隧道襯砌拱頂帶模微膨脹注漿材料配比試驗研究

荊珂

中鐵西南科學(xué)研究院有限公司 四川 成都 611730

引言

隧道襯砌拱頂帶模微膨脹注漿材料由普通硅酸鹽水泥、超細摻和料、聚羧酸減水劑、微膨脹劑、硅砂等為主要成分，經(jīng)均勻復(fù)合而成的，具有微膨脹性能，良好的流動性和泵送性，與襯砌混凝土具有良好的結(jié)合性能，通過高壓注漿泵注入到隧道襯砌與防水板間的脫空區(qū)的一種注漿材料[1]。通過對襯砌臺車進行改造，在襯砌臺車模板中心線位置沿臺車縱向方向設(shè)置一定數(shù)量的注漿孔，并安裝注漿用固定法蘭，在澆筑混凝土前預(yù)埋活性粉末混凝土（RPC）注漿管，混凝土澆筑結(jié)束后及時從預(yù)埋注漿管處注入微膨脹注漿料。該施工工藝在襯砌背后進行充填壓漿，不僅可以充填由于混凝土澆筑不飽滿形成的空腔，使初期支護和二次襯砌密貼共同受力，而且可以填塞由于混凝土不密實或開裂形成的縫隙，封堵地下水而起到防水作用[2]。

本文主要依據(jù)《隧道襯砌拱頂帶模注漿暫行技術(shù)要求》中相關(guān)工藝及技術(shù)要求，通過具體試驗，分析相關(guān)原材料對微膨脹注漿材料性能影響趨勢，優(yōu)化各組分比例，配制出滿足要求的微膨脹注漿材料。

1 試驗

1.1 原材料性能

水泥：四川某水泥集團有限公司生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥，比表面積380m2/kg，其性能見表1。

硅灰：四川某硅鐵合金廠生產(chǎn)的灰白色硅粉，二氧化硅含量大于92%，密度2.3g/m3，堆積密度400kg/m3，比表面積為18m2/g，需水量比110%。

石英砂：成都市郫都區(qū)某石英砂廠生產(chǎn)的40-200目石英砂，二氧化硅含量98%。

減水劑：蘇州某化學(xué)建材有限公司生產(chǎn)的P1030型粉體聚羧酸減水劑，減水率28%，固含量95%。

消泡劑：德國某公司生產(chǎn)的P803型非離子型表面活性劑消泡劑，白色粉狀。

早強劑：南京某貿(mào)易有限公司提供的甲酸鈣，純度≥98%，中性，無毒，溶于水。

穩(wěn)定劑：巴斯夫Starvis 3003黏度改性劑，粉體。

塑性膨脹劑：淡黃色AC發(fā)泡劑，主要成分為偶氮二甲酰胺，純度≥96%。

水：本地自來水，符合混凝土用水標(biāo)準。如表1所示

表1 P·O42.5R水泥物理化學(xué)性能指標(biāo)

1.2 配方設(shè)計

配方設(shè)計主要考察以下幾種因素對微膨脹注漿材料施工性能和力學(xué)性能的影響趨勢，通過試驗結(jié)論得到最優(yōu)的配比。

1.2.1 早強劑摻量變化對微膨脹注漿材料強度及工作性能的影響情況，特別是12h強度的影響。

1.2.2 硅灰摻量變化對微膨脹注漿材料強度及工作性能影響情況。

為簡化試驗，配方設(shè)計時總膠凝材料、石英砂、減水劑、塑性膨脹劑、消泡劑、穩(wěn)定劑摻量、水料比均為固定值。

1.3 試件制作及養(yǎng)護

原材料按配比稱量好后，先人工預(yù)混均勻，然后采用ISO水泥膠砂攪拌機低速模式攪拌，攪拌時間3min，然后測出機流動度、90min流動度、分離度、泌水率，最后將拌合物分別裝入40mm×40mm×160mm的膠砂三聯(lián)試模中，自流密實，免振倒成型12h、1d、28d強度試件。

成型后的試模在標(biāo)準恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護12h，然后脫模養(yǎng)護至規(guī)定凝期檢測抗壓、抗折強度，脫模后的養(yǎng)護相對濕度不應(yīng)小于90%，且不得在水中浸泡或者直接淋水。

1.4 試驗方法

微膨脹注漿料出機流動度、9 0 m i n 流動度保留值按GB50448-2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》附錄A.0.2進行檢驗；泌水率按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準》（GB 50080）檢驗，漿體裝入試樣桶時不得振動或插搗；分離度按《隧道襯砌拱頂帶模注漿暫行技術(shù)要求》進行測試；抗壓/抗折強度按GB/T17671-1999進行檢驗。

2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)配比設(shè)計主要考慮因素，以下主要分析早強劑、硅灰摻量對微膨脹注漿料拌合物工作性能及強度的影響，找到最佳的配比。

2.1 甲酸鈣摻量對微膨脹注漿料拌合物工作性能及強度的影響

在基本配比不變的前提下，選取3種不同的甲酸鈣摻量進行試驗，試驗配比及試驗數(shù)據(jù)見表2，隨著甲酸鈣摻量增加，12h、1d抗折抗壓強度均出現(xiàn)明顯的增長趨勢，摻量由0.25%增加到0.5%時，12h強度增長最為明顯，抗折抗壓強度增長率都在200%以上，28d強度仍有一定增長；摻量由0.5%增加到0.75%時，12h、1d抗折抗壓強度增長趨勢有所減弱，且28d抗折抗壓強度均出現(xiàn)一定的倒縮情況。從拌合物工作性能分析，隨著甲酸鈣摻量的增加，90min流動度出現(xiàn)了相應(yīng)的降低現(xiàn)象，當(dāng)甲酸鈣摻量為0.75%時，90min流動度只有300mm，未能達到標(biāo)準要求。綜合考慮，當(dāng)甲酸鈣摻量為0.5%時，微膨脹注漿料的12h、1d、28d各凝期強度均最高，且拌合物工作性能也能滿足標(biāo)準要求，因此甲酸鈣摻量最佳為0.5%。

產(chǎn)生以上不同試驗結(jié)論的原因，經(jīng)分析可能是加入甲酸鈣以后，一方面增加Ca2+離子的濃度，起到增鈣作用。另一方面，甲酸鈣中的甲酸根離子（HCOO-）能夠形成同AFt和AFm相近的類似物，且能降低液相的pH值，促進Ca（OH）2的沉淀，水泥顆粒表面溶液中OH－濃度迅速降低，加速了未水化的水泥顆粒進一步反應(yīng)，促進了C—S—H凝膠的形成，從而提高了水泥漿體的抗壓和抗折強度。如果甲酸鈣摻量較大，則生成的類AFt和AFm還將繼續(xù)生成膨脹性的硫鋁酸鈣產(chǎn)物，使硬化后的水泥石強度受到損害，造成混凝土后期強度下降[3]。由于甲酸鈣加速了水泥水化反應(yīng)速度，對水泥有較明顯的促凝作用，這也導(dǎo)致微膨脹注漿料90min流動性隨著甲酸鈣摻量的增加而呈現(xiàn)降低趨勢。如表2所示。

表2 甲酸鈣摻量對微膨脹注漿料拌合物工作性能及強度的影響

2.2 硅灰摻量對微膨脹注漿料拌合物工作性能及強度的影響

在基本配比不變的前提下，選取3種不同的硅灰摻量進行試驗，試驗配比及試驗數(shù)據(jù)見表3，隨著硅灰摻量增加，12h、1d、28d抗折抗壓強度均有不同的增長，當(dāng)摻量為2.5%時，12h、1d強度存在部分不達標(biāo)情況。摻量由5%增加到7.5%時，各凝期強度均達到標(biāo)準要求，摻量為7.5%時，強度值達到了最高，抗折為13.5MPa，抗壓為73.5MPa；從拌合物工作性能分析，隨著硅灰摻量的增加，出機和90min流動度均出現(xiàn)了相應(yīng)的減小現(xiàn)象，當(dāng)硅灰摻量為2.5%時，出機流動度達到了405mm，當(dāng)硅灰摻量增加到7.5%時，出機和90min流動度減少非常明顯，未能達到標(biāo)準要求。綜合考慮，當(dāng)硅灰摻量為5%時，微膨脹注漿料的12h、1d、28d各凝期強度均富余充足，且拌合物工作性能也能滿足標(biāo)準要求，因此硅灰摻量最佳為5%。

體系中硅灰作為膠凝材料取代部分水泥，一方面由于硅灰顆粒非常微小，大多數(shù)顆粒粒徑小于1μm，僅為水泥顆粒直徑的1/100，因此可以充分地填充在水泥顆粒之間，提高漿體硬化后的密實度。另一方面，硅灰中含有80%以上的無定形二氧化硅，能與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠，改善界面過渡區(qū)，提高結(jié)構(gòu)致密性，從而提高注漿料的抗折和抗壓強度。但由于硅灰細度大，比表面積遠遠大于水泥顆粒，摻入注漿料中的硅灰吸附大量的減水劑和水，減少了水泥顆粒表面對水分子和減水劑分子的吸附，增加了水泥砂漿的稠度，增大了漿體黏性流動時顆粒之間的摩擦阻力，導(dǎo)致流動度減小，降低了水泥漿體的流動性[4]。如表3所示

表3 硅灰摻量對微膨脹注漿料拌合物工作性能及強度的影響

3 結(jié)束語

通過以上試驗數(shù)據(jù)，可以得出甲酸鈣、硅灰摻量對微膨脹注漿料強度和拌合物工作性能的影響趨勢，最終得出符合規(guī)范要求的注漿料配比。

甲酸鈣作為早強劑能顯著提高注漿料的早期強度（12h、1d），使采用普通硅酸鹽水泥的配方體系12h強度滿足規(guī)范要求，但應(yīng)控制摻入量，摻量過高時會導(dǎo)致28d后期強度出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象，并影響注漿料拌合物的流動性能。綜合考慮，最終選用0.5%為最佳摻量。

硅灰作為優(yōu)良的礦物摻合料，其超細的顆粒尺寸和高不定形二氧化硅含量，兼具微小顆粒填充和二次水化作用效應(yīng)，能顯著提高注漿料硬化后的密實度，減少內(nèi)部缺陷，對早期及后期強度均有非常明顯的提升作用，當(dāng)摻量7.5%時，會影響注漿料的工作性能。綜合考慮，最終選用5%為最佳摻量。