软岩隧道早强型喷射混凝土外加剂配方试验研究

（中铁十六局集团第五工程有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

喷射混凝土的硬化速率对隧道围岩及支护结构的变形具有一定的影响，尤其在软弱围岩中，早强型喷射混凝土可有效减少初支的变形，保障隧道的施工安全，同时可减小预留变形量的设置，具有重要的经济价值。一般而言，混凝土材料的弹性模量与混凝土强度之间呈正相关关系，目前通常采用添加速凝剂的方法来提高喷射混凝土的早期强度，但速凝剂的掺量对喷射混凝土后期强度折损影响很大，因此研究既能提高喷射混凝土早期强度又能保证其后期强度的添加剂配方，对软弱围岩隧道支护具有重要意义。

2 喷射混凝土硬化机理及早强影响因素

2.1 混凝土硬化机理

普通硅酸盐水泥的主要化学成分有：硅酸三钙，硅酸二钙，铝酸三钙，铁铝酸四钙，二水硫酸钙。水泥在常温下反应生成的两种水化产物，一类是结晶较差、尺寸较小的水化硅酸钙刚性纤维凝胶（C-S-H 凝胶），这是水泥石的主要强度来源；另一种是结晶相对完整、晶粒比较大的Ca（OH）2、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙等。

2.2 早强型喷射混凝土影响因素分析

为了加快水泥的水化反应，实现喷射混凝土的早强，目前常规的做法是在混凝土拌合料内加入促进水泥水化的外加剂，常用的有速凝剂、减水剂、早强剂、活性粉末等，尽管作用机理有所差异，但其本质都是降低水与水泥熟料颗粒表面的接触张力，加速钙矾石、C-S-H 凝胶等水化产物的生成，达到快速凝结和硬化的目的。由于试验无法考虑每个影响因素对喷射混凝土强度的影响，故文章主要选取速凝剂、减水剂、有机物类早强剂、无机盐类早强剂及活性粉末硅灰，研究各因素对混凝土的强度影响。

3 早强型喷射混凝土外加剂配方试验

3.1 试验材料

水泥（普通硅酸盐水泥P.O 42.5）、速凝剂（喷射混凝土用速凝剂）、有机物类早强剂（三乙醇胺）、无机盐类早强剂（硫酸铁，AR 级）、减水剂（聚羧酸盐高效减水剂）、硅粉（一级硅灰）、细骨料（普通机砂，细度模数2.7）及粗骨料（5～10mm 连续级配碎石）。

3.2 试验设计方案

由于试验影响因素较多，对每一个影响因素进行分析会增加试验的工作量。因此，本文首先确定速凝剂和减水剂的掺量，对喷射混凝土试验的基准配合比进行设计，并在此基础上进行三乙醇胺、硫酸铁及硅灰三因素的正交试验。

3.3 喷射混凝土配合比设计

根据C25 喷射混凝土混合料配合比设计相关规定，确定喷射混凝土配合比如表1。

表1 试验喷射混凝土基准配合比 （单位：kg/m³）

3.4 正交试验设计

在确定喷射混凝土基准配合比及减水剂和速凝剂的掺量时，正交试验影响因素选择：A 三乙醇胺、B 硫酸铁、C 硅灰。具体因素水平表如表2。

表2 因素水平表

根据上述分析，正交试验为三因素三水平正交试验，即L9（33），正交试验表如表3 所示。

表3 正交试验表

4 正交试验数据分析

4.1 空白组试验结果分析

设置两组空白组试验，空白组1 为不添加任何外加剂的试验组，空白组2 为仅添加速凝剂和减水剂的试验组，各龄期的无侧限抗压强度如表4 所示。由表4 可知，空白组2 的1d 强度满足规范要求，速凝剂导致的28d 强度折损为75.22%。满足C25 强度要求，验证配合比设计的正确性。

表4 空白组试验结果 （单位：MPa)

4.2 早期强度结果分析

对喷射混凝土早期强度进行分析，龄期分别为4h、8h、12h、1d，正交试验各组各龄期的无侧限抗压强度统计如表5。

表5 早期强度试验数据表 （单位：MPa）

从表5 数据可知，9 组试验的各龄期强度和空白组2 的对应强度相比，基本全面提高，说明早强组分的种类选择和添加范围基本无误。由于试验目的主要是研究喷射混凝土早期强度的提升，故接下来主要针对正交试验组的早期强度（4h，8h，12h，1d）进行极差分析。因数据较多，不一一罗列，各因素对喷射混凝土早期强度的影响变化规律如图1。对喷射混凝土早期强度极差分析可知：①B 因素对早期强度的影响较小，可知在体系中引入确实可以通过快速形成钙矾石而获得较高的早期强度，但后续强度的增长能力有限；②在4h 和8h 的强度测试中，C 因素比A 因素拥有更重要的决定性作用，而在12h 和1d 的强度测试中则是相反的结果，但两者极差并不大。从选取的水平来看，A 因素选择2 水平是比较理想的掺量选择；③在4h 和8h 时1%掺量的硅灰可以有效提高喷混的早期强度。但在12h 和24h 时，硅灰的掺入效果显著性下降。

4.3 后期强度结果分析

图1 各因素在早期强度中的影响趋势线

图2 各因素在后期强度中的影响趋势线

对正交试验组后期的无侧限抗压强度（3d，7d，28d）进行分析，通过分析统计，9 组试验的后期强度和基本全面高于空白组2，说明早强组分的种类选择和添加范围并没有对该配方下的后期强度造成减缩。对后期强度的数据进行极差分析，各因素对喷射混凝土后期强度（重点考虑28d 强度）的影响变化规律如图2 所示。

对喷射混凝土早期强度极差分析可知：①因素A 对喷射混凝土28d 强度具有一定的影响，选择2 水平可有效保证28d 强度；②因素B 选择1水平即可保证喷射混凝土后期强度，且各龄期强度随掺量增加而相应减小；③因素C 对喷射混凝土后期强度影响较大，尤其对28d 强度的影响，随着硅灰掺量的增加，后期强度具有明显的提升。

5 结语

文章根据正交试验原理，对喷射混凝土外加剂配方进行正交试验，主要结论如下。

因素A（TEA）对喷射混凝土强度的影响主要体现在早期强度，对后期强度影响不大，选择2 水平（0.04%的掺量）比较理想。

B 因素（硫酸铁）的添加可使得喷射混凝土获得较高的早期强度，但其强度是随着掺量的增加而衰减，选择1 水平（0.5%）比较理想。

C 因素（硅灰）对后期的强度有大幅的提升，在条件允许的情况下，可以适量添加硅灰。

结合上述分析结果来看，A2B1C3 是较为理想的配方选择。