铁路隧道用高性能液体无碱速凝剂的研制及应用

2021-02-25王家赫谢永江仲新华李享涛渠亚男

铁道建筑 2021年1期

王家赫谢永江仲新华李享涛渠亚男

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

我国铁路隧道普遍采用初期支护喷射混凝土与二次砌衬模筑混凝土相结合的复合式衬砌结构，二者在隧道施工和服役过程中均起到关键作用。初期支护喷射混凝土须在隧道钻爆完成后尽快施工，以保证隧道围岩稳定，防止掉块，确保施工人员和机械安全，同时喷射混凝土在隧道结构服役期间将承受主要的外部荷载[1-2]。因此，保证隧道初期支护喷射混凝土的施工性能和长期性能安全可靠对实现隧道结构安全稳定服役具有重要意义。

为实现喷射混凝土在到达受喷面时迅速凝结硬化并提供早期强度的目的，采用加入速凝剂的方式加速水泥水化进程，缩短诱导期。在工程实践中，速凝剂的使用实现了喷射混凝土的迅速凝结硬化，保证了隧道围岩稳定和施工安全[3-4]。但是，由于速凝剂的使用改变了混凝土中水泥水化产物的种类和形态，带来了一些新问题。目前湿喷施工中常用的速凝剂以碱含量不同划分为有碱速凝剂和无碱速凝剂2大类。有碱速凝剂主要成分为NaAlO2，使用后常常出现强度增长慢甚至倒缩、长期耐久性能差等问题，因此逐渐被性能更优的无碱速凝剂所代替[5-6]。

目前我国液体无碱速凝剂的产品较多，但普遍存在稳定性差、易分层、与水泥适应性差等问题[7-8]。我国幅员辽阔，铁路建设具有纵向延伸、条带状特征，隧道工程遍布各地，工程建设所采用的胶凝材料必然存在多点供应情况，对液体无碱速凝剂的稳定性和适应性提出了更高要求。

在国内外先进无碱速凝剂生产技术基础上，中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所进行了配方优化和生产改进，攻克了现有无碱速凝剂稳定性差、水泥适应性不足等关键难题，自主研发了高性能无碱速凝剂。该技术将为我国铁路隧道高质化建设提供支撑。

1 速凝剂碱含量对喷射混凝土力学性能的影响

为了研究速凝剂碱含量对喷射混凝土力学性能发展的影响，对掺加了有碱速凝剂和无碱速凝剂的喷射混凝土的抗压强度和弹性模量随龄期的演变进行对比试验。

1.1 材料性能

力学性能对比试验所用有碱速凝剂产地为南京，无碱速凝剂为自主研发生产的高性能无碱速凝剂。2种速凝剂的基本性能指标见表1。

表1 速凝剂基本性能指标

根据GB/T 35159—2017《喷射混凝土用速凝剂》，对掺速凝剂净浆凝结时间和砂浆强度进行检测，结果见表2。使用的水泥为中国建筑材料研究总院生产的基准水泥。

表2 掺速凝剂净浆和砂浆的基本性能指标

1.2 试件制备

喷射混凝土试件采用C40混凝土。水泥采用金隅P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料采用5～10 mm级配碎石，表观密度为2 750 kg/m3，紧密堆积密度为1 900 kg/m3；减水剂采用河北三楷科技有限公司生产的聚羧酸高效减水剂。

为方便对比，制备了对照组、无碱组、有碱组3组混凝土试件，其中对照组未掺加速凝剂，无碱组和有碱组分别掺加7.0%的无碱速凝剂和有碱速凝剂。喷射混凝土的配合比见表3。其中速凝剂和减水剂掺量均为胶凝材料的质量百分比，外加剂中水的用量均按比例从混凝土拌和水中扣除，以保证3组试件的用水量相同。

表3 C40喷射混凝土配合比

拌制混凝土时，将水泥和粗细骨料混合均匀，加入掺了减水剂的拌和水，在搅拌机中搅拌3 min。然后按照配合比要求加入相应的速凝剂，搅拌20 s后，迅速将混凝土拌和物装入模具中，并放置在振动台上振动30 s。混凝土试件抹面后，表面覆盖一层塑料膜以防止水分散失，养护1 d后拆模并放入标准养护室进行养护。抗压强度试件为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，弹性模量试件为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试块。

1.3 试验结果及分析

为研究喷射混凝土力学性能的经时演变规律，选取养护龄期为1，3，7，14，28，56 d的试件，分别测试其抗压强度和弹性模量，结果见图1。

图1 速凝剂含碱量对喷射混凝土力学性能的影响

由图1可知：

1）对于无碱速凝剂掺量为7.0%的喷射混凝土，各龄期抗压强度和弹性模量均略高于无掺加速凝剂的喷射混凝土，56 d抗压强度和弹性模量分别比对照组提高了11.0%和6.2%。这说明无碱速凝剂的使用对混凝土抗压强度和弹性模量发展影响较小，甚至可以使其力学性能略有提高。

2）对于有碱速凝剂掺量为7.0%的喷射混凝土，早龄期抗压强度和弹性模量均略高于对照组，1 d抗压强度和弹性模量分别比对照组提高了14.2%和17.4%；养护后期，其抗压强度和弹性模量均低于对照组，56 d抗压强度和弹性模量分别比对照组降低了33.2%和6.2%。这说明有碱速凝剂对喷射混凝土后期力学性能的发展影响较大。

无碱和有碱速凝剂加入水泥浆体后生成的水化产物不同，是导致宏观上力学性能差异的本质原因。加入无碱速凝剂后，水泥浆迅速反应生成大量棒状的高硫型水化硫铝酸钙（AFt）。该水化产物相互搭接，使混凝土失去流动性，但并未完全覆盖水泥颗粒表面，对水泥水化影响较小[9-11]，且AFt相互搭接对混凝土力学性能有一定提升作用。因此，含无碱速凝剂的喷射混凝土抗压强度和弹性模量在各龄期均高于对照组。加入有碱速凝剂后，水泥浆迅速水化生成水化铝酸钙和单硫型水化硫铝酸钙（AFm）等，该水化产物使水泥迅速凝结硬化并产生强度，但是将覆盖于水泥颗粒表面，影响水泥颗粒进一步水化。因此，含碱性速凝剂的喷射混凝土早龄期抗压强度和弹性模量高于对照组，而长龄期低于对照组。

2 液体无碱速凝剂的稳定性

液体无碱速凝剂的稳定性在工程实践中极为重要，均匀稳定的液相材料是其凝结效果的重要保障。目前液体无碱速凝剂产品普遍存在稳定性差、易分层等问题，主要是因为液体无碱速凝剂含固量较高，通常在50%以上[12-13]。采用溶解等手段加工完成的液体速凝剂放置一段时间后，其内部饱和溶液容易出现结晶，形成沉淀物或上层清液，该现象在低温环境下更为明显。为改善传统液体无碱速凝剂稳定性差的问题，利用络合反应原理，改善液体速凝剂内部粒子存在状态，提高稳定性。

2.1 稳定性试验

为对比研究不同液体无碱速凝剂的稳定性及其随时间的变化规律，选取产地分别为中国南京（NJ）、中国山西（SX）、丹麦（DM）的3种市售液体无碱速凝剂及自主研发（TJ）的高性能液体无碱速凝剂。

根据GB/T 35159—2017中速凝剂稳定性测试方法，采用具塞量筒对不同液体无碱速凝剂在常温及低温下的稳定性进行检测。具体试验方法为：分别在2支具塞量筒中装入100 mL液体无碱速凝剂，盖紧玻璃塞，分别放置于（20±2）℃和（-10±2）℃环境下静置，每隔一定时间观察并记录具塞量筒中沉淀物或上清液的高度。

2.2 稳定性试验结果及分析

本文选取的4种无碱速凝剂均为溶液型，静置后均表现为形成上层清液。不同环境温度下各无碱速凝剂中上清液占体积百分比随静置时间的变化曲线见图2。

图2 液体无碱速凝剂稳定性试验结果

由图2可知：

1）环境温度为20℃时，3种市售液体无碱速凝剂的分层量随时间遵循稳定期、快速发展期、平稳期3阶段规律变化，而自主研发的液体无碱速凝剂在90 d龄期内几乎未产生分层。DM，NJ，SX无碱速凝剂开始出现分层的时间分别为第18，30，33天，第90天时上清液所占体积比分别为19.8%，16.6%，11.8%。

2）环境温度为-10℃时，4种速凝剂的分层量随时间的变化规律均遵循3阶段模式。DM，NJ，SX，TJ无碱速凝剂开始出现分层的时间分别为第3，4，5，18天，第90天时上清液所占体积比分别为27.5%，24.9%，23.1%，4.7%。可见，低温环境显著了缩短液体无碱速凝剂的稳定期，且使分层量有所增加。

2.3 无碱速凝剂分层对水泥凝结效果的影响

液体无碱速凝剂在运输、储存过程中的稳定性对使用效果影响显著。出现沉淀物或上层清液后，虽然有效成分未减少，但存在形式已由原来的离子状态变为结晶状态，影响水泥砂浆的凝结效果。

为研究速凝剂的分层对混凝土凝结效果的影响，取常温（20℃）条件下静置90 d的4种液体无碱速凝剂，通过机械搅拌使其上层清液均匀分散。依据GB/T 35159—2017，测试掺上述处理后的速凝剂的净浆凝结时间，并与掺未分层速凝剂的净浆凝结时间进行对比，结果见表4。

表4 凝结时间测试结果

由表4可知：未出现过分层的4种无碱速凝剂掺入后，净浆初凝和终凝时间均符合GB/T 35159—2017的要求；出现分层后又搅拌均匀的3种市售液体无碱速凝剂掺入后，净浆初凝和终凝时间均显著长于基准值。可见，对于3种市售液体无碱速凝剂，虽然进行了二次搅拌，其有效成分分布均匀，但促凝效果仍受到较大影响，难以满足要求。自主研发的高性能无碱速凝剂在常温条件下静置90 d几乎未出现分层，掺入后净浆初凝和终凝时间变化不大，均满足GB/T 35159—2017的要求。

3 液体无碱速凝剂与水泥的适应性

液体无碱速凝剂与水泥的适应性也是影响速凝剂应用效果的重要因素。我国幅员辽阔，铁路建设呈现一线多点特征，对速凝剂与沿线水泥的适应性提出了更高要求。

以川藏铁路为例，该线路西起林芝，东接雅安，新建正线长度为967.2 km，桥隧比高达92.5%，其中隧道总长度767.8 km。为验证自主研发的高性能液体无碱速凝剂与川藏铁路沿线水泥的适应性，选择沿线5家常用水泥厂生产的普通硅酸盐水泥进行凝结效果试验，结果见表5。试验中，无碱速凝剂掺量为胶凝材料质量的7.0%。

表5 高性能液体无碱速凝剂与水泥的适应性试验结果

由表5可知，自主研发的高性能液体无碱速凝剂与川藏铁路沿线各厂家生产的水泥适应性良好。速凝剂掺量为7.0%时，各水泥净浆的初凝和终凝时间均符合GB/T 35159—2017的要求。

4 工程应用

自主研发的高性能液体无碱速凝剂已经在川藏铁路拉萨—林芝试验段进行了应用。该试验段为单线铁路隧道，喷射混凝土喷射总厚度为30 cm。施工中采用西藏高争水泥，无碱速凝剂掺量为胶凝材料总质量的5.0%。采用湖南五新隧道智能装备有限公司生产的CHP25B型湿喷机进行喷射施工，如图3所示。该试验段喷射混凝土的性能指标见表6。