高强超微外加剂对喷射混凝土力学性能及回弹率的影响研究*

魏子程 ， 王 林 ， 贺鑫鑫 ， 王宏波

（1.北京建筑大学土木与交通工程学院， 北京100044；2.陕西德和建材有限公司， 陕西 西安710000）

0 引言

2000 年以来， 我国经济飞速发展， 基础建设需求日益增长［1-2］。 国家《新时代交通强国铁路先行规划纲要》 提出， 到2035 年， 全国的铁路网规模将达到20 万公里左右， 其中高铁网运营里程要达到近7 万公里［3］。 特别是川藏铁路、 西部陆海新通道以及出疆入藏等综合运输通道的建设必定会掀起大规模的浪潮， 然而由于我国中西部地区地形多貌、 地质复杂， 且多为山岭重丘， 海拔较高， 因而经常采取隧道施工的方法［4-5］。 在隧道施工中， 使用喷射混凝土对围岩进行加固是常用的方法， 使其形成一个完整、 稳定且有一定强度的结构， 以确保施工安全［6］。

目前我国喷射混凝土施工方式主要有干喷与湿喷两种［11-13］。 干喷混凝土回弹和粉尘量很大，施工环境恶劣， 同时会造成混凝土的后期强度损失， 使工程后期维护费用增加， 不符合绿色、 可持续发展的要求［14，15］。 湿喷混凝土的施工效率高，能有效降低回弹， 粉尘浓度低， 能很好的改善施工环境［16，17］。 在国家相关部门干预下， 湿喷混凝土在我国已大面积普及， 地下工程、 隧道隧洞及铁路等工程均已采用湿喷混凝土［8］。

据不完全统计， 隧道施工中湿喷喷射混凝土的回弹率平均都在30%以上， 超耗在150%～200%（包含不可避免超挖）［9-10］， 中老铁路（磨万段）Ⅱ标统计喷射混凝土超耗率基本在150%以上， 富水区超耗率在350%～550%， 且受碱性速凝剂强度倒缩影响， 大部分强度还不能达到理想要求， 安全风险加大。 特别大的回弹率不仅导致工程质量严重不合格， 原材料大量浪费， 更容易在施工周围产生大量粉尘， 烟雾弥漫， 影响施工， 加剧工作人员的安全健康隐患［8］。

针对普通喷射混凝土回弹率大， 且粉尘量大的缺点， 在喷射混凝土中掺入高强超微外加剂，研究高强超微外加剂对喷射混凝土力学性能及回弹率的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥为北京金隅公司生产的P·O 42.5 普通硅酸盐 水 泥， 其 比 表 面 积 为386 m2／kg， 密 度 为2.95 g／cm3，标准稠度用水量为29.7%， 3 d、 28 d 抗压强度分别为31.2 MPa、 50.6 MPa， 均符合规范要求； 细骨料为天然河砂， 细度模数为2.40， 属于Ⅱ区中砂； 粗骨料为石灰岩， 根据现场需要所选石子的粒径在5～10 mm， 密度为2.6 g／cm3； 速凝剂采用无碱液体速凝剂， 含固量为49%， 掺量为5%； 采用聚羧酸高效减水剂， 减水率为40%。 水采用自来水。

现场实验所用水泥为泰国TPI 水泥厂生产的P·O 42.5 普通硅酸盐水泥， 其比表面积为335 m2／kg，密度为3.11 g／cm3， 标准稠度用水量27.0%， 3 d、 28 d 抗压强度分别为29.2 MPa、51.9 MPa。 细骨料为机制砂， 细度模数3.0， 属于Ⅱ区中砂。 粗骨料为石灰岩， 最大粒径10 mm， 表观密度2650 kg／m3。 粉煤灰为睿昴老挝VKEC 生产的粉煤灰， 需水量比102%。

高强超微外加剂为川铁国际经济技术合作有限公司生产的， 用于喷射混凝土的外加剂， 其粒径范围为0.4 μm～40 μm， 减水率为34%， 推荐掺量为4%～8%。 化学组成见表1。

表1 高强超微外加剂化学成分Table 1 Chemical composition of high-strength ultra-fine admixture ／%

1.2 试验方法

按GB／T50081-2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》、 JGJ／T372-2016 《喷射混凝土应用技术规程》 进行室内试验。 经多次试配最终确定C25 强度等级喷射混凝土水胶比为0.36， 砂率为58%， 胶凝材料用量为430 kg／m3， 高强超微外加剂掺量为胶材用量的4%-6%， 速凝剂掺量为5%，喷射混凝土实验室配合比见表2。

表2 喷射混凝土实验室配合比Table 2 Mix proportion of shotcrete laboratory ／ （kg／m3）

综合考虑现场喷射混凝土施工环境， 经过试配后， 确定水胶比为0.41， 砂率为57%， 胶凝材料用量为452 kg／m3， 高强超微外加剂掺量分别为5.5%与7%。 喷射混凝土现场配合比见表3。

2 试验结果及分析

2.1 高强超微外加剂对喷射混凝土力学性能影响

采用高强超微外加剂制备C25 喷射混凝土，高强超微外加剂掺量取4%、 5%与6%， 对其抗压强度及抗折强度进行测定， 研究高强超微外加剂对混凝土力学性能的影响。 喷射混凝土配合比见表2。 图1、 图2 分别为喷射混凝土抗压强度、 抗折强度试验结果。从图1 可知， 随高强超微外加剂掺量的增加， 喷射混凝土抗压强度有所增加， 且在龄期1 d～7 d 时强度发展较快， 7 d～28 d 时强度增长缓慢。 在C25强度等级喷射混凝土中， 掺加高强超微外加剂的喷射混凝土抗压强度大于基准组。 相较于基准M1组， 当高强超微外加剂掺量为6%时， 喷射混凝土抗压强度最高， 1 d、 7 d、 28 d 抗压强度分别为16.1 MPa、 36.9 MPa、 38.4 MPa， 较基准组强度分别增长56%、 5.7%、 6.4%。 由此可知， 高强超微外加剂能有效提高喷射混凝土早期抗压强度且对后期强度发展无不良影响。

图1 高强超微外加剂掺量对喷射混凝土抗压强度的影响Fig.1 Effect of high-strength ultra-fine admixture on compressive strength of sprayed concrete

图2 高强超微外加剂掺量对喷射混凝土抗折强度的影响Fig.2 Effect of high-strength ultra-fine admixture on the flexural strength of shotcrete

由图2 可知， 随着高强超微外加剂掺量的增加， 喷射混凝土抗折强度提高。 在1 d 喷射混凝土抗折强度中， M2、 M3、 M4 组抗折强度分别为2 MPa、2.3 MPa、 2.5 MPa， 较基准组分别增加0.9 MPa、1.2 MPa、 1.4 MPa， 均高于基准M1 组，说明高强超微外加剂的加入能有效提高喷射混凝土的早期抗折强度； 以28 d 抗折强度为例， 当掺量为4%时， 28 d 抗折强度为5 MPa， 较基准组提高25%， 28 d 抗折强度最高的是M4 组， 其抗折强度能够达到5.8 MPa， 较基准组提高了32%。 由此可知掺用高强超微外加剂的喷射混凝土抗折强度高于不掺高强超微外加剂的喷射混凝土， 且掺量越高抗折强度越高。

高强超微外加剂在生产过程中， 其颗粒因为急速冷却， 在表面张力作用下， 形成的颗粒表面致密光滑， 导致需水量低， 加之颗粒是形状为球状的玻璃体， 因此具有“滚珠轴承” 的效应， 可以起到润滑作用， 减少内摩擦阻力， 提高流动性。 高强超微外加剂其粒径范围仅仅为0.4 μm～40 μm， 并具有连续的级配， 导致细度很小， 比表面积很大， 潜在化学活性很高， 能够起到微集料的作用， 充分填充水泥颗粒间的空隙， 并与水泥的水化产物生成具有强度的胶凝体， 提高喷射混凝土的密实度进一步提高强度［16］。 试验所用高强超微外加剂中含有大量的微硅粉， 引入的非晶态、 无定形的SiO2易溶于碱性溶液中， 在速凝剂协同作用下可以加速C3S、 C3A的早期水化速率［7］， 在水化反应早期即可与氢氧化钙发生反应， 并消耗大量石膏， 生成大量的水化硅酸钙凝胶， 填充水化水泥浆体的孔隙并减小混凝土内部孔隙尺寸， 使水泥-骨料多孔的界面区致密而显著提高强度［5］。

2.2 高强超微外加剂对喷射混凝土回弹率影响

高强超微外加剂应用于川铁公司老挝项目和平隧道喷射混凝土中， 进行现场试喷作业， 将不掺高强超微外加剂的喷射混凝土与添加高强超微外加剂的喷射混凝土进行对比分析试验， 并统计记录回弹率， 现场施工配合比见表3。 试验现场采用垫彩条布收集回弹混凝土称量计算回弹量的方法与项目部采用测量开挖断面及初期支护断面计算喷射混凝土数量与实际使用喷射混凝土数量对比分析方式计算喷射混凝土回弹量， 现场施工图见图3。

图3 现场收集回弹量试验图Fig.3 Test diagram of rebound amount collected on site

为尽量保证喷射混凝土回弹量计算准确， 开挖、 初支断面间距按照0.6 m （钢架间距1.2 m，开挖、 初支断面必须测量同一里程）、 测点环向间距按照不大于0.5 m 进行测量。 通过对开挖、 初支断面测量断面方统计与各-循环实际使用喷射混凝土数量分析见表4、 表5。

表4 和平隧道回弹量统计Table 4 Springback statistics of heping tunnel

表5 和平隧道（斜井） 回弹量统计Table 5 Rebound statistics of heping tunnel （inclined shaft）

通过上述对比， 使用高强超微外加剂配合比的回弹量为6%～7.9%， 而不掺高强超微外加剂的普通喷射混凝土的回弹量为31.3%～37.5%； 综合得出使用高强超微外加剂配合比的喷射混凝土回弹量平均为7.3%， 而普通喷射混凝土的回弹量平均为35.3%， 回弹量减少28%。

2.3 高强超微外加剂对喷射混凝土粘结强度影响

粘结强度试验采用钻孔取芯法对施工现场喷射混凝土进行钻孔取芯， 测试记录掺加高强超微外加剂喷射混凝土与不掺加高强超微外加剂喷射混凝土的受喷面粘结强度， 并对结果进行对比分析。 施工现场取样见图4。 在施工现场取样测得不同配合比喷射混凝土28 d 粘结强度见表6。

图4 试验喷射混凝土钻芯取样图Fig.4 Drill core sampling diagram of test shotcrete

表6 高强超微混凝土粘结力强度表Table 6 Adhesion strength of high-strength ultra-fine concrete

经过现场试验， 掺加高强超微外加剂的喷射混凝土， 其粘结强度最高可达2.29 MPa， 不掺加高强超微外加剂喷射混凝土粘结强度仅仅只有0.85 MPa， 提高了3 ～4 倍。 粘结强度的提高能够使喷射的混凝土牢牢的粘结在一起， 降低了喷射混凝土施工过程中的回弹量， 减少了由于高回弹率导致喷射混凝土缝隙增多， 孔隙增多， 缺陷增多的弊端， 提高了抗渗性能， 尤其是在隧道富水区域施工过程中， 有效防止了水分渗透， 提高施工质量与效率， 单次喷射厚度可达30 cm［15-16］。

3 结论

本论文研究了高强超微外加剂掺量对C25 强度等级喷射混凝土抗压、 抗折强度的影响， 并将高强超微外加剂应用于隧道施工中， 通过回弹率及粘接强度的测试， 得出以下结论：

（1） 随着高强超微外加剂掺量的增加， 喷射混凝土力学性能得以提升。 当掺量为6%时， 喷射混凝土28 d 抗压强度与抗折强度分别为38.4 MPa与5.8 MPa， 较基准组提高了6.4%与32%。

（2） 与普通喷射混凝土对比， 添加高强超微外加剂的喷射混凝土在实际工程应用中回弹量较低， 平均只有7.3%， 与不掺高强超微外加剂的喷射混凝土相比， 降低了28%； 粘结强度最高为2.29 MPa， 是普通喷射混凝土的3 ～4 倍。 添加高强超微外加剂可以显著降低回弹率， 提高混凝土的粘结强度， 减少粉尘污染， 减少对人体的伤害，充分满足湿式喷射混凝土的施工要求。