜北地區(qū)隧道初期支護(hù)邊坡進(jìn)行試噴。利用鋼尺測量一次噴射所能達(dá)到的最大厚度，以掉落質(zhì)量表征回彈率。將現(xiàn)場噴射大板移至室內(nèi)養(yǎng)生1d后，切割成邊長為100mm的立方體試件，并測定其養(yǎng)生1d、28d后的抗壓強(qiáng)度。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目以噴射混凝土為研究對象，重點(diǎn)研究了溫度和速凝劑交互作用下噴射混凝土黏聚特性和強(qiáng)度特性的發(fā)展規(guī)律。以低溫施工為目的、以保濕、增韌為出發(fā)點(diǎn)，提出SAP及聚丙烯纖維對低溫條件下的噴射混凝土性能具有改善作用并加以研究，提出了適用于低溫施工時(shí)噴射混凝土的材料組成。