早高強噴射混凝土配合比設計及性能研究

文/張立波 中鐵隧道局集團有限公司工程試驗分公司 廣東廣州 511458

1、概述

噴射混凝土是隧道開挖初期支護的重要組成部分，在初期支護中起著重要的作用。噴射混凝土施工速度快，與圍巖密貼，柔性好，有良好的物理力學性能。[1]目前對噴射混凝土早期強度的研究一般局限于噴射混凝土1～3d齡期強度的發展，而很少有人對噴射混凝土24h以內甚至12h內強度發展展開研究，相關標準規范對噴射混凝土早期強度的做出要求的最短時間是24h，

對于噴射混凝土24h以內齡期的抗壓強度，并沒標準規范有做出規定。

巖爆是一種應變能釋放引發巖體發生破壞的一種地質災害。多發生在埋藏深、整體、干燥和地質堅硬的巖層中。在隧道開挖時圍巖形成新的臨空面，初始應力由原來的三向應力狀態變為兩向應力狀態，并在開挖壁面上局部應力集中，若局部應力達到某一臨界應力時，巖爆就會發生[2]。隧道開挖過程中巖爆的發生不僅嚴重影響了施工進度，加大了施工成本，還帶來了巨大的安全風險。普通的噴射混凝土早期強度增長較慢，不能很好的起到及時封閉圍巖并提供足夠的支撐力的作用，因此研制一種早期強度高的噴射混凝土很有必要。

2、早高強噴射混凝土用原材料的選定

噴射混凝土由砂、石、水泥、水、纖維、外加劑等材料拌合而成，其早強、高強的特性與原材料的性能存在直接、密切的聯系。本研究選用硫鋁酸鹽水泥代替常用的通用硅酸鹽水泥，并摻加適量的鋼纖維。

（1）水泥：與普通的噴射混凝土不同，配制的早高強噴射混凝土選用42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥，水泥的性能符合《硫鋁酸鹽水泥》GB 20472-2006的規定，凝結時間指標按規范規定可以要求水泥廠家根據工程施工需求做出調整；對比試驗用水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥各項指標符合《通用硅酸鹽水泥》GB 175-2007的規定。

（2）細骨料：細骨料應選用級配合理、質地堅固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然中粗河砂，也可選用專門機組生產的人工砂。細度模數應大于2.5，河砂含泥量不大于3%。本研究所采用的細骨料為專門機組生產的機制砂，母材為花崗巖。

（3）粗骨料：粗骨料應選用級配合理、粒形良好、質地堅固的潔凈碎石，最大粒徑不宜大于16mm，含泥量不應大于1%。本研究所用粗骨料為專門機組生產的5mm～10mm碎石，母材為花崗巖。

（4）鋼纖維：鋼纖維宜采用普通碳素鋼制成，常用鋼纖維的彈性模量為200GPa，抗拉強度為380～1300MPa，極限延伸率3%～30%。本研究采用西安萬達工程材料有限公司生產的波浪型鋼纖維。

（5）外加劑：外加劑應選用質量穩定的產品，外加劑與水泥之間應具有良好的相容性。當不同功能的外加劑復合使用時，外加劑之間以及外加劑與水泥之間應有良好的適應性。減水劑采用山西桑穆斯建材化工有限公司生產的SMS聚羧酸鹽高性能減水劑，速凝劑采用山西桑穆斯建材化工有限公司生產的RC-4型液體速凝劑。

3、早高強度噴射混凝土配合比設計

3.1 鋼纖維最佳摻量的確定

混凝土中鋼纖維的體積率一般在0.5%～1.5之間，體積率過小，其增強作用較差。鋼纖維體積率過大時，易造成鋼纖維結團、混凝土施工困難，質量難以保證。經過室內試拌觀察，當每方混凝土鋼纖維體積率為0.7%，即每方混凝土鋼纖維摻量為55kg時，混凝土拌和物工作性能較好，鋼纖維不易結團，有利于噴射混凝土施工。

3.2 配合比設計方案

早高強噴射混凝土的配合比設計與普通噴射混凝土的步驟一致，應符合《普通混凝土配合比設計方法》（JGJ55），本試驗選定噴射混凝土的強度等級為C30。為研究硫鋁酸鹽水泥及鋼纖維在早高強噴射混凝土力學性能中發揮的作用，本次試驗設計了三組配合比，材料用量見表1。其中，早高強噴射混凝土配合比編號為A-1；普通硅酸鹽水泥配制的鋼纖維噴射混凝土是在配合比A-1原材料用量不變的情況下用同標號的硅酸鹽水泥（P.O 42.5）取代硫鋁酸鹽水泥，配合比編號為A-2；硫鋁酸鹽水泥配制的素噴射混凝土是在配合比A-1基礎上，去掉了鋼纖維，編號為A-3?？紤]到鋼纖維的摻入及不同水泥與減水劑的相容性不一樣，導致不同配合比方案混凝土的流動性有偏差，本研究通過調整減水劑摻量來調整混凝土的坍落度。

表1 不同配合比方案單方材料用量表

4、早高強噴射混凝土力學性能研究

4.1 抗壓性能

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）進行試驗，試件尺寸為150mm×l50mm×150mm，根據混凝土強度的增長情況分別采用WE-300B型YE-2000C型液壓式壓力試驗機進行試驗，當試件接近破壞而開始迅速變形時，停止調整試驗機油門，直至試件破壞。三組噴射混凝土立方體各齡期抗壓強度結果見表2。

表2 噴射混凝土立方體抗壓試驗結果

試驗結果分析：

（1）普通硅酸鹽水泥配制的噴射混凝土早期抗壓強度相對較低，特別是10h齡期內，抗壓強度不及硫鋁酸鹽水泥配制噴射混凝土抗壓強度的20%。

（2)硫鋁酸鹽水泥配制的噴射混凝土早期強度增長快，10h強度可以達到28d抗壓強度的50%，能及時為圍巖提供支撐，從而抑制巖爆的發生。

（3）鋼纖維的摻入對噴射混凝土抗壓強度的提高沒有明顯的作用，但增大了混凝土壓縮破壞時的延性，混凝土試件在破壞過程中沒有出現崩碎和強度突然降低，而是在達到峰值后強度逐漸降低，使混凝上表現出延性破壞的性質。摻加鋼纖維的噴射混凝土試件破壞后，完整性比素混凝土好。

4.2 抗劈拉性能

通過對比摻加鋼纖維的早高強度噴射混凝土（配合比方案A-1）與不摻鋼纖維的素噴射混凝土（配合比方案A-3）的抗劈拉強度，分析鋼纖維對噴射混凝土抗拉性能方面發揮的作用。經試驗兩個配合比方案混凝土立方體劈裂抗拉強度結果。

試驗結果分析：

（1）摻加鋼纖維可以明顯提高噴射混凝土的抗劈拉強度，提高幅度在21%～26%，可以較好的改善噴射混凝土的抗拉性能。

（2）不摻鋼纖維混凝土試件劈拉崩裂時，應力迅速下降，繼續加力會使試件劈開為兩半。摻加鋼纖維的混凝土試件，應力下降的速率較慢，試驗完成后試件的完整性較好。這說明鋼纖維混凝土破壞開裂時，由于鋼纖維的“橋聯”作用，仍能承受一部分應力，使得混凝土的脆性降低，韌性增加。

（3）鋼纖維的摻入能提高噴射混凝土的拉壓比，有效改善噴射混凝土的脆性，提高噴射混凝土的韌性，進而提高其抗沖擊與抗疲勞等性能。

結論：

通過使用硫鋁酸鹽水泥代替常用的通用硅酸鹽水泥并摻加鋼纖維設計出早期強度高的C30早高強噴射混凝土，分析了影響早高強噴射混凝土抗壓性能及抗拉性能的因素，并進行了現場應用驗證，得出主要結論如下：

（1）硫鋁酸鹽水泥水化速度快，早期強度高，可以大幅度提高噴射混凝土的早期抗壓強度。

（2）摻入鋼纖維可以提高噴射混凝土的抗拉性能，提高混凝土的韌性，降低其脆性。

（3）早高強噴射混凝土早期強度高，可以達到3h抗壓強度達到5MPa，5h抗壓強度達到8MPa，10h抗壓強度達到15MPa的設計目標，其早期強度的發展速度遠遠超過普通的噴射混凝土。

（4）早高強噴射混凝土由于具有較高的早期抗壓強度及抗劈裂強度，在抑制隧道輕中度巖爆方面可以發揮明顯的作用。

[1]陳宇.隧道高強噴射混凝土試驗研究.山西建筑.20138(33):139-141

[2]官曉琳.淺析隧道施工過程中巖爆現象的產生原因及治理措施.成鐵科技.2015，4:21-22