隧道襯砌拱頂帶模微膨脹注漿材料配比試驗研究

荊珂

中鐵西南科學研究院有限公司 四川 成都 611730

引言

隧道襯砌拱頂帶模微膨脹注漿材料由普通硅酸鹽水泥、超細摻和料、聚羧酸減水劑、微膨脹劑、硅砂等為主要成分，經均勻復合而成的，具有微膨脹性能，良好的流動性和泵送性，與襯砌混凝土具有良好的結合性能，通過高壓注漿泵注入到隧道襯砌與防水板間的脫空區的一種注漿材料[1]。通過對襯砌臺車進行改造，在襯砌臺車模板中心線位置沿臺車縱向方向設置一定數量的注漿孔，并安裝注漿用固定法蘭，在澆筑混凝土前預埋活性粉末混凝土（RPC）注漿管，混凝土澆筑結束后及時從預埋注漿管處注入微膨脹注漿料。該施工工藝在襯砌背后進行充填壓漿，不僅可以充填由于混凝土澆筑不飽滿形成的空腔，使初期支護和二次襯砌密貼共同受力，而且可以填塞由于混凝土不密實或開裂形成的縫隙，封堵地下水而起到防水作用[2]。

本文主要依據《隧道襯砌拱頂帶模注漿暫行技術要求》中相關工藝及技術要求，通過具體試驗，分析相關原材料對微膨脹注漿材料性能影響趨勢，優化各組分比例，配制出滿足要求的微膨脹注漿材料。

1 試驗

1.1 原材料性能

水泥：四川某水泥集團有限公司生產的42.5R普通硅酸鹽水泥，比表面積380m2/kg，其性能見表1。

硅灰：四川某硅鐵合金廠生產的灰白色硅粉，二氧化硅含量大于92%，密度2.3g/m3，堆積密度400kg/m3，比表面積為18m2/g，需水量比110%。

石英砂：成都市郫都區某石英砂廠生產的40-200目石英砂，二氧化硅含量98%。

減水劑：蘇州某化學建材有限公司生產的P1030型粉體聚羧酸減水劑，減水率28%，固含量95%。

消泡劑：德國某公司生產的P803型非離子型表面活性劑消泡劑，白色粉狀。

早強劑：南京某貿易有限公司提供的甲酸鈣，純度≥98%，中性，無毒，溶于水。

穩定劑：巴斯夫Starvis 3003黏度改性劑，粉體。

塑性膨脹劑：淡黃色AC發泡劑，主要成分為偶氮二甲酰胺，純度≥96%。

水：本地自來水，符合混凝土用水標準。如表1所示

表1 P·O42.5R水泥物理化學性能指標

1.2 配方設計

配方設計主要考察以下幾種因素對微膨脹注漿材料施工性能和力學性能的影響趨勢，通過試驗結論得到最優的配比。

1.2.1 早強劑摻量變化對微膨脹注漿材料強度及工作性能的影響情況，特別是12h強度的影響。

1.2.2 硅灰摻量變化對微膨脹注漿材料強度及工作性能影響情況。

為簡化試驗，配方設計時總膠凝材料、石英砂、減水劑、塑性膨脹劑、消泡劑、穩定劑摻量、水料比均為固定值。

1.3 試件制作及養護

原材料按配比稱量好后，先人工預混均勻，然后采用ISO水泥膠砂攪拌機低速模式攪拌，攪拌時間3min，然后測出機流動度、90min流動度、分離度、泌水率，最后將拌合物分別裝入40mm×40mm×160mm的膠砂三聯試模中，自流密實，免振倒成型12h、1d、28d強度試件。

成型后的試模在標準恒溫恒濕養護箱中養護12h，然后脫模養護至規定凝期檢測抗壓、抗折強度，脫模后的養護相對濕度不應小于90%，且不得在水中浸泡或者直接淋水。

1.4 試驗方法

微膨脹注漿料出機流動度、9 0 m i n 流動度保留值按GB50448-2015《水泥基灌漿材料應用技術規范》附錄A.0.2進行檢驗；泌水率按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB 50080）檢驗，漿體裝入試樣桶時不得振動或插搗；分離度按《隧道襯砌拱頂帶模注漿暫行技術要求》進行測試；抗壓/抗折強度按GB/T17671-1999進行檢驗。

2 試驗結果及分析

根據配比設計主要考慮因素，以下主要分析早強劑、硅灰摻量對微膨脹注漿料拌合物工作性能及強度的影響，找到最佳的配比。

2.1 甲酸鈣摻量對微膨脹注漿料拌合物工作性能及強度的影響

在基本配比不變的前提下，選取3種不同的甲酸鈣摻量進行試驗，試驗配比及試驗數據見表2，隨著甲酸鈣摻量增加，12h、1d抗折抗壓強度均出現明顯的增長趨勢，摻量由0.25%增加到0.5%時，12h強度增長最為明顯，抗折抗壓強度增長率都在200%以上，28d強度仍有一定增長；摻量由0.5%增加到0.75%時，12h、1d抗折抗壓強度增長趨勢有所減弱，且28d抗折抗壓強度均出現一定的倒縮情況。從拌合物工作性能分析，隨著甲酸鈣摻量的增加，90min流動度出現了相應的降低現象，當甲酸鈣摻量為0.75%時，90min流動度只有300mm，未能達到標準要求。綜合考慮，當甲酸鈣摻量為0.5%時，微膨脹注漿料的12h、1d、28d各凝期強度均最高，且拌合物工作性能也能滿足標準要求，因此甲酸鈣摻量最佳為0.5%。

產生以上不同試驗結論的原因，經分析可能是加入甲酸鈣以后，一方面增加Ca2+離子的濃度，起到增鈣作用。另一方面，甲酸鈣中的甲酸根離子（HCOO-）能夠形成同AFt和AFm相近的類似物，且能降低液相的pH值，促進Ca（OH）2的沉淀，水泥顆粒表面溶液中OH－濃度迅速降低，加速了未水化的水泥顆粒進一步反應，促進了C—S—H凝膠的形成，從而提高了水泥漿體的抗壓和抗折強度。如果甲酸鈣摻量較大，則生成的類AFt和AFm還將繼續生成膨脹性的硫鋁酸鈣產物，使硬化后的水泥石強度受到損害，造成混凝土后期強度下降[3]。由于甲酸鈣加速了水泥水化反應速度，對水泥有較明顯的促凝作用，這也導致微膨脹注漿料90min流動性隨著甲酸鈣摻量的增加而呈現降低趨勢。如表2所示。

表2 甲酸鈣摻量對微膨脹注漿料拌合物工作性能及強度的影響

2.2 硅灰摻量對微膨脹注漿料拌合物工作性能及強度的影響

在基本配比不變的前提下，選取3種不同的硅灰摻量進行試驗，試驗配比及試驗數據見表3，隨著硅灰摻量增加，12h、1d、28d抗折抗壓強度均有不同的增長，當摻量為2.5%時，12h、1d強度存在部分不達標情況。摻量由5%增加到7.5%時，各凝期強度均達到標準要求，摻量為7.5%時，強度值達到了最高，抗折為13.5MPa，抗壓為73.5MPa；從拌合物工作性能分析，隨著硅灰摻量的增加，出機和90min流動度均出現了相應的減小現象，當硅灰摻量為2.5%時，出機流動度達到了405mm，當硅灰摻量增加到7.5%時，出機和90min流動度減少非常明顯，未能達到標準要求。綜合考慮，當硅灰摻量為5%時，微膨脹注漿料的12h、1d、28d各凝期強度均富余充足，且拌合物工作性能也能滿足標準要求，因此硅灰摻量最佳為5%。

體系中硅灰作為膠凝材料取代部分水泥，一方面由于硅灰顆粒非常微小，大多數顆粒粒徑小于1μm，僅為水泥顆粒直徑的1/100，因此可以充分地填充在水泥顆粒之間，提高漿體硬化后的密實度。另一方面，硅灰中含有80%以上的無定形二氧化硅，能與水泥水化產物發生二次水化反應生成水化硅酸鈣凝膠，改善界面過渡區，提高結構致密性，從而提高注漿料的抗折和抗壓強度。但由于硅灰細度大，比表面積遠遠大于水泥顆粒，摻入注漿料中的硅灰吸附大量的減水劑和水，減少了水泥顆粒表面對水分子和減水劑分子的吸附，增加了水泥砂漿的稠度，增大了漿體黏性流動時顆粒之間的摩擦阻力，導致流動度減小，降低了水泥漿體的流動性[4]。如表3所示

表3 硅灰摻量對微膨脹注漿料拌合物工作性能及強度的影響

3 結束語

通過以上試驗數據，可以得出甲酸鈣、硅灰摻量對微膨脹注漿料強度和拌合物工作性能的影響趨勢，最終得出符合規范要求的注漿料配比。

甲酸鈣作為早強劑能顯著提高注漿料的早期強度（12h、1d），使采用普通硅酸鹽水泥的配方體系12h強度滿足規范要求，但應控制摻入量，摻量過高時會導致28d后期強度出現倒縮現象，并影響注漿料拌合物的流動性能。綜合考慮，最終選用0.5%為最佳摻量。

硅灰作為優良的礦物摻合料，其超細的顆粒尺寸和高不定形二氧化硅含量，兼具微小顆粒填充和二次水化作用效應，能顯著提高注漿料硬化后的密實度，減少內部缺陷，對早期及后期強度均有非常明顯的提升作用，當摻量7.5%時，會影響注漿料的工作性能。綜合考慮，最終選用5%為最佳摻量。