低温条件下提高喷射混凝土性能的方法研究

2020-03-08丁卫军

工程技术研究 2020年16期

丁卫军，王晨，韩涛，荀晗

（陕西建工机械施工集团有限公司，陕西西安 710032）

1 工程概况

宗湾子至陈子沟二级公路工程共1座隧道，为大吉沟隧道。隧道起点位于吴起县榆树坪村西，穿越黄土梁，终点位于东树湾村，设计为单洞隧道，技术标准为双向两车道。隧道起止桩号K0+604～K1+520，总长916m，属中隧道。大吉沟隧道最小平曲线半径为600m，进口纵坡为2.8%、出口纵坡为2.8%。隧道围岩分级为V级，该隧道位于直线段，从进口单口掘进。所处隧址区属于黄土台塬梁峁地貌，多属于Ⅴ级围岩。

喷射混凝土是利用压缩空气做动力，将一定比例的拌和料，通过高压管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而成。喷射混凝土的喷嘴喷出速度达到50～80m/s，依靠高速喷射时水泥与集料的反复连续撞击压密混凝土。由于采用较小的水灰比（0.4～0.5），喷射混凝土能与岩石、砖石、钢材等有很高的黏结强度，同时与钢筋网联合使用可很好地在结合面上传递拉应力和剪应力，具有较高的力学性能和良好的耐久性，能大幅度地提高隧道承载力，加强隧道整体性。

2 喷射混凝土的性能研究

关于喷射混凝土方面的研究已历时百年有余，1914年美国最先将喷射水泥砂浆应用于矿山当中，1948～1953年新奥法（NATM）作为一种主要支护手段被广泛用于世界各地的地下工程。我国在20世纪50年代引入并自行试验应用喷射混凝土技术，迅速得到推广和发展。喷射混凝土因其施工方式的特殊性，对混凝土的凝结时间提出了较高要求，喷射物需在足够短的时间内快速凝结失去流动性，同时具备一定的黏聚力，避免因流动性过大或者黏聚力不足造成的滑移和坠落。因此，喷射混凝土施工时需要引入速凝剂来确保喷射混凝土的快速凝结。速凝剂作为一种不可缺少的添加剂，直接影响喷射混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能。速凝剂的掺量并不是越多越好，而是存在一个最佳范围，混凝土的早期强度和后期强度均对速凝剂掺量具有显著敏感性。因此，在进行喷射混凝土配合比设计时应参照厂家给出的推荐掺量并结合具体用途进行试配，避免因掺量过少引起的工作性能和早期强度不达标和因掺量过多对后期力学性能的不利影响，对速凝剂的最佳掺量进行研究势在必行。

2.1 主要研究内容

（1）新拌喷射混凝土黏聚特性。新拌喷射混凝土的黏聚特性是表征其工作性能的有效参数，与混合料的“可喷性”、喷射后与受喷面的黏结能力、回弹量密切相关。本项目借助合作单位长安大学所开发的设备进行新拌喷射混凝土的黏聚特性测试，分析温度、速凝剂掺量两大因素对其黏聚特性的影响。首先，对比分析不同加载速率平行试验的变异系数，确定黏聚力试验的最佳试验条件；然后，通过万能试验机对不同温度、不同速凝剂掺量的新拌喷射混凝土进行加载测试，分析相应条件下的喷射混凝土体系黏聚特性。

（2）喷射混凝土强度发展规律及预估模型。喷射混凝土的强度是除工作性能外的另一重要控制参数，是判断施工质量是否合格的直接指标。喷射混凝土的强度形成与混合料的组成、龄期、养护条件等因素均有密切关系。本项目针对强度特性重点开展了以下两个方面的研究：①通过单因素控制研究温度和速凝剂掺量对混凝土抗压强度的影响，以确认二者对喷射混凝土抗压强度的形成是否存在交互作用，以及不同条件下速凝剂的最佳掺量；②通过不同养护条件的控制分析喷射混凝土强度随龄期的发展规律，结合前述研究结果探索喷射混凝土强度构成机制及形成机理，建立喷射混凝土强度预估模型。

（3）低温条件下喷射混凝土性能改善。基于内聚力试验、力学试验、干缩试验、冻融循环试验，研究SAP掺量、额外引水量、聚丙烯纤维掺量对喷射混凝土工作性能、力学性能、耐久性能的影响规律。通过对各项性能指标进行“归一化”处理，提出了适用于低温环境下的喷射混凝土配合比设计，结合现场验证得出该复合材料在不影响工作性能的基础上可以大幅增强后期性能并具备一定的经济效益。

2.2 新制喷射混凝土黏聚特性研究

（1）新制喷射混凝土黏聚特性影响因素研究。喷射混凝土因其施工要求，在极短时间内能够快速凝结硬化，速凝剂必不可少。速凝剂可与胶凝材料反应加速水泥的极早期水化，形成胶凝结构进而增加喷射混凝土的黏聚力使之不至于发生流动、滑落。然而各个厂家生产的速凝剂都存在最佳掺量，较少的掺量不能满足喷射混凝土的工作性能要求，而过多的速凝剂不仅会增大经济成本，还可能造成喷射混凝土后期性能的下降。

（2）试验方案。试验温度分别选取5℃、10℃、15℃、20℃、25℃五个温度，速凝剂的掺量分别选取0%、3%、6%、9%四个不同掺量。配合比同上述研究所述一致，每次配置4 L混凝土用于填装测试仪。配置混凝土时的温度依据室内温度计选择合适时间进行新制喷射混凝土的制备，同时为保证试验过程中温度的准确性，控制环境箱温度为相应温度。试验加载速率根据上述研究分析各组变异性系数选定10 mm/min。

3 喷射混凝土的强度构成

3.1 喷射混凝土强度增长特性研究

喷射混凝土的强度依赖于水泥强度的形成，而水泥强度的形成离不开水泥的水化过程，水泥加适量的水拌和后，水泥的各个组分别开始溶解并产生持续时间很长的复杂物理与化学变化，随着反应的不断发生，散状的水泥在水的作用下逐渐变化成为具有一定黏结和流动性能的可塑性浆体，此时可称之为水泥浆，此后水化继续进行，流动性能不断下降，黏结性能不断加强，最后凝结硬化成为具有一定强度的石状体。C3S、C2S、C3A、C4AF作为水泥熟料中的主要矿物组成成分，其对水泥强度形成的重要性不言而喻，这四种矿物成分在水泥水化过程中发生的反应及对水泥强度的影响已有不少学者研究。其中C3S水化较快，是产生水泥强度的主力军，是水泥水化产生强度最重要的矿物；C2S水化较慢，主要影响水泥的后期强度；C3A水化反应最快，放热最多，是水泥水化反应的急先锋，主要影响水泥的凝结速率，但产生的强度并不高；C4AF水化速度和水化热均较快，主要影响水泥的抗折强度及耐磨性能。

3.2 抗压强度

外界的温度条件直接影响水泥混凝土的水化速率，从而影响水泥混凝土强度的发展。根据陕北地区隧道施工特点，在固定速凝剂掺量为0%和6%情况下，设计温度为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃成型试件，分别进行不同龄期抗压强度试验，分析不同温度下混凝土抗压强度的变化规律。

4 低温条件下喷射混凝土性能改善研究

4.1 材料的选择及技术性质

喷射混凝土由于其特殊性，对工作性能和长期性能均有较高要求。工作性能方面主要指喷射物应具有良好的黏聚性，防止喷射混凝土与构造面的黏聚力不足或者喷射混凝土自身内部的黏聚力不足造成的脱落，避免回弹率过高造成的经济成本浪费。长期性能主要指喷射混凝土作为隧道开挖初期支护的主要承担者，具备长期良好的承载能力，是隧道施工及使用安全的重要保证，故应具有良好的力学性能，并且应避免因自身的收缩开裂等病害造成力学性能下降等问题。

然而，我国多数高寒地区满足具备良好施工条件的作业周期短，不可避免地要求在不良环境下进行施工。上述研究中提到温度是影响水泥凝结时间以及喷射混凝土强度形成的重要因素，相对较低的温度并不能保证施工以及养护的顺利进行。为了确保喷射混凝土的黏聚性，施工方往往会提高速凝剂的掺量，但相对高的速凝剂掺量又会影响到喷射混凝土硬化后的长期性能。加之低温对水泥水化速率的影响，更是导致喷射混凝土的长期性能得不到较好的提升。

为了使喷射混凝土在低温施工及养护过程中始终具备良好的性能，可以选择增加部分胶凝材料的用量，并引入减水剂等材料以确保其长期性能。但往往在提高强度的同时伴随有高收缩现象，相对较高的湿度可以有效地减缓混凝土的收缩，湿度也在一定程度上影响了水泥的水化和混凝土强度的形成，可以通过引入增加湿度的内养护材料来确保湿度。同时引入纤维也可以有效提高混凝土的强度，延缓收缩开裂。

4.2 超吸水树脂

超吸水树脂（SAP）具有很强的吸水能力，往往能够吸收是自身质量的几百倍的水。但是在不同离子浓度的混凝土拌和物中的吸水能力不同，仅凭经验往往无法准确地判断SAP的额外引水量。

聚丙烯纤维以聚丙烯为原料，经加工处理后得到高强度束状单丝有机纤维，易于分散，该纤维具有极其稳定的化学性质，不与混凝土中其他材料发生反应，仅发挥其物理性质，可有效地减少高强混凝土的收缩及裂缝，抑制裂缝的形成和发展，从而大幅度改善喷射混凝土的抗收缩抗裂性能。

5 低温喷射混凝土力学性能改善及分析

低温会影响胶凝材料的水化，为了克服低温带来的不利影响，可以采用增加胶凝材料用量或者掺入减水剂等方法，同时为了抑制收缩开裂掺入SAP及聚丙烯纤维。但强度仍是混凝土最重要的指标，是结构设计和施工质量控制过程中必须严加把控的首要因素，不能以牺牲强度为代价。当前关于SAP对混凝土强度的作用仍存在争议：部分学者认为掺入SAP会降低混凝土的强度；部分学者认为掺入SAP不但不会降低混凝土的强度还会使强度得以提升；还存在部分学者认为当掺入的SAP适量时，会对混凝土的强度有所增长。

在此基础上，综合上述研究喷射混凝土配合比对陕北地区隧道初期支护边坡进行试喷。利用钢尺测量一次喷射所能达到的最大厚度，以掉落质量表征回弹率。将现场喷射大板移至室内养生1d后，切割成边长为100mm的立方体试件，并测定其养生1d、28d后的抗压强度。