富水隧道强粘结喷射混凝土配置研究

宋海宏

(中铁十二局集团第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 前言

富水隧道施作初期支护时，经超前泄水孔泄水降压及超前帷幕注浆等工艺处理后，涌水量及水压已有了大幅下降，但在喷射混凝土与围岩接触时，由于围岩表面涌水的存在，喷射混凝土与围岩的早期粘结强度下降明显，导致喷射混凝土在围岩表面凝结成型较为困难，甚至由于粘结强度下降，无法承载喷射混凝土自重，已经初步形成的喷层，出现掉块现象。

在施工过程中，由于围岩表面存在的涌水现象，有大量的喷射混凝土被浪费。为了提高喷射混凝土的利用率，提升工程经济效益，加快工程建设进度，喷射混凝土与存在涌水岩面的粘结问题亟待解决。

2 方案设计

在富水隧道施工中，初期支护采用的喷射混凝土要求采用湿喷技术，然而在富水隧道中，特别是淌水的墙面上，喷射混凝土的粘结强度很差，施工过程中回弹量大，喷射形成的混凝土强度不足，密实度差，性能差。

由于沸石粉具有黏度及滚珠效应，在流态混凝土和泵送混凝土中掺入沸石粉，混凝土拌和物的结构黏度得以提高，同时，混凝土拌和物的抗离析泌水性能也能得以改善[1-2]。

拟通过加入一定量的沸石粉，调整水灰比、外掺料的量，通过试验对比研究不同配比情况下的粘结强度，得到适合于湿润壁面的最佳喷射混凝土配比。

2.1 湿喷混凝土配比设计

依据现行技术标准及设计文件的要求，湿喷混凝土水灰比宜不大于0.55，砂率宜为50% ～60%，坍落度不宜小于10 cm[3]。

(1)计算试配强度

混凝土试配强度配置强度采用下式确定:

式中，fcu，0为混凝土配制强度(MPa)；fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值(MPa)；σ为混凝土强度标准差，取5.0 MPa[4]。

(2)计算水胶比(W/B)

式中，αa为 0.53；αb为 0.2。

本次试验水胶比拟选取0.36，满足要求。

(3)确定单位用水量

依据现行技术标准所要求的砼坍落度、碎石最大粒径及经验，选取用水量238 kg。缓凝型高性能减水剂掺量拟确定为1.4%，减水率按实测结果27.2%计算[5-6]，混凝土的用水量按下式计算:

根据经验及现场施工情况，选用用水量为169 kg/m3比较合理。

(4)计算单位胶凝材料用量

水泥用量:

mc＝mwo/(w/b)＝169/0.36＝469 kg/m3

外加剂1(DHP-R1型聚羧酸高性能减水剂(缓凝型))用量:

(5)采用重量法计算各种材料用量

①混凝土拌和物的假定表观密度为2 300 kg/m3；

②根据水灰比、规范及施工工艺要求选砂率为βs＝50%；

③计算砂、石用量:

2.2 沸石粉材料的选取

考虑到不同厂家所生产的沸石粉中SiO2和Al2O3等成分的含量有所区别，且细度对沸石粉的活性有一定的影响，现选取3个厂家所生产的沸石粉样品，包含 325 目(46 μm)、800 目(18 μm)、1 250目(12 μm)三种粒径的沸石粉，根据《混凝土和砂浆用天然沸石粉》(JG/T 566—2018)规范对沸石粉进行活性指数试验，并根据试验结果选择合适的沸石粉[7-9]。

分别采用3个厂家A、B、C所生产的沸石粉，按表1胶砂配合比进行胶砂搅拌，试验所采用的水泥为华润普通硅酸盐水泥P.O42.5，水为地表水，砂为ISO标准砂，试验材料均满足规范要求[10]。

表1 胶砂配比

制作40 mm×40 mm×160 mm胶砂试件，并在水中进行养护，达到龄期后进行抗折强度、抗压强度测试，本次试验测试3 d和28 d强度。测试结果如图1、图2所示。

图1 抗折强度

图2 抗压强度

试验测得对比胶砂的3 d和28 d抗压强度分别为27.30 MPa、51.03 MPa，根据规范沸石粉各龄期活性指数按如下公式计算:

式中，A为沸石粉活性指数；Rt为受检胶砂相应龄期的抗压强度(MPa)；R0为对比胶砂相应龄期的抗压强度(MPa)。

沸石粉粒径越小(目数越大)，胶砂试块抗折强度、抗压强度越大，活性指数越大；厂家A所生产的沸石粉不同龄期的抗折强度和抗压强度均好于另外两个厂家的沸石粉，活性指数也达到95%以上。

2.3 沸石粉掺量的确定

沸石粉既能置换混凝土中的部分水泥，降低水泥用量，减少混凝土中的水化性，又能提高混凝土的强度和硬化混凝土的耐久性能，但沸石粉的掺量过大时，水泥含量明显下降，缺少水化作用的反应物，将减少C-S-H凝胶的生成，导致混凝土的早期及后期强度下降[11-12]。

试验以现场施工喷混所采用的配比为基础，通过控制变量法改变沸石粉掺量，探究沸石粉掺量为0、10%、20%、30%、40%对混凝土综合性能的影响；试验采用325目、800目、1 250目三种不同粒径的沸石粉进行平行试验。

各掺量混凝土的配比情况见表2。

表2 配比参数 kg/m3

按以上配比拌制15 L的混凝土，根据配比加入169 kg的水所拌制的混凝土的拌和物的坍落度小，流动性较差。经过一定的试配，发现在实际试验时加入水的比例为174的水，能够保证混凝土拌和物有较好的流动性，满足施工要求的物理性能。

根据试配结果调整沸石粉各掺量下的配比，拌制15 L混凝土，观察拌和物的流动性、保水性，进行坍落度试验。

将拌和物装入试模，制作100 mm×100 mm×100 mm标准立方体试块，每组试验需制作9个试块，并在标准环境下养护，并通过抗压试验测出混凝土1 d(3个试块)、3 d(3个试块)、28 d(3个试块)的强度。从曲线图3～图5中可看到，不同粒径的沸石粉掺入混凝土中，随着掺量的增加，混凝土的抗压强度减小。沸石粉掺量为10%时，早期强度和28 d强度减小量较小，当沸石粉掺量超过20%时，混凝土抗压强度显著降低。由于隧道初期喷射混凝土不仅要求混凝土喷射瞬间与岩面有一定的粘结力，还需要混凝土有一定的早期强度，保证施工安全。因此，建议沸石粉掺量控制在10% ～20%。

图3 沸石粉掺量对混凝土强度的影响(1250目)

图4 沸石粉掺量对混凝土强度的影响(800目)

图5 沸石粉掺量对混凝土强度的影响(325目)

3 配比试验

在进行混凝土配合比设计时，需要考虑水泥强度等级、水胶比、胶凝材料用量、砂率等多种因素对混凝土各种性能的影响。

为了减少试验组数量，采用正交试验方法，拟选取水胶比(a)、胶凝材料(b)、沸石粉掺量(c)、砂率(d)等作为配制混凝土的4个变量因素，各因素的水平数选3个，如表3。

表3 正交试验的因素及水平

根据4个变量因素，各因素的水平数选3个，按正交试验原理设计9组试验，对应的各参数具体如表4所示。

表4 正交试验参数

制作150 mm×150 mm×150 mm标准立方体试块，每个试验编号需制作9个试块，并在标准环境下养护，并通过抗压试验测出混凝土1 d(3个试块)、3 d(3个试块)、28 d(3个试块)的强度，试验结果见表5。

表5 正交试验结果 MPa

对试验结果进行处理，得到方差分析表6、表7。

表6 正交试验3 d强度方差分析

表7 正交试验28 d强度方差分析

从试验结果中看出:随着水胶比增大，混凝土的抗压强度减小。这一规律与普通混凝土规律一致，水胶比的增大使得水泥浆流动性变大，骨料的裹浆量减小，骨料间的联结性减弱，混凝土的抗压强度减小。且混凝土的早期强度主要由胶凝材料水化硬化强度控制，早期抗压强度测试中，混凝土试块从粗骨料胶结处破坏；后期抗压强度则主要由粗骨料和胶凝材料强度共同控制。

随着胶凝材料用量增加，混凝土抗压强度增大。胶凝材料的增加本质为水胶比的减小，骨料的裹浆量增大，从而使混凝土的强度得到提升。

沸石粉掺量从10%到15%时，混凝土抗压强度增加；沸石粉掺量从15%到20%时，混凝土抗压强度减小。

对于混凝土早期强度(1 d和3 d强度)，砂率增加，混凝土抗压强度无明显改变，但是对于28 d强度而言，砂率的增加使得混凝土中粗骨料含量减少，因此混凝土抗压强度减小。

由表6、表7可以看到，对于3 d、28 d强度，水胶比对混凝土的抗压强度的影响均是极为显著，沸石粉掺量对混凝土抗压强度的影响均为显著，砂率对3 d强度影响是显著，但显著性不及沸石粉掺量的影响，而对28 d强度的影响则是极为显著，其显著性影响大大提高，其原因前文已述，砂率对后期强度影响较大。

从试验结果看:胶凝材料影响最小，但其用量应足以保证骨料之间的胶结，其配比建议为469；沸石粉掺量建议为15%；砂率越高，混凝土拌和物流动性越大，但其强度会有所减小，因此砂率建议为50%；水胶比是影响混凝土强度的主要因素，当胶凝材料用量一定时，主要通过调节水量控制水胶比，由于喷射混凝土对拌和物流动性要求较高，根据试验过程中拌和物工作性能，水胶比建议0.36左右。

4 隧道内沸石喷射混凝土试验

为探究掺沸石粉混凝土的喷射效果，在隧道内展开喷射混凝土试验，试验将正交试验所得配比A与施工现场所用的配比B进行对比。具体参数见表8。

表8 喷射混凝土试验配合比

考虑到施工现场实际情况，第一次拌制10 m3混凝土在隧道内自下而上进行扫喷，余下混凝土则可喷在隧道两侧拱脚处；第二次按照正交试验所确定的配比，拌制10 m3掺沸石粉的混凝土，通过湿喷机械手试喷，待喷射稳定后，分两次将大板试模喷满，共喷两块。余下混凝土则喷射在隧道左侧拱腰及拱顶处，观察记录喷射效果，并测其回弹量；第三次拌制10 m3混凝土采用相同方法喷射混凝土大板，余下混凝土喷射在右侧拱腰及拱顶处，观察记录喷射效果，并测其回弹量。各龄期强度见表9。

表9 喷射混凝土各龄期强度 MPa

从喷射混凝土强度结果来看，掺入沸石粉的混凝土的强度略小于未掺沸石粉的混凝土，但通过观察喷混效果，发现在无水或少量淌水的岩面上掺入沸石粉的混凝土喷射效果明显好于未掺入沸石粉的正常施工的混凝土；而在泄水孔附近或渗水量较大的岩面上，由于水量过大，导致喷射混凝土极易被水流冲走，掺入沸石粉的混凝土和未掺沸石粉的喷射效果均不佳。

掺入沸石粉的混凝土能够有更好的喷射效果，分析其原因为:沸石粉是一种多孔的粉状物，而其孔径往往能达到纳米级。沸石粉有一定的亲水性，在自然条件下，能够吸附大量的水分子及空气，当与水泥等拌和形成混凝土拌和物，沸石粉中吸附的空气将被排出，加之沸石粉在碱性环境下反应生成胶凝材料，大大提高了拌和物的粘聚度和粗骨料的裹浆量。

5 总结

(1)室内试验表明:混凝土中掺入沸石粉会使混凝土强度性能降低，随着沸石粉掺量的增加，混凝土强度下降逐渐显著，因此，混凝土中沸石粉掺量不宜过大，控制在10% ～20%为宜。

(2)水胶比增大，混凝土的抗压强度减小；胶凝材料用量增加，混凝土抗压强度增大；砂率增加，混凝土抗压强度减小；沸石粉掺量增加，混凝土抗压强度减小。以1 d、3 d、28 d抗压强度为指标，按正交试验极差分析法分析数据，极差能反映各因素在水平变动时，试验指标的变化幅度，极差越大，表明该因素对试验指标影响越大。经分析得，各因素对试验指标的影响由大到小依次为水胶比、砂率、沸石粉掺量、胶凝材料用量。

(3)沸石粉有一定的亲水性，在自然条件下，能够吸附大量的水分子及空气，当与水泥等拌和形成混凝土拌和物，沸石粉中吸附的空气将被排出，加之沸石粉在碱性环境下反应生成胶凝材料，大大提高了拌和物的粘聚度和粗骨料的裹浆量。因此，掺入沸石粉的混凝土能够有更好的喷射效果。