隧道机制砂喷射混凝土研究

雷乃金，陈平奥

隧道机制砂喷射混凝土研究

雷乃金1，陈平奥2

(1. 贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550008；2. 贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081)

以贵州省梨花井隧道施工为背景，研究机制砂喷射混凝土制备技术，通过室内及现场试验对比分析各配比喷射混凝土工作性能、抗压强度、劈裂强度及抗渗性，并采用非线性回归的方法得到混凝土力学性能随龄期增长的经验关系公式。研究结果表明：单掺粉煤灰或复掺硅粉与粉煤灰制备的机制砂喷射混凝土工作性能及力学性能均能满足设计要求，而复掺硅粉与粉煤灰后的混凝土抗压强度、坍落度、回弹率均优于单掺粉煤灰，故工程选择复掺硅粉与粉煤灰方案；机制砂喷射混凝土抗压强度和弹性模量随龄期变化满足：()=0[1−−mt−(1−)−nt]关系式，其中：为混凝土抗压强度或弹性模量，为自然常数，，和为常数参数，机制砂喷射混凝土抗压强度和弹性模量早期增长较快，后期增长缓慢。

机制砂；喷射混凝土；硅粉；抗压强度；弹性模量

喷射混凝土技术是用压力喷枪喷涂灌筑细石混凝土的施工法，其广泛应用于隧道衬砌、边坡支护等工程中，具有经济、工期短等特点[1−4]。与钢筋网、锚杆等支护方法结合可显著提高其对结构物的防护能力[5−6]。随着我国高速铁路及公路的大量建设，复杂地质区域隧道开挖对隧道衬砌用喷射混凝土性能提出了更高的要求，国内外学者已做了大量相关研究。纤维材料(钢纤维、玄武岩纤维、PVA纤维等)可显著提高喷射混凝土的强度、抗裂性和韧性[7−10]，且通过外加减水剂可改善喷射混凝土工作性能，以满足施工要求[11−12]，因此，纤维喷射混凝土在工程得到大量应用。隧道内特殊的水文条件要求喷射混凝土具有良好的抗渗性和抗硫酸盐侵蚀能力，已有研究发现硅灰和粉煤灰的微孔填充效应可降低喷射混凝土孔隙率，进而提高其抗渗性[13−16]，防腐剂及表面处理材料可有效提高喷射混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级[17]。上述喷射混凝土性能与其砂的材质密切相关，河砂由于含粉量低等特点配制的喷射混凝土工作性能良好，但河砂的过度开采导致生态环境恶化严重，因此，机制砂代替河砂配制混凝土技术迅速发展[18]。近些年，机制砂喷射混凝土[19−21]研究鲜有报道，本文以梨花井隧道施工为工程背景，研究了机制砂喷射混凝土配合比设计，通过室内及室外混凝土试验对比分析了各配合比喷射混凝土抗压强度、早期强度、劈裂强度、抗渗性等，对机制砂喷射混凝土性能提升具有重要意义。

1 工程概况

梨花井隧道位于贵州省六盘水市盘县，隧道全长331 m。隧道穿越山体属岩溶中山区。山体连绵、地形坡度变化较大，一般25°～55°。隧道进口段，斜坡坡度31°，基岩出露，但其后援斜坡坡度35°～40°，可见表生溶蚀现象发育，溶蚀裂隙及熔沟多发育，岩体较破碎，其上植被发育一般，农作物以玉米为主；隧道出口段地形坡度40°，地面的溶蚀裂隙及溶沟不甚发育，岩体较破碎。

图1 梨花井隧道右洞纵断面图

2 原材料及配合比设计

2.1 原材料

1) 水泥：贵州黔桂三合水泥有限责任公司生产的型号P.O 42.5的普通硅酸盐水泥，其相关性能见表1。

2) 机制砂：表观密度2.74 g/cm3，堆积密度1.61 g/cm3，石粉含量为5.4%，压碎指标21%，细度模数2.8，级配曲线如图2所示。

表1 试验用水泥性能

图2 机制砂级配曲线

3) 碎石：粒径5～10 mm光面砂，表观密度2.675 g/cm3，相对孔隙率40.6%，压碎指标18.6%，含泥量0.6%，碎石表面洁净无污染。

4) 其他材料：①硅灰：SiO2含量≥93%；②I级粉煤灰：密度2.38 g/cm3，比表面积369 m2/kg；③液态无碱速凝剂：型号TCC766，密度为1.25~1.35 g/mL，pH值为4~6，实验掺量为5%。④减水剂：采用CPA系列聚羧酸高性能减水剂，pH值为6~8，氯离子含量小于0.1%，减水率大于25%。

2.2 配合比设计及基准配合比

喷射混凝土作为隧道的永久单层衬砌，参照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55—2011、《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GBT50080—2002以及《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086—2001有关规定，拟制机制砂喷射混凝土强度等级为C25，拟定机制砂喷射混凝土坍落度为120 mm，工作性能良好，回弹率低，试验所用混凝土基准配合比为水泥:水:砂:碎石=448:202:923: 828(单位kg/m3)，水灰比为0.45，砂率为0.53。粉煤灰按水泥质量的20%和15%添加，硅粉按水泥质量的4%掺入，试验设计了4组配合比，其单位体积混凝土拌合物用量见表2。

测定各配比混凝土拌合物的坍落度，并采用现场喷大板方法制作混凝土试件，混凝土试模尺寸为450 mm×350 mm×150 mm，喷射后试件在隧道潮湿环境中养护1 d后脱模，3 d后置于养护室内，待养护14 d后切割为100 mm×100 mm×100 mm标准试件，继续养护至28 d龄期进行抗压试验。

表2 单位体积混凝土拌合物用量

图3 坍落度测试

图4 喷射混凝土衬砌表面

对于每种配合比的喷射混凝土进行立方体抗压强度试验和测定其坍落度、回弹率，结果见表3。配合比C和配合比D坍落度均小于120 mm，不满足设计要求，配合比A由于粉煤灰掺量过大，降低了混凝土的黏聚性，进而回弹率增大。本文选择A、B配合比为本试验最终配合比，并对A，B 2种配合比进行力学性能及抗渗性研究。

2.3 结果与分析

测试了龄期4 h，12 h，1，3，7和14 d的各配合比抗压强度、劈裂强度，各实验所用标准试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，其结果分别见图6和图7。

图5 现场喷大板及脱模后的试件

表3 各配合比混凝土喷大板试件测试结果

由图6可知，掺硅粉的喷射混凝土(配合比B)的早期强度小于不掺硅粉的喷射混凝土(配合比A)，养护龄期为7 d后，其抗压强度大于只掺粉煤灰的喷射混凝土(配合比A)，掺入4%的硅灰使得机制砂喷射混凝土的28 d抗压强度提高了5.6%，说明硅粉可提高机制砂喷射混凝土后期抗压强度。图6表明，掺入硅粉的机制砂喷射混凝土(配合比B)早期强度比只掺粉煤灰的喷射混凝土(配合比A)更大，说明掺入硅粉对混凝土劈裂抗拉强度有明显的提高。

图6 混凝土抗压强度

图7 混凝土劈裂强度

结构防水是隧道及地下工程设计施工的一个关键环节，而混凝土的抗渗性能是混凝土结构自防水的一个重要指标。规范要求单层衬砌喷射混凝土的抗渗性等级不低于S8。

研究采用混凝土抗渗试验仪测定了配合比A和B机制砂喷射混凝土抗渗等级，结果见表4。配合比A和B的机制砂喷射混凝土的抗渗等级均为S10，均达到了设计要求的抗渗等级，说明掺入粉煤灰和硅灰可有效提高机制砂喷射混凝土抗渗 等级。

表4 混凝土抗渗等级

由上述分析可知，掺入硅粉提高了机制砂喷射混凝土的抗压强度、劈裂强度和抗渗等级。硅灰具有火山灰效应和微孔填充作用，其会与硬化胶凝材料体系中Ca(OH)2反应生成更多的水化硅酸钙凝胶，细化硬化浆体内部孔隙，有效改善其孔结 构[13, 22]，进而使得机制砂喷射混凝土强度和抗渗性提高。

喷射混凝土的性能受水灰比、砂率、不同外加剂掺量、龄期、施工工艺等的影响，有效预测喷射混凝土力学性能发展十分必要。对于刚喷射出的喷射混凝土，呈现流态，其强度为零，随着混凝土中水泥水化不断进行产生了大量水化产物，其强度迅速增长，水泥完全水化后强度趋向于稳定。因此，可以把混凝土强度和弹性模量看作龄期的函数，针对早强型混凝土强度和弹性模量与龄期的关系可用式1和式2表示。

式中：0和0为=¥时的单轴抗压强度和弹性模量，为自然常数，，，，，和均为常数。

图8和图9为配合比A和B机制砂喷射混凝土抗压强度和弹性模量的MATLAB拟合结果，结果显示2种配合比混凝土拟合结果2>0.94，说明式1和式2可用于表征机制砂喷射混凝土抗压强度和弹性模量随龄期的变化规律，速凝剂使得机制砂喷射混凝土呈现早期强度迅速发展，后期趋于稳定的趋势，弹性模量同样具有这种趋势。12 h抗压强度达到最终强度(龄期28 d强度)的35%左右，1 d强度可以达到最终强度的50%以上，7 d强度可以达到最终强度的80%以上。

(a) 配合比A；(b) 配合比B

(a) 配合比A；(b) 配合比B

综合考虑混凝土施工性能、强度及抗渗性，最终确定采用配合比B(粉煤灰和硅灰复掺)作为现场施工配合比，图4为该配合比机制砂喷射混凝土喷后衬砌表面，可见其表面平整度好，无裂纹。

3 结论

1) 复掺硅粉与粉煤灰后的混凝土抗压强度、坍落度、回弹率均优于单掺粉煤灰，这与硅粉火山灰效应和微孔填充作用有关，故工程选择复掺硅粉与粉煤灰方案。

2) 采用本文配合比，机制砂喷射混凝土抗压强度和弹性模量随龄期变化满足：()=0[1−−mt−(1−)−nt]关系式，其中为混凝土抗压强度或弹性模量，为自然常数，，和为常数参数。

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Study on the machine-made sand shotcrete of tunnel construction

LEI Naijin1, CHEN Pingao2

(1. Guizhou Highway Engineering Group Co., Ltd., Guiyang 550008, China;2. Guizhou Communications Planning, Survey, Design and Research Institute Co., Ltd., Guiyang 550081, China)

This paper mainly studies the mix proportion designs of machine-made sand shotcrete in Lihuajing tunnel construction in Guizhou Province. The compressive strength, early strength and splitting strength of shotcrete with different mix proportions were analyzed through indoor and outdoor concrete tests. The empirical formulas of compressive strength and elastic modulus of shotcrete with different mix proportion increasing with age were obtained by nonlinear regression method. The results show that the performance and mechanical properties of sand-jet concrete prepared with fly ash or fly ash can meet the design requirements, and the compressive strength, slump and rebound rate of the concrete after fly ash and fly ash are better than that of fly ash. the compressive strength and elastic modulus of mechanism sand shotcrete meet()=0[1−−mt−(1−)−nt], whereis the compressive strength or elastic modulus of concrete,is a natural constant, andare constant parameters. The compressive strength and elastic modulus of mechanism sand shotcrete increase in the early stage and slowly in the later stage.

machine-made sand; shotcrete; silica fume; compressive strength; elastic modulus

U455.43

A

1672 − 7029(2020)09 − 2271 − 07

10.19713/j.cnki.43−1423/u. T20200398

2019−12−12

贵州省交通运输厅2016年度科技计划项目(2016-123-015)

雷乃金(1972−)，男，贵州贵阳人，高级工程师，从事高速公路施工及管理；E−mail：422580454@qq.com

(编辑 涂鹏)