早高强喷射混凝土配合比设计及性能研究

张立波

【摘要】本研究使用硫铝酸盐水泥代替常用的通用硅酸盐水泥，并掺加一定量的钢纤维，来提高喷射混凝土的早期的力学性能，配制出3h抗压强度达到5MPa，5h抗压强度达到8MPa，10h抗压强度达到15MPa的早高强喷射混凝土。在隧道施工过程中，通过快速施作早高强喷射混凝土来封闭隧道围岩，达到抑制中、轻强度岩爆发生的目的。

【关键词】早高强；喷射混凝土；硫铝酸盐水泥；钢纤维；岩爆

1、概述

喷射混凝土是隧道开挖初期支护的重要组成部分，在初期支护中起着重要的作用。喷射混凝土施工速度快，与围岩密贴，柔性好，有良好的物理力学性能。[1]目前对喷射混凝土早期强度的研究一般局限于喷射混凝土1～3d龄期强度的发展，而很少有人对喷射混凝土24h以内甚至12h内强度发展展开研究，相关标准规范对喷射混凝土早期强度的做出要求的最短时间是24h，

对于喷射混凝土24h以内龄期的抗压强度，并没标准规范有做出规定。

岩爆是一种应变能释放引发岩体发生破坏的一种地质灾害。多发生在埋藏深、整体、干燥和地质坚硬的岩层中。在隧道开挖时围岩形成新的临空面，初始应力由原来的三向应力状态变为两向应力状态，并在开挖壁面上局部应力集中，若局部应力达到某一临界应力时，岩爆就会发生[2]。隧道开挖过程中岩爆的发生不仅严重影响了施工进度，加大了施工成本，还带来了巨大的安全风险。普通的喷射混凝土早期强度增长较慢，不能很好的起到及时封闭围岩并提供足够的支撑力的作用，因此研制一种早期强度高的喷射混凝土很有必要。

2、早高强喷射混凝土用原材料的选定

喷射混凝土由砂、石、水泥、水、纤维、外加剂等材料拌合而成，其早强、高强的特性与原材料的性能存在直接、密切的联系。本研究选用硫铝酸盐水泥代替常用的通用硅酸盐水泥，并掺加适量的钢纤维。

（1）水泥：与普通的喷射混凝土不同，配制的早高强喷射混凝土选用42.5级快硬硫铝酸盐水泥，水泥的性能符合《硫铝酸盐水泥》GB 20472-2006的规定，凝结时间指标按规范规定可以要求水泥厂家根据工程施工需求做出调整；对比试验用水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，水泥各项指标符合《通用硅酸盐水泥》GB 175-2007的规定。

（2）细骨料：细骨料应选用级配合理、质地坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然中粗河砂，也可选用专门机组生产的人工砂。细度模数应大于2.5，河砂含泥量不大于3%。本研究所采用的细骨料为专门机组生产的机制砂，母材为花岗岩。

（3）粗骨料：粗骨料应选用级配合理、粒形良好、质地坚固的洁净碎石，最大粒径不宜大于16mm，含泥量不应大于1%。本研究所用粗骨料为专门机组生产的5mm～10mm碎石，母材为花岗岩。

（4）钢纤维：钢纤维宜采用普通碳素钢制成，常用钢纤维的弹性模量为200GPa，抗拉强度为380～1300MPa，极限延伸率3%～30%。本研究采用西安万达工程材料有限公司生产的波浪型钢纤维。

（5）外加剂：外加剂应选用质量稳定的产品，外加剂与水泥之间应具有良好的相容性。当不同功能的外加剂复合使用时，外加剂之间以及外加剂与水泥之间应有良好的适应性。减水剂采用山西桑穆斯建材化工有限公司生产的SMS聚羧酸盐高性能减水剂，速凝剂采用山西桑穆斯建材化工有限公司生产的RC-4型液体速凝剂。

3、早高强度喷射混凝土配合比设计

3.1钢纤维最佳掺量的确定

混凝土中钢纤维的体积率一般在0.5%～1.5之间，体积率过小，其增强作用较差。钢纤维体积率过大时，易造成钢纤维结团、混凝土施工困难，质量难以保证。经过室内试拌观察，当每方混凝土钢纤维体积率为0.7%，即每方混凝土钢纤维掺量为55kg时，混凝土拌和物工作性能较好，钢纤维不易结团，有利于喷射混凝土施工。

3.2配合比设计方案

早高强喷射混凝土的配合比设计与普通喷射混凝土的步骤一致，应符合《普通混凝土配合比设计方法》（JGJ55），本试验选定喷射混凝土的强度等级为C30。为研究硫铝酸盐水泥及钢纤维在早高强喷射混凝土力学性能中发挥的作用，本次试验设计了三组配合比，材料用量见表1。其中，早高强喷射混凝土配合比编号为A-1；普通硅酸盐水泥配制的钢纤维喷射混凝土是在配合比A-1原材料用量不变的情况下用同标号的硅酸盐水泥（P.O 42.5）取代硫铝酸盐水泥，配合比编号为A-2；硫铝酸盐水泥配制的素喷射混凝土是在配合比A-1基础上，去掉了钢纤维，编号为A-3。考虑到钢纤维的掺入及不同水泥与减水剂的相容性不一样，导致不同配合比方案混凝土的流动性有偏差，本研究通过调整减水剂掺量来调整混凝土的坍落度。

4、早高强喷射混凝土力学性能研究

4.1抗压性能

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行试验，试件尺寸为150mm×l50mm×150mm，根据混凝土强度的增长情况分别采用WE-300B型YE-2000C型液压式压力试验机进行试验，当试件接近破坏而开始迅速变形时，停止调整试验机油门，直至试件破坏。三组喷射混凝土立方体各龄期抗压强度结果见表2。

试验结果分析：

（1）普通硅酸盐水泥配制的喷射混凝土早期抗压强度相对较低，特别是10h龄期内，抗压强度不及硫铝酸盐水泥配制喷射混凝土抗压强度的20%。

（2）硫铝酸盐水泥配制的喷射混凝土早期强度增长快，10h强度可以达到28d抗压强度的50%，能及时为围岩提供支撑，从而抑制岩爆的发生。

（3）钢纤维的掺入对喷射混凝土抗压强度的提高没有明显的作用，但增大了混凝土压缩破坏时的延性，混凝土试件在破坏过程中没有出现崩碎和强度突然降低，而是在达到峰值后强度逐渐降低，使混凝上表现出延性破坏的性质。掺加钢纤维的喷射混凝土试件破坏后，完整性比素混凝土好。

4.2抗劈拉性能

通过对比掺加钢纤维的早高强度喷射混凝土（配合比方案A-1）与不掺钢纤维的素喷射混凝土（配合比方案A-3）的抗劈拉强度，分析钢纤维对喷射混凝土抗拉性能方面发挥的作用。经试验两个配合比方案混凝土立方体劈裂抗拉强度结果。

试验结果分析：

（1）掺加钢纤维可以明显提高喷射混凝土的抗劈拉强度，提高幅度在21%～26%，可以较好的改善喷射混凝土的抗拉性能。

（2）不掺钢纤维混凝土试件劈拉崩裂时，应力迅速下降，继续加力会使试件劈开为两半。掺加钢纤维的混凝土试件，应力下降的速率较慢，试验完成后试件的完整性较好。这说明钢纤维混凝土破坏开裂时，由于钢纤维的“桥联”作用，仍能承受一部分应力，使得混凝土的脆性降低，韧性增加。

（3）鋼纤维的掺入能提高喷射混凝土的拉压比，有效改善喷射混凝土的脆性，提高喷射混凝土的韧性，进而提高其抗冲击与抗疲劳等性能。

结论：

通过使用硫铝酸盐水泥代替常用的通用硅酸盐水泥并掺加钢纤维设计出早期强度高的C30早高强喷射混凝土，分析了影响早高强喷射混凝土抗压性能及抗拉性能的因素，并进行了现场应用验证，得出主要结论如下：

（1）硫铝酸盐水泥水化速度快，早期强度高，可以大幅度提高喷射混凝土的早期抗压强度。

（2）掺入钢纤维可以提高喷射混凝土的抗拉性能，提高混凝土的韧性，降低其脆性。

（3）早高强喷射混凝土早期强度高，可以达到3h抗压强度达到5MPa，5h抗压强度达到8MPa，10h抗压强度达到15MPa的设计目标，其早期强度的发展速度远远超过普通的喷射混凝土。

（4）早高强喷射混凝土由于具有较高的早期抗压强度及抗劈裂强度，在抑制隧道轻中度岩爆方面可以发挥明显的作用。

参考文献：

[1]陈宇.隧道高强喷射混凝土试验研究.山西建筑.20138（33）：139-141

[2]官晓琳.浅析隧道施工过程中岩爆现象的产生原因及治理措施.成铁科技.2015，4：21-22