雷乃金，陳平奧

隧道機(jī)制砂噴射混凝土研究

雷乃金1，陳平奧2

(1. 貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550008；2. 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

以貴州省梨花井隧道施工為背景，研究機(jī)制砂噴射混凝土制備技術(shù)，通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)對比分析各配比噴射混凝土工作性能、抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及抗?jié)B性，并采用非線性回歸的方法得到混凝土力學(xué)性能隨齡期增長的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式。研究結(jié)果表明：單摻粉煤灰或復(fù)摻硅粉與粉煤灰制備的機(jī)制砂噴射混凝土工作性能及力學(xué)性能均能滿足設(shè)計(jì)要求，而復(fù)摻硅粉與粉煤灰后的混凝土抗壓強(qiáng)度、坍落度、回彈率均優(yōu)于單摻粉煤灰，故工程選擇復(fù)摻硅粉與粉煤灰方案；機(jī)制砂噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨齡期變化滿足：()=0[1??mt?(1?)?nt]關(guān)系式，其中：為混凝土抗壓強(qiáng)度或彈性模量，為自然常數(shù)，，和為常數(shù)參數(shù)，機(jī)制砂噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量早期增長較快，后期增長緩慢。

機(jī)制砂；噴射混凝土；硅粉；抗壓強(qiáng)度；彈性模量

噴射混凝土技術(shù)是用壓力噴槍噴涂灌筑細(xì)石混凝土的施工法，其廣泛應(yīng)用于隧道襯砌、邊坡支護(hù)等工程中，具有經(jīng)濟(jì)、工期短等特點(diǎn)[1?4]。與鋼筋網(wǎng)、錨桿等支護(hù)方法結(jié)合可顯著提高其對結(jié)構(gòu)物的防護(hù)能力[5?6]。隨著我國高速鐵路及公路的大量建設(shè)，復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域隧道開挖對隧道襯砌用噴射混凝土性能提出了更高的要求，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量相關(guān)研究。纖維材料(鋼纖維、玄武巖纖維、PVA纖維等)可顯著提高噴射混凝土的強(qiáng)度、抗裂性和韌性[7?10]，且通過外加減水劑可改善噴射混凝土工作性能，以滿足施工要求[11?12]，因此，纖維噴射混凝土在工程得到大量應(yīng)用。隧道內(nèi)特殊的水文條件要求噴射混凝土具有良好的抗?jié)B性和抗硫酸鹽侵蝕能力，已有研究發(fā)現(xiàn)硅灰和粉煤灰的微孔填充效應(yīng)可降低噴射混凝土孔隙率，進(jìn)而提高其抗?jié)B性[13?16]，防腐劑及表面處理材料可有效提高噴射混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級[17]。上述噴射混凝土性能與其砂的材質(zhì)密切相關(guān)，河砂由于含粉量低等特點(diǎn)配制的噴射混凝土工作性能良好，但河砂的過度開采導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化嚴(yán)重，因此，機(jī)制砂代替河砂配制混凝土技術(shù)迅速發(fā)展[18]。近些年，機(jī)制砂噴射混凝土[19?21]研究鮮有報(bào)道，本文以梨花井隧道施工為工程背景，研究了機(jī)制砂噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)，通過室內(nèi)及室外混凝土試驗(yàn)對比分析了各配合比噴射混凝土抗壓強(qiáng)度、早期強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗?jié)B性等，對機(jī)制砂噴射混凝土性能提升具有重要意義。

1 工程概況

梨花井隧道位于貴州省六盤水市盤縣，隧道全長331 m。隧道穿越山體屬巖溶中山區(qū)。山體連綿、地形坡度變化較大，一般25°～55°。隧道進(jìn)口段，斜坡坡度31°，基巖出露，但其后援斜坡坡度35°～40°，可見表生溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，溶蝕裂隙及熔溝多發(fā)育，巖體較破碎，其上植被發(fā)育一般，農(nóng)作物以玉米為主；隧道出口段地形坡度40°，地面的溶蝕裂隙及溶溝不甚發(fā)育，巖體較破碎。

圖1 梨花井隧道右洞縱斷面圖

2 原材料及配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

1) 水泥：貴州黔桂三合水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的型號P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥，其相關(guān)性能見表1。

2) 機(jī)制砂：表觀密度2.74 g/cm3，堆積密度1.61 g/cm3，石粉含量為5.4%，壓碎指標(biāo)21%，細(xì)度模數(shù)2.8，級配曲線如圖2所示。

表1 試驗(yàn)用水泥性能

圖2 機(jī)制砂級配曲線

3) 碎石：粒徑5～10 mm光面砂，表觀密度2.675 g/cm3，相對孔隙率40.6%，壓碎指標(biāo)18.6%，含泥量0.6%，碎石表面潔凈無污染。

4) 其他材料：①硅灰：SiO2含量≥93%；②I級粉煤灰：密度2.38 g/cm3，比表面積369 m2/kg；③液態(tài)無堿速凝劑：型號TCC766，密度為1.25~1.35 g/mL，pH值為4~6，實(shí)驗(yàn)摻量為5%。④減水劑：采用CPA系列聚羧酸高性能減水劑，pH值為6~8，氯離子含量小于0.1%，減水率大于25%。

2.2 配合比設(shè)計(jì)及基準(zhǔn)配合比

噴射混凝土作為隧道的永久單層襯砌，參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55—2011、《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT50080—2002以及《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》GB50086—2001有關(guān)規(guī)定，擬制機(jī)制砂噴射混凝土強(qiáng)度等級為C25，擬定機(jī)制砂噴射混凝土坍落度為120 mm，工作性能良好，回彈率低，試驗(yàn)所用混凝土基準(zhǔn)配合比為水泥:水:砂:碎石=448:202:923: 828(單位kg/m3)，水灰比為0.45，砂率為0.53。粉煤灰按水泥質(zhì)量的20%和15%添加，硅粉按水泥質(zhì)量的4%摻入，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4組配合比，其單位體積混凝土拌合物用量見表2。

測定各配比混凝土拌合物的坍落度，并采用現(xiàn)場噴大板方法制作混凝土試件，混凝土試模尺寸為450 mm×350 mm×150 mm，噴射后試件在隧道潮濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，3 d后置于養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，待養(yǎng)護(hù)14 d后切割為100 mm×100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

表2 單位體積混凝土拌合物用量

圖3 坍落度測試

圖4 噴射混凝土襯砌表面

對于每種配合比的噴射混凝土進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和測定其坍落度、回彈率，結(jié)果見表3。配合比C和配合比D坍落度均小于120 mm，不滿足設(shè)計(jì)要求，配合比A由于粉煤灰摻量過大，降低了混凝土的黏聚性，進(jìn)而回彈率增大。本文選擇A、B配合比為本試驗(yàn)最終配合比，并對A，B 2種配合比進(jìn)行力學(xué)性能及抗?jié)B性研究。

2.3 結(jié)果與分析

測試了齡期4 h，12 h，1，3，7和14 d的各配合比抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度，各實(shí)驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，其結(jié)果分別見圖6和圖7。

圖5 現(xiàn)場噴大板及脫模后的試件

表3 各配合比混凝土噴大板試件測試結(jié)果

由圖6可知，摻硅粉的噴射混凝土(配合比B)的早期強(qiáng)度小于不摻硅粉的噴射混凝土(配合比A)，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d后，其抗壓強(qiáng)度大于只摻粉煤灰的噴射混凝土(配合比A)，摻入4%的硅灰使得機(jī)制砂噴射混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度提高了5.6%，說明硅粉可提高機(jī)制砂噴射混凝土后期抗壓強(qiáng)度。圖6表明，摻入硅粉的機(jī)制砂噴射混凝土(配合比B)早期強(qiáng)度比只摻粉煤灰的噴射混凝土(配合比A)更大，說明摻入硅粉對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度有明顯的提高。

圖6 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖7 混凝土劈裂強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)防水是隧道及地下工程設(shè)計(jì)施工的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而混凝土的抗?jié)B性能是混凝土結(jié)構(gòu)自防水的一個(gè)重要指標(biāo)。規(guī)范要求單層襯砌噴射混凝土的抗?jié)B性等級不低于S8。

研究采用混凝土抗?jié)B試驗(yàn)儀測定了配合比A和B機(jī)制砂噴射混凝土抗?jié)B等級，結(jié)果見表4。配合比A和B的機(jī)制砂噴射混凝土的抗?jié)B等級均為S10，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的抗?jié)B等級，說明摻入粉煤灰和硅灰可有效提高機(jī)制砂噴射混凝土抗?jié)B 等級。

表4 混凝土抗?jié)B等級

由上述分析可知，摻入硅粉提高了機(jī)制砂噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗?jié)B等級。硅灰具有火山灰效應(yīng)和微孔填充作用，其會與硬化膠凝材料體系中Ca(OH)2反應(yīng)生成更多的水化硅酸鈣凝膠，細(xì)化硬化漿體內(nèi)部孔隙，有效改善其孔結(jié) 構(gòu)[13, 22]，進(jìn)而使得機(jī)制砂噴射混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性提高。

噴射混凝土的性能受水灰比、砂率、不同外加劑摻量、齡期、施工工藝等的影響，有效預(yù)測噴射混凝土力學(xué)性能發(fā)展十分必要。對于剛噴射出的噴射混凝土，呈現(xiàn)流態(tài)，其強(qiáng)度為零，隨著混凝土中水泥水化不斷進(jìn)行產(chǎn)生了大量水化產(chǎn)物，其強(qiáng)度迅速增長，水泥完全水化后強(qiáng)度趨向于穩(wěn)定。因此，可以把混凝土強(qiáng)度和彈性模量看作齡期的函數(shù)，針對早強(qiáng)型混凝土強(qiáng)度和彈性模量與齡期的關(guān)系可用式1和式2表示。

式中：0和0為=￥時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量，為自然常數(shù)，，，，，和均為常數(shù)。

圖8和圖9為配合比A和B機(jī)制砂噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的MATLAB擬合結(jié)果，結(jié)果顯示2種配合比混凝土擬合結(jié)果2>0.94，說明式1和式2可用于表征機(jī)制砂噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨齡期的變化規(guī)律，速凝劑使得機(jī)制砂噴射混凝土呈現(xiàn)早期強(qiáng)度迅速發(fā)展，后期趨于穩(wěn)定的趨勢，彈性模量同樣具有這種趨勢。12 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到最終強(qiáng)度(齡期28 d強(qiáng)度)的35%左右，1 d強(qiáng)度可以達(dá)到最終強(qiáng)度的50%以上，7 d強(qiáng)度可以達(dá)到最終強(qiáng)度的80%以上。

(a) 配合比A；(b) 配合比B

(a) 配合比A；(b) 配合比B

綜合考慮混凝土施工性能、強(qiáng)度及抗?jié)B性，最終確定采用配合比B(粉煤灰和硅灰復(fù)摻)作為現(xiàn)場施工配合比，圖4為該配合比機(jī)制砂噴射混凝土噴后襯砌表面，可見其表面平整度好，無裂紋。

3 結(jié)論

1) 復(fù)摻硅粉與粉煤灰后的混凝土抗壓強(qiáng)度、坍落度、回彈率均優(yōu)于單摻粉煤灰，這與硅粉火山灰效應(yīng)和微孔填充作用有關(guān)，故工程選擇復(fù)摻硅粉與粉煤灰方案。

2) 采用本文配合比，機(jī)制砂噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨齡期變化滿足：()=0[1??mt?(1?)?nt]關(guān)系式，其中為混凝土抗壓強(qiáng)度或彈性模量，為自然常數(shù)，，和為常數(shù)參數(shù)。

[1] 黃海昀, 仇文革, 黃黆, 等. 石質(zhì)鐵路隧道初期支護(hù)優(yōu)化研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2019, 16(1): 152? 161. HUANG Haiyun, QIU Wenge, HUANG Guang, et al. Study on primary support optimization for railway tunnel in rock[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2019, 16(1): 152?161.

[2] 徐幫樹, 楊為民, 王者超, 等. 公路隧道型鋼噴射混凝土初期支護(hù)安全評價(jià)研究[J]. 巖土力學(xué), 2012(1): 252?258. XU Bangshu, YANG Weimin, WANG Zhechao, et al. Study of initial support safety evaluation about shape steel reinforced shotcrete in highway tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012(1): 252?258.

[3] Galan I, Baldermann A, Kusterle W, et al. Durability of shotcrete for underground support-review and update[J]. Construction and Building Materials, 2019, 202: 465? 493.

[4] CHEN L J, LI P C, LIU G M, et al. Development of cement dust suppression technology during shotcrete in mine of China-A review[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2018, 55: 232?242.

[5] 崔圣愛, 李江渭, 葉躍忠, 等. 高地溫隧道干熱環(huán)境中噴射混凝土與巖石黏結(jié)強(qiáng)度[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2013, 16(4): 663?666, 682. CUI Shengai, LI Jiangwei, YE Yuezhong, et al. Bond strength of shotcrete with rock in dry and hot environment of high ground temperature tunnel[J]. Journal of Building Materials, 2013, 16(4): 663?666, 682.

[6] 王少勇, 吳愛祥, 韓斌, 等. 濕噴混凝土+樹脂錨桿耦合支護(hù)的力學(xué)模型[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 44(8): 3486?3492. WANG Shaoyong, WU Aixiang, HAN Bin, et al. Mechanical model of wet shotcrete + resin bolt coupling support[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(8): 3486?3492.

[7] 李冬, 丁一寧. 鋼纖維對噴射混凝土方板早齡期彎曲性能的影響[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2017, 20(1): 78?82. LI Dong, DING Yining. Effect of steel fiber on the bending behavior of shotcrete plate at early age[J]. Journal of Building Materials, 2017, 20(1): 78?82.

[8] Cengiz O, Turanli L. Comparative evaluation of steel mesh, steel fibre and high-performance polypropylene fibre reinforced shotcrete in panel test[J]. Cement and Concrete Research, 2004,34(8): 1357?1364.

[9] 孫成訪, 谷倩, 彭少民. 噴射纖維混凝土的性能與應(yīng)用綜述[J]. 混凝土, 2008(8): 101?104, 127. SUN Chengfang, GU Qian, PENG Shaomin. General introduction of the performance and application of sprayed FRPC[J]. Concrete, 2008(8): 101?104, 127.

[10] Bernard E S. Behaviour of round steel fibre reinforced concrete panels under point loads[J]. Materials and Structures, 2000, 33(227): 181?188.

[11] 彭先齊, 張振宇, 樊春喜, 等. 高溫長運(yùn)距噴射混凝土坍落度損失問題解決方法研究[J]. 水力發(fā)電, 2016, 42(12): 73?76. PENG Xianqi, ZHANG Zhenyu, FAN Chunxi, et al. Study on slump loss for shotcrete under the conditions of high temperature and long distance transportation[J]. Water Power, 2016, 42(12): 73?76.

[12] Dilek U. Effects of manufactured sand characteristics on water demand of mortar and concrete mixtures[J]. Journal of Testing and Evaluation, 2015, 43(3): 562?573.

[13] 寧逢偉, 蔡躍波, 白銀, 等. 膨脹劑和硅灰改善C50噴射混凝土抗?jié)B性能的研究[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2019, 38(10): 3253?3259. NING Fengwei, CAI Yuebo, BAI Yin, et al. Research on impermeability improvement of C50 shotcrete with expansive agent and silica fume[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2019, 38(10): 3253?3259.

[14] 張俊儒, 聞毓民, 歐小強(qiáng). 粉煤灰噴射混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的演變特征[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 53(2): 296? 302. ZHANG Junru, WEN Yumin, OU Xiaoqiang. Evolutionary characteristics of pore structure of fly ash shotcrete[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(2): 296?302.

[15] Coo M, Pheeraphan T. Effect of sand, fly ash, and coarse aggregate gradation on preplaced aggregate concrete studied through factorial design[J]. Construction and Building Materials, 2015, 93: 812?821.

[16] SHEN W G, YANG Z G, CAO L H, et al. Characterization of manufactured sand: Particle shape, surface texture and behavior in concrete[J]. Construction and Building Materials, 2016, 144: 595?601.

[17] 黃波. 鐵路隧道襯砌混凝土抗硫酸鹽侵蝕的技術(shù)措施研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2010. HUANG Bo. Research on technical measures of sulfate resistance of lining concrete of railway tunnel[D]. Changsha: Central South University, 2010.

[18] SHEN W G, LIU Y, WANG Z W, et al. Influence of manufactured sand’s characteristics on its concrete performance[J]. Construction and Building Materials, 2018, 172: 574?583.

[19] 王朝東, 徐光苗, 陳建平. 人工砂在隧道噴射混凝土支護(hù)中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2003(10): 1749? 1752. WANG Zhaodong, XU Guangmiao, CHEN Jianping. Application of artificial sands in shotcrete support of tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003(10): 1749?1752.

[20] 何鵬. 降低公路隧道機(jī)制砂濕噴混凝土回彈率的試驗(yàn)研究[D]. 杭州: 浙江科技學(xué)院, 2019. HE Peng. Experimental study on reducing the rebound rate of machined sand wet shotcrete in highway tunnel[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Science and Technology, 2019.

[21] 劉洋, 尚友磊, 何奇. 濕噴機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)[J]. 高速鐵路技術(shù), 2012, 3(1): 52?56. LIU Yang, SHANG Youlei, HE Qi. Mixing proportion design for concrete with wet sprayed machine-made sand[J]. High Speed Railway Technology, 2012, 3(1): 52?56.

[22] 張波. 不同形態(tài)硅灰在高強(qiáng)混凝土中的作用機(jī)理[D]. 北京: 清華大學(xué), 2015. ZHANG Bo. The function of silica fume with different densities in high strength concrete[D]. Beijing: Tsinghua University, 2015.

Study on the machine-made sand shotcrete of tunnel construction

LEI Naijin1, CHEN Pingao2

(1. Guizhou Highway Engineering Group Co., Ltd., Guiyang 550008, China;2. Guizhou Communications Planning, Survey, Design and Research Institute Co., Ltd., Guiyang 550081, China)

This paper mainly studies the mix proportion designs of machine-made sand shotcrete in Lihuajing tunnel construction in Guizhou Province. The compressive strength, early strength and splitting strength of shotcrete with different mix proportions were analyzed through indoor and outdoor concrete tests. The empirical formulas of compressive strength and elastic modulus of shotcrete with different mix proportion increasing with age were obtained by nonlinear regression method. The results show that the performance and mechanical properties of sand-jet concrete prepared with fly ash or fly ash can meet the design requirements, and the compressive strength, slump and rebound rate of the concrete after fly ash and fly ash are better than that of fly ash. the compressive strength and elastic modulus of mechanism sand shotcrete meet()=0[1??mt?(1?)?nt], whereis the compressive strength or elastic modulus of concrete,is a natural constant, andare constant parameters. The compressive strength and elastic modulus of mechanism sand shotcrete increase in the early stage and slowly in the later stage.

machine-made sand; shotcrete; silica fume; compressive strength; elastic modulus

U455.43

A

1672 ? 7029(2020)09 ? 2271 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u. T20200398

2019?12?12

貴州省交通運(yùn)輸廳2016年度科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016-123-015)

雷乃金(1972?)，男，貴州貴陽人，高級工程師，從事高速公路施工及管理；E?mail：422580454@qq.com

(編輯 涂鵬)