富水隧道強(qiáng)粘結(jié)噴射混凝土配置研究

宋海宏

(中鐵十二局集團(tuán)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(hù)時，經(jīng)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(jié)強(qiáng)度下降明顯，導(dǎo)致噴射混凝土在圍巖表面凝結(jié)成型較為困難，甚至由于粘結(jié)強(qiáng)度下降，無法承載噴射混凝土自重，已經(jīng)初步形成的噴層，出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。

在施工過程中，由于圍巖表面存在的涌水現(xiàn)象，有大量的噴射混凝土被浪費(fèi)。為了提高噴射混凝土的利用率，提升工程經(jīng)濟(jì)效益，加快工程建設(shè)進(jìn)度，噴射混凝土與存在涌水巖面的粘結(jié)問題亟待解決。

2 方案設(shè)計(jì)

在富水隧道施工中，初期支護(hù)采用的噴射混凝土要求采用濕噴技術(shù)，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(jié)強(qiáng)度很差，施工過程中回彈量大，噴射形成的混凝土強(qiáng)度不足，密實(shí)度差，性能差。

由于沸石粉具有黏度及滾珠效應(yīng)，在流態(tài)混凝土和泵送混凝土中摻入沸石粉，混凝土拌和物的結(jié)構(gòu)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(diào)整水灰比、外摻料的量，通過試驗(yàn)對比研究不同配比情況下的粘結(jié)強(qiáng)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(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)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(jì)算試配強(qiáng)度

混凝土試配強(qiáng)度配置強(qiáng)度采用下式確定:

式中，fcu，0為混凝土配制強(qiáng)度(MPa)；fcu，k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)；σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，取5.0 MPa[4]。

(2)計(jì)算水膠比(W/B)

式中，αa為 0.53；αb為 0.2。

本次試驗(yàn)水膠比擬選取0.36，滿足要求。

(3)確定單位用水量

依據(jù)現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所要求的砼坍落度、碎石最大粒徑及經(jīng)驗(yàn)，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(shí)測結(jié)果27.2%計(jì)算[5-6]，混凝土的用水量按下式計(jì)算:

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場施工情況，選用用水量為169 kg/m3比較合理。

(4)計(jì)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(jì)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(jù)水灰比、規(guī)范及施工工藝要求選砂率為βs＝50%；

③計(jì)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(chǎn)的沸石粉中SiO2和Al2O3等成分的含量有所區(qū)別，且細(xì)度對沸石粉的活性有一定的影響，現(xiàn)選取3個廠家所生產(chǎn)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(jù)《混凝土和砂漿用天然沸石粉》(JG/T 566—2018)規(guī)范對沸石粉進(jìn)行活性指數(shù)試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(chǎn)的沸石粉，按表1膠砂配合比進(jìn)行膠砂攪拌，試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)砂，試驗(yàn)材料均滿足規(guī)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(jìn)行養(yǎng)護(hù)，達(dá)到齡期后進(jìn)行抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度測試，本次試驗(yàn)測試3 d和28 d強(qiáng)度。測試結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 抗折強(qiáng)度

圖2 抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)測得對比膠砂的3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為27.30 MPa、51.03 MPa，根據(jù)規(guī)范沸石粉各齡期活性指數(shù)按如下公式計(jì)算:

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

沸石粉粒徑越小(目數(shù)越大)，膠砂試塊抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度越大，活性指數(shù)越大；廠家A所生產(chǎn)的沸石粉不同齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均好于另外兩個廠家的沸石粉，活性指數(shù)也達(dá)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(qiáng)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(yīng)物，將減少C-S-H凝膠的生成，導(dǎo)致混凝土的早期及后期強(qiáng)度下降[11-12]。

試驗(yàn)以現(xiàn)場施工噴混所采用的配比為基礎(chǔ)，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(yàn)采用325目、800目、1 250目三種不同粒徑的沸石粉進(jìn)行平行試驗(yàn)。

各摻量混凝土的配比情況見表2。

表2 配比參數(shù) kg/m3

按以上配比拌制15 L的混凝土，根據(jù)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(jīng)過一定的試配，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際試驗(yàn)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(jù)試配結(jié)果調(diào)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(jìn)行坍落度試驗(yàn)。

將拌和物裝入試模，制作100 mm×100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，每組試驗(yàn)需制作9個試塊，并在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，并通過抗壓試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度減小。沸石粉摻量為10%時，早期強(qiáng)度和28 d強(qiáng)度減小量較小，當(dāng)沸石粉摻量超過20%時，混凝土抗壓強(qiáng)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(jié)力，還需要混凝土有一定的早期強(qiáng)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(qiáng)度的影響(1250目)

圖4 沸石粉摻量對混凝土強(qiáng)度的影響(800目)

圖5 沸石粉摻量對混凝土強(qiáng)度的影響(325目)

3 配比試驗(yàn)

在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時，需要考慮水泥強(qiáng)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(yàn)組數(shù)量，采用正交試驗(yàn)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(shù)選3個，如表3。

表3 正交試驗(yàn)的因素及水平

根據(jù)4個變量因素，各因素的水平數(shù)選3個，按正交試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)，對應(yīng)的各參數(shù)具體如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)參數(shù)

制作150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，每個試驗(yàn)編號需制作9個試塊，并在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，并通過抗壓試驗(yàn)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(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果 MPa

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到方差分析表6、表7。

表6 正交試驗(yàn)3 d強(qiáng)度方差分析

表7 正交試驗(yàn)28 d強(qiáng)度方差分析

從試驗(yàn)結(jié)果中看出:隨著水膠比增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度減小。這一規(guī)律與普通混凝土規(guī)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(lián)結(jié)性減弱，混凝土的抗壓強(qiáng)度減小。且混凝土的早期強(qiáng)度主要由膠凝材料水化硬化強(qiáng)度控制，早期抗壓強(qiáng)度測試中，混凝土試塊從粗骨料膠結(jié)處破壞；后期抗壓強(qiáng)度則主要由粗骨料和膠凝材料強(qiáng)度共同控制。

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

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

對于混凝土早期強(qiáng)度(1 d和3 d強(qiáng)度)，砂率增加，混凝土抗壓強(qiáng)度無明顯改變，但是對于28 d強(qiáng)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(qiáng)度減小。

由表6、表7可以看到，對于3 d、28 d強(qiáng)度，水膠比對混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響均是極為顯著，沸石粉摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響均為顯著，砂率對3 d強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度影響較大。

從試驗(yàn)結(jié)果看:膠凝材料影響最小，但其用量應(yīng)足以保證骨料之間的膠結(jié)，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(qiáng)度會有所減小，因此砂率建議為50%；水膠比是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素，當(dāng)膠凝材料用量一定時，主要通過調(diào)節(jié)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(jù)試驗(yàn)過程中拌和物工作性能，水膠比建議0.36左右。

4 隧道內(nèi)沸石噴射混凝土試驗(yàn)

為探究摻沸石粉混凝土的噴射效果，在隧道內(nèi)展開噴射混凝土試驗(yàn)，試驗(yàn)將正交試驗(yàn)所得配比A與施工現(xiàn)場所用的配比B進(jìn)行對比。具體參數(shù)見表8。

表8 噴射混凝土試驗(yàn)配合比

考慮到施工現(xiàn)場實(shí)際情況，第一次拌制10 m3混凝土在隧道內(nèi)自下而上進(jìn)行掃噴，余下混凝土則可噴在隧道兩側(cè)拱腳處；第二次按照正交試驗(yàn)所確定的配比，拌制10 m3摻沸石粉的混凝土，通過濕噴機(jī)械手試噴，待噴射穩(wěn)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(cè)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(cè)拱腰及拱頂處，觀察記錄噴射效果，并測其回彈量。各齡期強(qiáng)度見表9。

表9 噴射混凝土各齡期強(qiáng)度 MPa

從噴射混凝土強(qiáng)度結(jié)果來看，摻入沸石粉的混凝土的強(qiáng)度略小于未摻沸石粉的混凝土，但通過觀察噴混效果，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)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?yàn)?沸石粉是一種多孔的粉狀物，而其孔徑往往能達(dá)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(dāng)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(huán)境下反應(yīng)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(jié)

(1)室內(nèi)試驗(yàn)表明:混凝土中摻入沸石粉會使混凝土強(qiáng)度性能降低，隨著沸石粉摻量的增加，混凝土強(qiáng)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(qiáng)度減小；膠凝材料用量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度增大；砂率增加，混凝土抗壓強(qiáng)度減小；沸石粉摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度減小。以1 d、3 d、28 d抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，按正交試驗(yàn)極差分析法分析數(shù)據(jù)，極差能反映各因素在水平變動時，試驗(yàn)指標(biāo)的變化幅度，極差越大，表明該因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響越大。經(jīng)分析得，各因素對試驗(yàn)指標(biāo)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(dāng)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(huán)境下反應(yīng)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。