高玉軍， 鄧翀， 秦明強， 劉曠怡， 唐凱

（1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040； 2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040； 3.中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北 麻城 438300）

川藏鐵路雅安至林芝段新建隧道共計72座，總長838 km，隧線比高達83.0%，隧道占比大，特長隧道及隧道群密集［1］.其中，全線隧道軌面高程在3 000 m及以上的隧道共計46座，總長636 km，占隧道總長的75.6%，高海拔隧道的占比較大［2］.隧道建設將會面臨大量的深大活動斷裂帶［3-4］、高地應力（巖爆、軟巖大變形）［5-6］、高頻高烈度地震帶［7-8］、高地溫［9-10］和高原高寒［11-12］等不良地質及復雜惡劣的環(huán)境問題.對此，中國鐵路隧道設計者們提出了一種高性能支護體系，相比于傳統支護體系，該體系與圍巖變形的協調性好，安全性、韌性和耐久性也比較高［13-14］.然而，該體系對噴射混凝土早期強度的要求很高，依據川藏鐵路隧道工程設計標準的規(guī)定，C30早高強噴射混凝土的8、24 h抗壓強度應不低于10、15 MPa［15］，這遠高于傳統C30噴射混凝土對早期強度的要求（24 h抗壓強度不低于10 MPa）［16］.因此，研究C30早高強噴射混凝土的配制及應用關鍵技術對于快速提升隧道支護剛度、增強圍巖穩(wěn)定性、提高施工工效和保證施工安全具有重要的意義.

近年來，關于噴射混凝土小時強度的研究鮮有報道.王子明等［17］將無堿液體速凝劑與促凝早強劑進行復摻，其6、8、24 h抗壓強度最高分別可達3.8、6.3、14.0 MPa；張興德等［18］將HB7-2W型納米材料應用在噴射混凝土中，其12、24 h抗壓強度分別可達5.7、10.5 MPa；趙爽等［19］使用蘇博特產SBT@-HDC（Ⅱ）噴射混凝土納米摻合料配制鄭萬高鐵巫山隧道C25噴射混凝土，其3、12、24 h抗壓強度分別達到3.5、8.4、15.3 MPa；李子強［20］在C25噴射混凝土中摻入適量的早強劑三乙醇胺和硫酸鐵并采用硅灰部分替代水泥，其4、8、12、24 h抗壓強度分別可達0.82、2.31、4.70、11.93 MPa；李冬等［21］將長度30.0 mm、直徑0.5 mm的端鉤型鋼纖維摻入到噴射混凝土中，研究了不同鋼纖維摻量下混凝土的彎曲性能，在0、20、40、60 kg/m3鋼纖維摻量下其10 h抗壓強度分別為4.0、5.1、5.1、3.8 MPa.然而，這些研究結果與C30早高強噴射混凝土8、24 h抗壓強度的設計要求還相差甚遠.

從早強機理看，無堿速凝劑主要通過迅速促進水泥水化，生成大量的鈣礬石，加速混凝土凝結來提高其早期強度，但過量鈣礬石會延緩硅酸三鈣（C3S）的水化，不利于強度的增長［22-24］.納米水化硅酸鈣（C-S-H）能在水泥水化初期提供成核位點，降低成核勢能，加速水泥水化，尤其是C3S的水化，促進早期強度的增長，且能保證后期強度不倒縮［25-27］.

因此，本文利用自制納米早強劑中C-S-H納米微晶的晶核早強作用和無堿速凝劑的促凝增強作用，研究了納米早強劑對水泥漿體流動性和水化程度的影響，并通過水泥和洞渣自產砂石料的特性分析、配合比的設計與試驗，研究了納米早強劑、無堿速凝劑、混凝土拌和物溫度（拌和物溫度指的是添加無堿速凝劑前混凝土拌和物的溫度，主要通過提前將試驗原材料置于特定環(huán)境溫度下并在拌和前進行溫度測試，確保拌和物溫度在試驗研究范圍內）與養(yǎng)護溫度對噴射混凝土性能的影響，配制出了工作性良好、不同齡期抗壓強度均符合設計要求的C30早高強噴射混凝土，且經現場工藝試驗驗證，其8、24 h抗壓強度也均達到了設計要求，回彈率低，能滿足施工要求.

1 原材料

1.1 水泥

水泥為華新（迪慶）有限公司產P·O 42.5水泥，其主要特性見表1.

表1 水泥的主要特性Table 1 Main characteristics of cement

1.2 集料

粗集料為川藏鐵路某標段利用洞渣自產的5～10 mm連續(xù)級配碎石；細集料為洞渣自產的細度模數為2.6的Ⅱ區(qū)中砂.集料的主要特性分別見表2、3.

表2 粗集料的主要特性Table 2 Main characteristics of coarse aggregate

表3 細集料的主要特性Table 3 Main characteristics of fine aggregate

1.3 功能材料

減水劑為武漢產CP-J緩凝型聚羧酸高性能減水劑，固含量（質量分數，文中涉及的含量、減水率、水膠比等除特別說明外均為質量分數或質量比）20.8%，減水率27.4%；自制納米早強劑為一種C-S-H納米微晶與有機聚合物雜化的白色懸浮液，固含量19.2%，平均粒徑97.3 nm，鈣硅比1.48，其中有機聚合物占納米早強劑總質量的1.1%；速凝劑為山西產早強型的液體無堿速凝劑，固含量51.9%.

2 試驗

2.1 水化程度測試

將制備好的水泥漿體倒入試模，振實、抹面成型后用保鮮膜密封，放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護8、24 h后敲成小碎塊并用無水乙醇浸泡24 h，然后放入真空干燥箱45 ℃烘干直至恒重，取部分小碎塊用瑪瑙研體磨細并過80 μm篩備用.

將坩堝和粉末樣品放入105 ℃的真空干燥箱中烘干至恒重，然后稱取1.000 0 g粉末樣品（每個樣品稱取3份）裝入坩堝后置于高溫爐中以10 ℃/min的速率升溫至1 050 ℃并恒溫6 h，最后將坩堝取出置于干燥皿中冷卻至常溫，稱重并取其平均值.

水化樣的燒失量（W1）和化學結合水的生成量（Q）按式（1）、（2）計算.

式中：m0為燒前樣品的質量，g；m1為燒后樣品的質量，g；W0為未水化試樣的燒失量，%.

水化程度（α）按式（3）計算.其中：0.24為每克硅酸鹽完全水化所需水的含量.

2.2 其他性能測試

水泥凈漿流動度測試參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》；噴射混凝土拌和物坍落擴展度測試參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》；回彈率測試參照JGJ/T 372—2016《噴射混凝土應用技術規(guī)程》中的附錄G；噴射混凝土抗壓強度試件的制作采用噴大板切割法，具體參照TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》中的附錄J，所制作的抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm；抗壓強度測試參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，尺寸換算系數為0.95.

3 摻有納米早強劑的水泥漿體流動性研究

試驗在水膠比為0.37且納米早強劑摻量為水泥總質量的0%～15%時，通過調節(jié)減水劑摻量來控制水泥漿體的初始流動度保持在（200±20） mm，并分別測試其1 h流動度，結果如圖1所示.由圖1可以看出，當納米早強劑摻量從0%增至15%時，減水劑摻量降低了87.5%，水泥漿體的1 h流動度經時損失也逐漸減小，且當納米早強劑摻量達到10%及以上時，水泥漿體的1 h流動度會略高于初始流動度.由此可知，納米早強劑的摻入不僅改善了水泥漿體的初始流動性，而且對其流動性的保持也有一定程度的提高.這主要是因為納米早強劑中吸附于C-S-H納米微晶表面的羧酸共聚物與減水劑具有類似的分子結構，對水泥顆粒也具有一定的分散作用，能在水泥水化過程中不斷從微晶表面脫吸附而游離于水泥漿體中，補充水泥水化對減水劑分子的消耗，進而保持對水泥顆粒的持續(xù)分散，使水泥漿體保持良好的流動性.

圖1 納米早強劑摻量與水泥凈漿流動性的關系Fig.1 Relationship between nano early-strength agent amount and cement paste fluidity

4 納米早強劑摻量對水化程度的影響

圖2為納米早強劑摻量與水泥凈漿水化程度的關系.由圖2可以看出：

圖2 納米早強劑摻量與水泥凈漿水化程度的關系Fig.2 Relationship between nano early-strength agent amount and hydration degree of cement paste

（1）隨著納米早強劑摻量的增加，水泥凈漿8、24 h齡期的水化程度逐漸提高；對于8 h齡期的水泥凈漿，當納米早強劑摻量從0%增至5%時，其水化程度的增幅最大，為284.1%；當納米早強劑摻量從5%增至15%時，其水化程度的增幅僅為40.6%.

（2）對于24 h齡期的水泥凈漿，其水化程度的增長較為平緩.當納米早強劑摻量從0%增至15%時，其水化程度的增幅為79.2%，說明納米早強劑的摻入對水泥早期特別是8 h齡期水化程度的提升作用顯著.

這主要是因為C-S-H納米微晶的加入提供了大量的成核位點，降低了水泥水化產物C-S-H凝膠的成核勢壘，加速了水化產物的形成，水化程度增加.此外，隨著齡期的增長，在相同的納米早強劑摻量下，水泥凈漿24 h齡期的水化程度較8 h齡期的增長幅度在50.2%～152.6%之間，且在納米早強劑摻量較低時增長幅度較高.這也說明納米早強劑的促水化作用主要發(fā)生在水泥水化初期，對后期水化程度的提升相對較弱.因此，為充分發(fā)揮納米早強劑在C30早高強噴射混凝土中的促水化作用，最大幅度地提升其8 h抗壓強度，納米早強劑摻量宜為5%及以上.

5 C30早高強噴射混凝土的配合比設計

根據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》、JGJ/T 372—2016和TB 10417—2018《鐵路隧道工程施工質量驗收標準》，經理論計算與試驗研究，選取如表4所示P1～P5系列C30早高強噴射混凝土配合比作為試驗研究對象.其中，根據上文中納米早強劑和減水劑摻量對水泥漿體流動性的協同影響規(guī)律以及納米早強劑摻量與水泥凈漿水化程度的關系，選取納米早強劑摻量分別為0%、5%、8%、10%、12%和15%，同時控制混凝土拌和物的坍落擴展度在（550±20） mm，對應的減水劑摻量分別為1.20%、0.93%、0.74%、0.68%、0.61%和0.40%.

6 C30早高強噴射混凝土的性能研究

6.1 混凝土的工作性能研究

圖3為納米早強劑摻量與混凝土坍落擴展度的關系.由圖3可以看出：

圖3 納米早強劑摻量與混凝土坍落擴展度的關系Fig.3 Relationship between nano early-strength agent amount and concrete slump expansion

（1）隨著納米早強劑摻量的增加，為使得混凝土拌和物的坍落擴展度保持在（550±20） mm之間，所需減水劑的摻量逐漸降低.與此同時，混凝土拌和物的1 h坍落擴展度損失也隨著納米早強劑摻量的增加而逐漸減小.

（2）與未摻加納米早強劑的混凝土相比，當納米早強劑的摻量達到15%以后，混凝土拌和物的1 h坍落擴展度損失從30～40 mm降至0～10 mm，說明納米早強劑的摻入有利于混凝土拌和物工作性能的保持.這主要是因為納米早強劑中吸附于C-S-H納米微晶表面的羧酸共聚物與減水劑具有類似的分子結構，對水泥顆粒也具有一定的分散作用，能在水泥水化過程中不斷從微晶表面脫吸附而游離于混凝土拌和物中，然后逐步補充水化作用對減水劑分子的消耗，進而保持對水泥顆粒的持續(xù)分散，保證混凝土拌和物具有良好的流動保持性.

6.2 納米早強劑摻量對混凝土性能的影響

試驗控制混凝土拌和物溫度為20～25 ℃、養(yǎng)護溫度為20～25 ℃，無堿速凝劑摻量取10%，研究了納米早強劑摻量對混凝土抗壓強度的影響，結果如圖4所示.由圖4可以看出：

圖4 納米早強劑摻量對混凝土抗壓強度的影響Fig.4 Effects of nano early-strength agent amounts on compressive strength of concretes

（1）隨著納米早強劑摻量的增加，P1～P5系列混凝土不同齡期的抗壓強度均逐步增加.對于8 h齡期的混凝土，當納米早強劑摻量從0%增至5%，P1～P5系列混凝土抗壓強度的增幅均最大，分別為84.2%、88.1%、91.1%、95.7%和102.0%，這與納米早強劑提升8 h水泥水化程度的變化規(guī)律一致.

（2）將納米早強劑摻量15%與5%時的結果相比，P1～P5系列混凝土8 h抗壓強度的增幅相對較低，分別為64.3%、53.2%、54.7%、46.7%和34.0%.此外，對于P1～P5系列混凝土，為達到8 h抗壓強度不低于10 MPa的設計要求，所需納米早強劑的摻量分別為12%、10%、8%、8%和5%及以上.這主要是因為當水泥用量較低時，為達到相同的強度，需要摻加更多納米早強劑來為水泥的早期水化提供成核位點，促進更多水化產物的形成.當水泥用量較高時，水泥自身早期水化產物的含量較高，較低摻量的納米早強劑即可以促進同等數量水化產物的形成，從而保證達到相同的強度要求.

（3）將納米早強劑摻量15%與5%時的結果相比，P1～P5系列混凝土24 h抗壓強度的增幅也逐漸降低，分別為28.5%、26.4%、23.0%、19.6%和18.7%，但各配合比混凝土的24 h抗壓強度均能達到15 MPa以上.P1～P5系列混凝土28 d抗壓強度的增幅分別僅有5.0%、5.0%、5.6%、4.6%和5.9%，說明納米早強劑對混凝土的后期強度影響不大.

6.3 無堿速凝劑摻量對混凝土性能的影響

試驗控制混凝土拌和物溫度為20～25 ℃、養(yǎng)護溫度為20～25 ℃，納米早強劑摻量取10%，研究了無堿速凝劑摻量對混凝土抗壓強度的影響，結果如圖5所示.由圖5可以看出：混凝土各齡期的抗壓強度均隨著無堿速凝劑摻量的增加先增加后降低；當無堿速凝劑摻量從6%增加到10%時，P1～P5系列混凝土8 h抗壓強度的增幅分別為30.5%、30.6%、21.6%、19.8%和19.1%，24 h抗壓強度的增幅分別為18.4%、17.6%、16.2%、15.3%和17.7%，28 d抗壓強度的增幅分別為6.3%、5.8%、6.7%、5.8%和5.4%.說明在此范圍內無堿速凝劑摻量的增加對P1、P2系列混凝土的8 h抗壓強度的提升作用最大，而對P3～P5系列混凝土的8 h抗壓強度的提升效果基本相當，且對P1～P5系列混凝土的24 h和28 d抗壓強度的促增長作用也基本相同.

圖5 無堿速凝劑摻量對混凝土抗壓強度的影響Fig.5 Effects of alkali-free quick-setting agent amounts on compressive strength of concretes

這主要是因為無堿速凝劑能短時間加速水泥水化，生成大量的鈣礬石，加速了混凝土的凝結.適量的鈣礬石在混凝土基體中起著骨架作用，能大大提高其早期強度.對于水泥用量較低的P1和P2系列混凝土，6%摻量的無堿速凝劑促使水泥水化生成的鈣礬石數量較少，強度較低；當無堿速凝劑摻量達到10%后，鈣礬石的數量增多，混凝土的強度出現大幅增長.對于水泥用量較高的P3～P5系列混凝土，無堿速凝劑摻量的變化對生成鈣礬石數量的影響不大，因而其8 h抗壓強度的增幅也基本無差異.由于無堿速凝劑對水泥水化的促進作用主要在早期，因此其摻量的變化對P1～P5系列混凝土24 h和28 d抗壓強度的影響不大.此外，當無堿速凝劑的摻量超過10%后，生成鈣礬石的數量過多，基體密實度降低，同時也抑制了C3S的水化，P1～P5系列混凝土各齡期的抗壓強度降低.因此，無堿速凝劑的摻量宜為10%.

6.4 拌和物溫度對混凝土性能的影響

試驗取納米早強劑摻量為10%、無堿速凝劑摻量為10%并控制養(yǎng)護溫度為20～25 ℃，研究了拌和物溫度對混凝土抗壓強度的影響，結果如圖6所示.由圖6可以看出：

（1）隨著拌和物溫度的提升，與10～15 ℃條件下相比，P1～P5系列混凝土25～30 ℃條件下8 h抗壓強度的增幅分別為18.6%、16.7%、21.3%、21.1%和17.8%，24 h抗壓強度的增幅分別為10.6%、10.4%、14.1%、11.1%和7.1%，28 d抗壓強度的增幅分別為4.9%、4.6%、6.0%、4.6%和3.7%，說明拌和物溫度對P1～P5系列混凝土抗壓強度增長的影響不大.這主要是因為納米早強劑的誘導結晶作用和無堿速凝劑的促凝作用大大加速了混凝土的早期水化，產生了大量的水化熱，在一定程度提升了混凝土自身的溫度，可以保證混凝土強度的增長.

（2）對于P1系列混凝土，當拌和物溫度在10～15 ℃時，其8 h抗壓強度未達到10 MPa，且15～20 ℃時的8 h抗壓強度也僅有10.3 MPa，富余系數較低，僅有3.0%.同樣，對于P2系列混凝土，當拌和物溫度在10～15 ℃和15～20 ℃時，其8 h抗壓強度也僅有10.2、10.5 MPa，且P3系列混凝土在10～15 ℃時的8 h抗壓強度為10.8 MPa，富余系數均未超過10%.因此，考慮到8 h抗壓強度的富余，對于P1～P5系列混凝土，其拌和物溫度分別宜控制在25、20、15、10、10 ℃以上.

6.5 養(yǎng)護溫度對混凝土性能的影響

試驗取納米早強劑摻量為10%、無堿速凝劑摻量為10%并控制拌和物溫度為20～25 ℃，研究了養(yǎng)護溫度對混凝土抗壓強度的影響，結果如圖7所示.由圖7可以看出：

（1）P1～P5系列混凝土的抗壓強度隨著養(yǎng)護溫度的提高逐漸增加，與10～15 ℃條件下相比，其25～30 ℃條件下8 h抗壓強度的增幅分別為23.4%、24.0%、28.4%、29.9%和24.8%，24 h抗壓強度的增幅分別為18.0%、18.2%、16.7%、15.8%和13.0%，28 d抗壓強度的增幅分別為19.0%、16.9%、16.4%、14.6%和12.5%，說明養(yǎng)護溫度的增加對P1～P5系列混凝土各齡期的抗壓強度均有一定程度的提升作用.這主要是因為隨著養(yǎng)護溫度的提高，水泥的水化程度增加，更多的水化產物填充并膠結于混凝土基體中，使得基體更加密實，混凝土的抗壓強度增加.

（2）當養(yǎng)護溫度為10～15 ℃時，僅有P5系列混凝土的8 h抗壓強度的富余系數較高，超過10%，P1和P2系列混凝土均未達到10 MPa，P3和P4系列混凝土的強度富余系數較低，僅有2%和7%.因此，對于P1～P5系列混凝土，其養(yǎng)護溫度分別宜控制在25、20、20、15、10 ℃以上.

綜上，對于不同配合比的C30早高強噴射混凝土，為使其8、24 h抗壓強度分別能達到10、15 MPa以上，并考慮一定的富余系數，應依據工程應用過程中隧道內各里程段的圍巖等級、掌子面實際狀況、支護情況和洞內溫度變化等來選用對應的配合比和納米早強劑、無堿速凝劑摻量，且應合理控制拌和物溫度.

7 工程應用

工藝試驗段位于川藏鐵路某隧道工程的交通洞，C30早高強噴射混凝土設計方量為63 m3，洞內環(huán)境溫度實測為13 ℃，試驗采用配合比P3作為生產配合比，納米早強劑摻量取10%，無堿液體速凝劑摻量取10%，控制拌和物溫度在20～25 ℃.現場混凝土狀態(tài)、噴射過程以及大板成型、切割和抗壓試件強度測試如圖8所示.經檢驗，此次試驗C30早高強噴射混凝土的8 h抗壓強度為10.7 MPa，24 h為19.1 MPa，回彈率為9.4%.

圖8 工藝試驗與強度檢驗Fig.8 Process test and strength inspection

8 結論

（1）納米早強劑不僅可以降低減水劑的摻量，提高水泥凈漿的工作性，對水泥早齡期特別是8 h的水化程度也有顯著的提高，在C30早高強噴射混凝土配合比設計時其摻量宜在5%以上.

（2）對于不同水泥用量的配合比，通過試驗優(yōu)化納米早強劑和無堿速凝劑的摻量，并控制拌和物溫度與養(yǎng)護溫度，均能配制出流動性好、坍落擴展度經時損失小，工作性能和力學性能均滿足設計及施工要求的C30早高強噴射混凝土.

（3）對于水泥用量為460～500 kg/m3的配合比，為達到其8 h抗壓強度不低于10 MPa的強度設計要求，所需納米早強劑的摻量分別應達12%、10%、8%、8%和5%及以上，無堿速凝劑摻量宜為10%及以上，拌和物溫度宜分別對應控制在25、20、15、10、10 ℃及以上，養(yǎng)護溫度宜分別對應控制在25、20、20、15、10 ℃及以上.在此條件下，其24 h抗壓強度均能達到15 MPa以上，且28 d抗壓強度也符合設計要求.

（4）相比較低水泥用量的混凝土配合比，為達到8 h抗壓強度不低于10 MPa的強度設計要求，較高水泥用量的配合比對納米早強劑摻量的需求較低且對拌和物溫度與養(yǎng)護溫度要求也較低.

（5）不同因素對同一配合比混凝土不同齡期抗壓強度的影響程度不同，從高到低依次為納米早強劑摻量、無堿速凝劑摻量、養(yǎng)護溫度與拌和物溫度，但拌合物溫度和養(yǎng)護溫度最低均不能低于10 ℃.

（6）采用水泥用量480 kg/m3的配合比配制的C30早高強噴射混凝土，不僅各項性能指標符合設計及施工要求，而且回彈率低.