孫俊，戈兵，3，趙玨，高正陽，趙陽，李興超

（1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.建研院檢測中心有限公司，北京 100013；3.國家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

0 引言

噴射混凝土是指借助壓縮空氣或其他動力輸送，將混凝土拌合物或預拌混凝土通過充氣管道送入噴射設備，并高速噴射至受噴面后快速凝結(jié)硬化所形成的一種混凝土。噴射混凝土技術(shù)具有工藝簡單、施工高效和造價經(jīng)濟的特點，已在隧道建設工程中獲得了廣泛應用[1]。噴射混凝土錨噴支護與傳統(tǒng)的支護形式相比具有突出的優(yōu)越性，具有支襯、充填、隔絕、轉(zhuǎn)化的作用，一方面，節(jié)約了鋼材和木材，降低了施工成本；另一方面，使得施工簡單，形成的支護結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，減少了人工投入，有利于改善施工安全性和加快隧道施工進度，具有良好的經(jīng)濟和社會效益[2-4]。

近年來，鑒于安全及環(huán)保角度考慮，噴射混凝土的施工主要是通過遠程控制的噴射機械來完成，減少了非機械給施工人員帶來的安全隱患[5]。無論機械還是人工施工，隧道施工安全性和時效性是與噴射混凝土達到結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞、同時起到支護作用的臨界強度緊密相關(guān)[6-7]。目前，國內(nèi)外尚無明確規(guī)定噴射混凝土“早齡期”的標準，24 h齡期以內(nèi)的噴射混凝土通常被認為是“新噴射混凝土”或“未成熟噴射混凝土”[8]?，F(xiàn)行相關(guān)標準對噴射混凝土早期強度也作了要求，JGJ/T 372—2016《噴射混凝土應用技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定地下工程用噴射混凝土的1 d抗壓強度不應低于8 MPa，軟弱圍巖級淺埋隧道地下工程用噴射混凝土的3 h抗壓強度不應小于2 MPa且1 d抗壓強度大于設計值的40%。因此準確測試噴射混凝土早期臨界強度，對保證施工安全、質(zhì)量、進度三者之間協(xié)調(diào)性具有重要意義。

目前，測試混凝土結(jié)構(gòu)實體強度方法主要包括回彈法、鉆芯法、拉脫法、貫入法等?；貜椃ㄍǔＳ糜?4 d齡期以后混凝土強度測試；鑒于噴射混凝土早齡期強度較低，采用鉆芯法芯樣加工則容易發(fā)生掉角等缺陷，難以獲得準確的抗壓強度；拉脫法通常用于10～100 MPa混凝土強度測試；現(xiàn)行的歐洲標準EN 14488—2—2006《Testing sprayed concrete-Part 2：Compres sive strength of young sprayed concrete》中規(guī)定了貫入法檢測早齡期噴射混凝土抗壓強度，但該方法貫入裝置為火藥驅(qū)動的射釘槍，每次驅(qū)動能量不一，對貫入深度存在一定影響，測試結(jié)果差異性較大，且存在誤發(fā)射釘?shù)那闆r，存在安全隱患[9]。TB 10426—2019《鐵路工程結(jié)構(gòu)混凝土強度檢測規(guī)程》規(guī)定了貫入法所用設備要求、測試24 h齡期噴射混凝土強度線性回歸曲線建立及換算方法。綜上可知，回彈法、鉆芯法、拉脫法均不適用于噴射混凝土早齡期混凝土強度測試，貫入法則需在規(guī)定設備條件下建立專用曲線后可計算噴射混凝土早齡期混凝土強度。

本研究基于普通噴射混凝土（未摻加纖維，以下稱噴射混凝土），采用貫入式混凝土強度檢測儀測試早齡期（336 h）內(nèi)各個齡期貫入深度，同時測試該齡期時噴射混凝土150 mm×150 mm×150 mm立方體試件抗壓強度，并根據(jù)貫入深度和混凝土抗壓強度數(shù)據(jù)，繪制出不同齡期對應抗壓強度發(fā)展趨勢曲線，再分析不同數(shù)學擬合公式與發(fā)展趨勢圖契合度情況，針對性提出科學、合理的噴射混凝土早齡期抗壓強度擬合計算公式，最終確定符合程度較高的專用測強曲線擬合函數(shù)，為隧道工程噴射混凝土施工的安全性和進度保證提供支持。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5低堿水泥，安定性（沸煮法）合格，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，主要技術(shù)性能如表1所示。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

（2）粉煤灰：F類Ⅰ級，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和JGJ/T 372—2016的要求，主要技術(shù)性能見表2。

表2 粉煤灰的主要技術(shù)性能

（3）礦渣粉：S95級粒化高爐礦渣粉，符合GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》和JGJ/T 372—2016的要求，主要技術(shù)性能見表3。

表3 礦渣粉的主要技術(shù)性能

（4）細骨料：Ⅱ區(qū)天然砂，符合JGJ/T 372—2016和GB/T 14684—2011《建設用砂》的要求，主要技術(shù)性能見表4。

表4 細骨料的主要技術(shù)性能

（5）粗骨料：5～10 mm單粒級配碎石，符合JGJ/T 372—2016和GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》的要求，主要技術(shù)性能見表5，顆粒級配見表6。

表5 粗骨料的主要技術(shù)性能

表6 粗骨料的顆粒級配

（6）速凝劑：液體無堿速凝劑，符合JGJ/T 372—2016和GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》的要求，主要技術(shù)性能見表7。

表7 速凝劑的主要技術(shù)性能

（7）減水劑：標準型聚羧酸系高性能減水劑，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》的要求，主要技術(shù)性能見表8。

表8 減水劑的主要技術(shù)性能

1.2 試驗配合比

本研究采用C35強度等級噴射混凝土，根據(jù)JGJ/T 372—2016進行配合比設計。噴射混凝土中膠凝材料用量為450 kg/m3，其中水泥、粉煤灰和?；郀t礦渣粉占比分別為70%、15%、15%，砂率取50%，聚羧酸系高性能減水劑、速凝劑摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的1%、6%。混凝土拌合物坍落度應在30 s內(nèi)測試完成，控制值為（180±20）mm。

根據(jù)上述配合比設計原則，按質(zhì)量法假定混凝土的濕表觀密度2400 kg/m3計算配合比，如表9所示。

表9 試驗用噴射混凝土的配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗條件

成型室和實驗室溫度應控制在（20±3）℃，相對濕度不低于50%，試驗用原材料在上述環(huán)境中保持至少24 h。養(yǎng)護室溫度控制在（20±2）℃，相對濕度不低于95%。

1.3.2 試驗成型

試驗需成型邊長150 mm立方體混凝土試件。每組成型4個試件，共計30組，其中每組試件貫入深度試驗試件1個，抗壓強度試件3個。每組試塊成型應取自同一盤混凝土，每盤拌制混凝土量不應少于25 L。主要成型過程如下：

（1）首先試拌不摻加速凝劑的混凝土拌合物，調(diào)整坍落度至（180±20）mm，坍落度測試應在30 s內(nèi)完成。

（2）依據(jù)調(diào)整好的混凝土配合比，先后加入膠凝材料、骨料、減水劑、水重新配制混凝土，攪拌120 s后，再將液體無堿速凝劑加入拌合物中，攪拌20 s后立即卸料成型150 mm立方體混凝土試件。

（3）將試模置于振動臺上振實混凝土，振動時間持續(xù)60 s，振動過程中若存在成型試模缺料，應及時補充混凝土拌合物，振動完成后，及時抹面，時間控制在2 min內(nèi)。

（4）成型后試件帶模放入標養(yǎng)室養(yǎng)護，3 h后拆模，再標準養(yǎng)護至試驗齡期。

1.3.3 混凝土試塊貫入試驗

（1）試驗設備：本研究所用貫入試驗設備由檢測儀主機、測釘、深度測量尺等部分組成，設備的主要技術(shù)參數(shù)見表10。

表10 貫入式混凝土強度檢測儀的主要技術(shù)參數(shù)

（2）試驗制度：待混凝土試塊標準養(yǎng)護3 h后，開始同時進行混凝土貫入試驗和抗壓強度試驗，且在15 min內(nèi)完成貫入測試和抗壓強度試驗，各個試驗齡期間隔時間見表11。

表11 試驗間隔時間

（3）試驗準備階段：將被測試件成型側(cè)面上的水泥漿、塵土等擦拭干凈，并依次編號區(qū)分貫入試驗和抗壓強度試驗用試塊。在貫入深度測試試件的4個成型側(cè)面上標識測點，測試測釘貫入深度時在混凝土試塊的每個側(cè)面布置4個測點，測點應避開蜂窩、麻面等表面缺陷的區(qū)域，共4個側(cè)面16個測點。測試時將試件放置于堅硬平底上，使測試面向上。測點離試件邊緣距離及彼此相隔間距不宜小于30 mm，混凝土試塊的測點選取如圖1所示。若測點所在位置有表面缺陷，根據(jù)測點選取要求在原測點周圍位置重新進行選取。

圖1 混凝土試塊測點布置示意

（4）測量貫入深度：將貫入式強度檢測儀軸線置于與混凝土測試面垂直角度，用力握住把手，防止反沖?？蹌影鈾C，貫入測釘，然后拔出貫入式強度檢測儀，用洗耳球吹凈測孔，用深度測量尺測量貫入深度。測得的16個貫入深度中剔除3個最大值和3個最小值，取余下10個有效貫入深度的平均值作為該組試塊的貫入深度代表值，精確至0.01 mm。

在試驗過程中，每組貫入前應檢查測釘磨損情況，當測釘能通過量規(guī)槽時，應更換測釘。測釘射入骨料、蜂窩和孔隙時，應按照測點選取要求，改變測點位置重新測量貫入深度。

1.3.4 噴射混凝土抗壓強度試驗

測量貫入深度的同時，根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試該齡期同組試塊的立方體抗壓強度實測值，最終得到一組抗壓強度和測試深度的對應數(shù)據(jù)。由于24 h齡期之前強度較低，為保證試驗結(jié)果準確性，采用最大量程300 kN的壓力試驗機。

2 試驗結(jié)果與分析

本研究結(jié)合不同早齡期的試驗結(jié)果，建立不少于3種以混凝土抗壓強度為因變量（y，單位為MPa，下同）、貫入深度（x，單位為mm，下同）為自變量的專用函數(shù)曲線，對比分析各函數(shù)曲線擬合相關(guān)系數(shù)、抗壓強度計算值與實測值偏差值（以下簡稱偏差值），最終確定適用于采用貫入法測試噴射混凝土早齡期抗壓強度的通用函數(shù)曲線類型。強度專用曲線擬合函數(shù)確定原則如下：

（1）曲線擬合相關(guān)系數(shù)不小于0.990；

（2）參考TB 10426—2019相關(guān)規(guī)定，偏差值不超過基準偏差值（以下簡稱基準值）±12%。

試驗貫入深度代表值與抗壓強度實測值見表12，1#～16#為24 h齡期測試結(jié)果，17#～30#為24～336 h齡期測試結(jié)果。

表12 貫入深度與抗壓強度試驗結(jié)果

2.1 貫入深度代表值與抗壓強度實測值整體分析

貫入深度代表值與抗壓強度實測值整體分析是對3～336 h齡期貫入深度代表值與抗壓強度實測值的擬合回歸分析，擬合函數(shù)包括弗羅因德利希函數(shù)、漸近線函數(shù)和倒數(shù)函數(shù)，擬合情況分別見表13和圖2。

表13 擬合函數(shù)回歸分析情況

由表13和圖2可知，擬合回歸相關(guān)系數(shù)由大到小排列的函數(shù)為弗羅因德利希函數(shù)、倒數(shù)函數(shù)、漸近線函數(shù)，其弗羅因德利希函數(shù)、倒數(shù)函數(shù)回歸系數(shù)均大于0.990，與實測強度曲線符合程度較高。擬合函數(shù)抗壓強度計算值與實測值偏差見表14。

由表14可知，弗羅因德利希函數(shù)、漸近線函數(shù)、倒數(shù)函數(shù)擬合曲線偏差值超出基準值±12%的比例分別為27%、33%和47%，具體情況如下：

（1）弗羅因德利希函數(shù)擬合曲線偏差值超過基準值±12%的有8個，均在1#～9#之間，9#后偏差值均未超過基準值±12%，后期貫入深度與混凝土抗壓強度曲線擬合符合程度相對較高。

（2）漸近線函數(shù)擬合曲線偏差值超過基準值±12%的有10個，其中有8個在1#～9#之間，2個在9#之后。

（3）倒數(shù)函數(shù)擬合曲線偏差值超過基準值±12%的有14個，其中有13個在1#～15#之間，1個在15#之后。

綜合上述試驗結(jié)果可知，弗羅因德利希函數(shù)、漸近線函數(shù)、倒數(shù)函數(shù)盡管擬合回歸相關(guān)系數(shù)較高，但貫入深度與早期混凝土抗壓強度存在一定的偏差，特別是7.0 MPa以下的偏差值與基準值的偏差較大。隨著混凝土抗壓強度提高，各個函數(shù)偏差值均趨于減小，其中弗羅因德利希均函數(shù)偏差值未超過基準值，擬合回歸符合程度相對較高。由此可知，將所得試驗結(jié)果分段進行擬合回歸分析則更為科學、合理。1#～15#存在偏差大情況，分段分析應考慮偏差程度較大的劃歸一組。鑒于分段之間存在計算值連續(xù)性問題，因此將試驗編號1#～16#、13#～30#劃分為2組，即以24 h齡期為界線分段。

2.2 貫入深度代表值與抗壓強度實測值分段分析

2.2.1 24 h齡期之前試驗結(jié)果分段分析

24 h齡期之前貫入深度代表值與抗壓強度實測值分段為3～24 h齡期的擬合回歸分析，擬合函數(shù)包括指數(shù)函數(shù)、三次函數(shù)、冪函數(shù)和線性函數(shù)，其中線性函數(shù)為TB 10426—2019規(guī)定24 h齡期擬合函數(shù)，擬合情況分別見表15、表16和圖3。

表15 擬合函數(shù)回歸分析情況

由表16和圖3可知，擬合回歸相關(guān)系數(shù)由大到小排列的函數(shù)為三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、冪函數(shù)，其中三次函數(shù)回歸相關(guān)系數(shù)為0.990，與實測強度曲線符合程度較高；三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、冪函數(shù)擬合曲線偏差值超出基準值±12%的比例分別為0、0、38%、25%。綜合可知，三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)擬合回歸相關(guān)系數(shù)較高，偏差值均未超出基準值±12%，且除1#～5#偏差值稍有出入，其他偏差值基本相同，因此三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)擬合回歸與24 h齡期之前的貫入深度代表值與抗壓強度實測值曲線符合程度較高。

表16 擬合函數(shù)抗壓強度計算值與實測值的偏差值

圖3 擬合函數(shù)回歸曲線

2.2.2 24 h齡期之后試驗結(jié)果分段分析

為保證分析具有連續(xù)性和完整性，分段分析采用相同的擬合函數(shù)，即24～336 h貫入深度代表值與抗壓強度實測值擬合回歸曲線函數(shù)分別為指數(shù)函數(shù)、三次函數(shù)和冪函數(shù)，擬合函數(shù)方程式與表15相同，擬合情況分別見表17、表18和圖4。

表17 擬合函數(shù)回歸分析情況

由表18和圖4可知，擬合回歸相關(guān)系數(shù)由大到小排列依次為三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)，且相關(guān)系數(shù)均大于0.990，與實測強度曲線符合程度較高；三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)擬合曲線偏差值超出基準值±12%的比例均為0。綜合可知，三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)]冪函數(shù)擬合回歸相關(guān)系數(shù)較高，偏差值均未超出基準值，其他偏差值基本相同，因此三次函數(shù)、冪函數(shù)擬合回歸與24～336 h齡期的貫入深度代表值與抗壓強度實測值曲線符合程度較高。

圖4 擬合函數(shù)回歸曲線

表18 擬合函數(shù)抗壓強度計算值與實測值的偏差值

結(jié)合分段函數(shù)試驗結(jié)果，三次函數(shù)擬合回歸情況較其他函數(shù)符合程度較高，且偏差值均未超過基準值。同時在兩段分析中可以看出，三次函數(shù)在14#時，計算值均為8.4 MPa，因此可以此計算值為兩段界線值，大約是24 h齡期噴射混凝土抗壓強度的實測值。為保證三次函數(shù)在分段擬合回歸連續(xù)性和完整性，混凝土抗壓強度值y與貫入深度x專用曲線函數(shù)可表示如下：

3 結(jié)論

（1）為保證噴射混凝土早齡期抗壓強度測試科學性和準確性，專用測強曲線應優(yōu)先采用分段擬合，若以24 h齡期作為專用測強曲線分段劃分臨界點，可提高專用曲線計算強度的連續(xù)性和完整性。

（2）與TB 10426—2019規(guī)定24 h齡期線性擬合函數(shù)相比，三次函數(shù)擬合專用測強曲線相關(guān)系數(shù)均不小于0.990，且偏差值均不大于12%，符合程度相對較高，24～336 h與24 h齡期三次函數(shù)專用測強曲線擬合情況相同，因此，建立測強專用曲線宜優(yōu)先采用三次函數(shù)擬合回歸分析。

（3）本研究是基于普通噴射混凝土，摻加纖維的混凝土力學破壞形式存在延性破壞，與普通噴射混凝土脆性破壞有一定區(qū)別，因此噴射纖維混凝土測強專用曲線擬合函數(shù)應另行確定。