基于复合胶凝材配制隧道高性能湿喷混凝土试验研究

冀亚锋， 罗 超， 陈文渊， 周敏娟， 王海彦， 麻 骥

(1.中铁二十一局集团第三工程有限公司，陕西 咸阳 712000；2.南京工业大学交通运输工程学院，江苏 南京 211816；3.石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄 050041)

随着我国山岭隧道的大量修建，初期支护采用普通湿喷混凝土已难以满足隧道结构性能和施工要求，主要存在力学、耐久性能不足，施工时回弹率高、环境污染较大等影响，故研究低成本、少回弹、低污染的高性能湿喷混凝土来施作隧道初期支护势在必行。在1980年代末，一些国家在混凝土结构耐久性设计方面提出高性能混凝土的概念，其主要是通过在胶凝材中复掺多元矿物掺合料，达到提高混凝土力学和耐久性能目的。由于胶凝材中矿物掺合料取之于工业废料，这样从根本上减少了水泥用量，既节约了能源和资源，又实现了工业废料的循环利用，还降低碳排放和成本。本世纪初，我国随着高性能混凝土普遍应用，隧道工程中提出了使用高性能湿喷混凝土技术思路，但由于技术水平所限和外加剂性能不足，未能得到普遍应用。随着混凝土技术的不断改进，越来越多的矿物掺合料运用于其中，但其性能受掺合料种类、掺量、单掺与复掺等多种因素的影响，最终混凝土的性能也相差较大[1]。

1 胶凝材复合效应分析

矿物掺合料掺入混凝土中，因其物理性能和化学成分的不同，掺合料的微集料效应、形态效应、界面效应等在混凝土中所表现出的有正负效应之分，若将各种掺合料物理性能、掺量比例控制得当，在混凝土掺入多种矿物掺合料所表现出的正效应一般要大于单掺一种矿物掺合料，这归结为多元复合胶凝材的复合效应[2-3]。

(1)微集料效应：在混凝土的常用胶凝材料中，硅灰、粉煤灰、矿粉、水泥的颗粒粒径依次增大，这些胶凝材料通过合理的比例进行混合可形成级配良好的复合胶凝材料。胶凝材混合后不同粒径的粉体颗粒互相填充，减少了颗粒之间的间隙，进而降低胶凝体硬化后的总孔隙率，提高混凝土的密实性，降低混凝土的渗透性，提高了混凝土的抗侵蚀能力。

(2)形态效应：胶凝材料因其形态不同，应用于混凝土中所发挥的作用也不尽相同。如矿粉颗粒形貌不规则且粗糙，应用于混凝土中会使其流动性降低；粉煤灰颗粒圆润，掺入混凝土中可增加其流动性；硅灰粒径小、比表面积大，可增加混凝土的粘聚性。基于胶凝材料的以上特性，在进行混凝土配合比设计时可采取复掺方式，充分利用各种胶凝材的优点，进而改善混凝土的工作性、提高其密实程度和耐久性能。

(3)界面效应：在混凝土成型过程中，在骨料的周围会形成一层密闭的水膜，此处水泥水化形成的Ca(OH)2富集，使得骨料、浆体形成明显的界面过渡区，此过渡区往往是混凝土裂缝形成及破坏的薄弱环节，在混凝土中复掺矿粉、粉煤灰、硅灰等胶凝材料可以降低混凝土中Ca(OH)2含量，改善界面过渡区的粘结性能，因此，适量的复合胶凝材料对混凝土的性能表现为正效应。

2 配合比设计及试件制作

2.1 原材料

胶凝材料选用海工复合硅酸盐水泥(比表面积400 m2/kg，P.C42.5)、本溪电厂粉煤灰(比表面积750 m2/kg，Ⅱ)、本溪钢铁矿粉(比表面积450 m2/kg，S95)，粗骨料选用含泥小于1.5%、5～10 mm连续级配破碎石灰石，细骨料选用细度模数为2.7、含泥量小于2.0%的河砂；减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率为25%；速凝剂为SA160型高性能无碱速凝剂，终凝时间为4′25″，初凝时间为30′30″；拌和用水为自来水。

2.2 配合比设计

湿喷混凝土配合比设计要兼具强度、耐久性以及施工性能的要求，一般的湿喷混凝土初始坍落度160～180 mm为宜，具有和易性好、无离析特性，2 h坍落度损失小于80 mm。通过坍落度试验调整水胶比(0.38、0.40、0.42)和砂率(50%、52%、55%、60%)，达到湿喷混凝土适宜的工作性，最终确定基准配合比采用水胶比W0.40，砂率50%，砂∶石∶水∶减水剂(0.8%)∶速凝剂(6%)=860∶860∶180∶3.6∶27(kg/m3)。胶凝材料的用量见表1。

表1 混凝土胶凝材料用量 kg/m3

2.3 试件制备及养生

喷射混凝土试件采用钢模大板制作，钢模大板尺寸为500 mm×500 mm×120 mm。喷射完成后在隧道内自然环境中养生1 d后脱模，移至实验室进行标准养生，3 d后把试件切割加工成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块进行相关试验。

3 试验结果与分析

3.1 力学性能试验

根据(GB/T50081—2016)中规定的方法对混凝土试件进行1 d、3 d、7 d、28 d和56 d抗压强度以及28 d的抗拉强度与抗折强度试验，各组混凝土力学性能测试结果如图1和表2所示。

图1 各组混凝土抗压强度

表2 混凝土28 d性能指标

从图1和表2中可以看出：各组混凝土抗压强度与养生龄期呈正相关关系；当混凝土中掺入矿物掺合料，其早期强度(小于7 d)相较于基准组降低；在相同的掺和比例下，单掺粉煤灰的早期强度要高于单掺矿粉的早期强度，但后期强度单掺矿粉涨幅明显，强度明显优于单掺粉煤灰；矿粉和粉煤灰复掺，强度较其他组略有差别，但差距较小，此时单掺矿粉混凝土强度优势明显；纤维的加入导致混凝土强度有所下降；养生条件对湿喷混凝土力学性能有很大影响，自然养生下的N8相较于洒水养生的N6其强度在28 d时下降了36%；混凝土抗拉强度属单掺矿粉最优，抗折强度在单掺矿粉时有所增长，其他配方混凝土抗折强度均有不同程度下降。

3.2 耐久性能试验

3.2.1 电通量试验

混凝土的耐久性能与渗透性密不可分，矿物掺合料的掺入改善了胶凝材料微观颗粒级配和混凝土内部微观结构以及水化产物。混凝土中掺入矿物掺合料后，由于粉煤灰、矿粉的颗粒较水泥颗粒细，彼此粒径各不相同，将这些材料三元复合能够形成良好级配的胶凝材料。粉煤灰、矿粉的掺量比例对混凝土抗氯离子渗透性有较大影响，这些矿物掺合料不仅可以填充水泥颗粒之间以及水泥石-骨料界面之间的空隙，且不同粗细的粉煤灰、矿粉按适当比例复合后，相互填充，具有“复合超叠加效应”，形成密实的堆聚体系，更有利于改善混凝土孔结构，降低孔隙率，使混凝土抗氯离子渗透性提高；另外，在混凝土中掺入适量矿物掺合料后，由于其二次水化效应的作用，会消耗部分Ca(OH)2，生成结构更为致密的C-S-H凝胶，填充了混凝土的孔隙，提高了混凝土的抗氯离子渗透能力[4-8]，因此混凝土的抗渗透性能可以通过其抗氯离子渗透性能进行反映。

混凝土抗氯离子渗透性能一般采用其28 d电通量值进行表征，电通量测试结果如表2所示。

通过对表2中数据的分析可看出：混凝土中掺入矿物掺合料会使其电通量降低；单掺粉煤灰或矿粉的混凝土电通量较基准组N1降低近50%，双掺粉煤灰和矿粉的混凝土的电通量相较单掺粉煤灰或矿粉的混凝土更低，其中N5配方电通量最低，为490 C；在双掺粉煤灰和矿粉的胶凝材料中加入纤维素纤维，纤维素纤维溶解后可吸附部分气泡，促使混凝土内部孔径变细，并改善了混凝土内部孔径分布，提高了混凝土的密实性；自然养生环境下所得电通量与基准试件相比差距不大，这表明良好的养生条件可以有效改善混凝土的渗透性能，尤其对于掺入掺合料的混凝土。

3.2.2 抗硫酸盐腐蚀试验

硫酸盐侵蚀是硫酸盐溶液与混凝土中水化生成物发生反应，产生的膨胀物造成混凝土渗透性增加，降低其强度、质量、耐久性的一种危害性极大的侵蚀性破坏[9-10]。隧道结构因受地下水、雨水中硫酸根离子侵蚀而发生破坏的现象屡见不鲜，因此混凝土的抗硫酸盐侵蚀性是评价隧道混凝土结构耐久性的重要指标之一。

混凝土抗硫酸盐抗侵蚀性评价采取干湿循环后试件抗压强度与同龄期未受侵蚀试件的抗压强度比值来进行评判。试验中选取了N1、N3、N4、N6、N8五组试件进行抗硫酸盐腐蚀试验，得到的抗硫酸腐蚀试验结果如表3所示。

表3 抗硫酸腐蚀和抗冻性试验结果

表3试验结果表明，湿喷混凝土抗硫酸盐腐蚀能力：基准≈单掺矿粉<单掺粉煤灰<复掺矿物掺合料，养生条件对混凝土抗硫酸盐腐蚀有一定影响，复掺矿物掺合料混凝土在自然养生时的抗硫酸盐腐蚀能力比洒水养生的差，总的来看，湿喷混凝土抗硫酸盐腐蚀能力较差。

湿喷混凝土密实度较差一些，其抗硫酸腐蚀能力要弱一些。此外，胶凝材料中掺入多种矿物掺合料，可减少混凝土界面中氢氧化钙生成物，从而降低混凝土硫酸盐腐蚀程度，提高了混凝土的抗腐蚀能力。

3.2.3 快速冻融试验

混凝土长期受水侵蚀，在低温环境中其内部孔隙水会结冰使体积膨胀，当膨胀应力大于混凝土的抗拉强度时会使混凝土胀裂，进而降低其使用性能[11]，因此抗冻性是评价高寒地区隧道混凝土结构耐久性的主要指标之一。

文中采用超声波纵波速度来计算混凝土结构的相对动弹性模量，当相对动弹性模量值低于60%时，冻融试验结束，此时的冻融循环次数就是抗冻性指数。选取N1、N3、N4、N6、N8五组配合比进行抗冻试验，得到的试验结果如表3所示。

由表3中试验数据可知：掺入矿物掺合料后混凝土的抗冻性会降低，且随着掺入种类和掺量的增多混凝土抗冻性呈下降趋势。基准混凝土的抗冻性能最优，冻融次数能达到175次；单掺矿物掺合料混凝土次之，复掺矿物掺合料混凝土抗冻性能最差；复掺矿物掺合料时，洒水养生混凝土的抗冻性要优于自然养生；自然养生下的混凝土抗冻能力最差，仅能承受25次冻融循环，说明湿喷混凝土在施作后进行洒水养生是非常有必要的。造成复合胶凝材混凝土抗冻性下降的原因：其一由于胶凝材各组分材料胀缩系数不同所致；其二掺入矿物掺合料后混凝土内部孔隙减少，水泥石微观结构得到改善，渗透系数降低，在冻融条件下混凝土内部水分迁移困难，水泥石承受冻胀压力增大，加剧了混凝土的破坏。

3.3 湿喷混凝土综合性能比较

根据湿喷混凝土力学性能及耐久性能试验结果，可以得出湿喷混凝土综合性能评价结果，如表4所示。

表4 湿喷混凝土综合性能评价

由表4可以看出，复掺配合比的综合性能是最平衡的，不仅能达到混凝土的力学性能要求，电通量及抗硫酸盐腐蚀能力上也较好，只有抗冻能力较差。复掺矿物掺合料混凝土优于单掺矿物掺合料混凝土，单掺粉煤灰或矿粉混凝土综合性能优于基准混凝土，但单掺矿粉混凝土综合性能较差。同时作为湿喷混凝土，掺入矿物掺合料导致早期强度过低也是一个需要考虑的问题。另外，此次试验也说明了湿喷混凝土进行洒水自然养生是很有必要的，但湿喷混凝土不同于模筑混凝土，有必要对其养生方式进行更多地研究，以便选择一种能更好适应湿喷混凝土的养生方式。

4 结论

(1)高品质矿物掺合料掺入混凝土中，提高了混凝土的综合性能，复掺矿粉、粉煤灰混凝土综合性能最好，单掺矿粉或粉煤灰混凝土的综合性能略差，但优于纯水泥混凝土。

(2)在湿喷混凝土中添加矿物掺合料后，初期强度普遍较低，此问题在实际工程需要解决。

(3)在矿物掺合料中加入纤维素纤维，混凝土力学性能降低，说明纤维素纤维对湿喷混凝土具有负面影响，后续需要进行更深入的研究。

(4)养生条件对湿喷凝土性能有很大影响，自然养生下N8混凝土比洒水养生下N6混凝土28 d抗压强度下降了36%，由此可见，实际工程中湿喷混凝土需进行必要洒水养生。