0 引言

喷射混凝土是将一定配合比的粗、细骨料, 水泥, 掺合料和速凝剂等, 借由喷射机通过风送或泵送, 喷射至受喷面的一种混凝土, 无须人工振捣, 能速凝快硬, 广泛应用于隧道工程、矿山工程、地铁工程等洞室围岩开挖的初期支护中^[1-5]。喷射混凝土按施工工艺分为湿喷法和干喷法, 湿喷法回弹量小、粉尘小、强度易控制, 但操作工艺复杂、易堵管、清洗不便、成本高。干喷法混凝土强度低、回弹大、粉尘大, 但操作灵活、成本低。据统计资料显示, 我国现场施工仍普遍采用干喷混凝土工艺, 湿喷混凝土配套工艺不成熟, 与液态速凝剂适应性差, 易落浆。

速凝剂是喷射混凝土中必不可少的外加剂, 主要作用是使水泥快速凝结, 增大一次喷射厚度, 增强喷射混凝土与围岩表面的附着性。干喷混凝土一般采用粉状速凝剂, 现场添加时拌合不均匀, 掺量过大, 一般为10%左右, 致使喷射混凝土后期强度损失严重, 粉尘量大, 危害工人健康。液态速凝剂主要用于湿喷混凝土中, 存在水泥适应性差、促凝效果低等问题。液态速凝剂分为水玻璃系、铝酸盐系和无碱系, 水玻璃系液态速凝剂掺量大, 喷射混凝土干缩严重, 后期强度损失大, 与围岩粘结力小;无碱系液态速凝剂成本高, 主要成分多为硫酸铝, 硫酸根离子腐蚀钢筋^[6-8];铝酸盐系液态速凝剂掺量低, 速凝效果良好, 成本低, 应用广泛^[9-10]。

为改善现场用干喷混凝土性能, 提高强度、减少水泥用量、降低成本、减少回弹, 在混凝土拌合料中加入矿物材料, 主要为硅灰和粉煤灰^[11]。硅灰是在冶炼硅铁合金和工业硅时产生的SiO₂和Si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而成的一种硅质粉体材料, 具有很高的火山灰活性。硅灰的主要成分是SiO₂ (含量占85%以上), 其细度和比表面积约为水泥的80～100倍, 粉煤灰的50~70倍。硅灰作为混合材料掺入混凝土中, 能够填充水泥颗粒间的孔隙, 与水化产物生成凝胶体, 提高粘聚性, 减少水泥用量, 防止离析、泌水, 提高混凝土的抗压、抗折、抗渗和抗冲击等性能。粉煤灰的加入能节约水泥用量, 有效降低施工成本, 提高混凝土拌合料的和易性, 减少大体积混凝土水化热, 提高混凝土抗渗能力等性能。关于混凝土中加入硅灰、粉煤灰的研究已经很多, 如丁鹏通过室内试验研究硅灰和粉煤灰对喷射混凝土物理力学性能的影响^[12];LOTHENBACH B主要研究硅灰水化物对低碱水泥喷射混凝土的性能影响^[13];董杰、李世凯主要研究硅灰对矿井巷道喷射混凝土的优化作用, 得出合适的硅灰掺入量, 能有效降低粉尘、提高喷射混凝土强度^[14];叶东忠主要对掺入硅灰的水泥净浆和水泥砂浆进行研究, 得出硅灰的优化掺量在8%时, 可以提高水泥砂浆的密实度和强度^[15];姬永生、鲁丽华等对不同掺量粉煤灰的混凝土性能进行研究^[16-17];王喆等对三种矿物材料掺入速凝剂的水泥砂浆进行研究, 不同的掺入方式及掺入量, 水泥砂浆的力学性能随之不同^[18]。以上文献主要研究硅灰、粉煤灰对砂浆、混凝土的影响, 但硅灰、粉煤灰对添加特定液态速凝剂的喷射混凝土性能影响研究不多。因此, 本研究通过水泥净浆凝结时间试验、水泥砂浆抗压和抗折试验、正交试验, 开展硅灰、粉煤灰对掺有铝酸盐液态速凝剂的喷射混凝土性能影响研究, 并提出一种新型的喷射混凝土工艺, 有效降低施工中回弹和粉尘, 为喷射混凝土的有效支护提供一定的参考依据。

1 室内试验 1.1 试验材料

(1) 水泥。采用曲阜中联水泥有限公司生产的混凝土外加剂检测专用基准水泥, 化学及矿物组成见表 1。

(2) 标准砂。采用厦门艾思欧标准砂有限公司生产的标准砂。

(3) 硅灰。采用武汉新必达化工有限公司生产的硅灰, 主要化学成分见表 2。

(4) 粉煤灰。采用细度较小的Ⅰ级粉煤灰, 化学组成见表 3。

1.2 试验方法

(1) 测定不同掺量铝酸钠液态速凝剂水泥净浆凝结时间, 得出该液态速凝剂的最佳掺量(速凝剂的掺量是指掺入的速凝剂占胶凝材料的质量分数)。试验方法参照JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》建材行业标准^[19]。取400g水泥, 水灰比为0.4, 在160mL水中减去速凝剂中的水量, 将水泥和水搅拌均匀, 加入不同掺量的液态速凝剂, 迅速搅拌25～30s, 立即装入圆模。人工振捣数次, 修平水泥浆表面, 使用维卡仪测定凝结时间。

(2) 保持该液态速凝剂最佳掺量不变, 分别对硅灰和粉煤灰单掺, 等质量替代水泥, 测定胶凝材料的初终凝时间。硅灰掺量为4%、6%、8%、10%和12%, 粉煤灰掺量为5%、10%、15%、20%和25%。

(3) 保持液态速凝剂最佳掺量不变, 分别对单掺硅灰、粉煤灰的水泥砂浆进行抗压强度和抗折强度试验。称取基准水泥900g, 标准砂1350g, 不同掺量硅灰、粉煤灰分别等质量替代水泥后, 加入450mL水(扣除液态速凝剂中的水量), 人工迅速搅拌40～50s, 然后装入40mm×40mm×160mm的试模中, 每组三块, 脱模后在温度(20±2) ℃, 湿度95%以上的标准养护室里养护, 测定1、3、28d的抗压强度和抗折强度。

1.3 试验结果及分析

(1) 不同速凝剂掺量水泥净浆凝结时间测定

分别对铝酸钠液态速凝剂掺量为2%、2.5%、3%、3.5%和4%, 进行水泥净浆初终凝时间测定, 试验结果如图 1所示。

由图 1可知, 对于基准水泥, 该铝酸钠液态速凝剂掺量为3%时, 促凝效果最好, 水泥净浆初凝时间2min 34s, 终凝时间5min 54s, 满足标准一等品的要求, 初凝时间在3min以内, 终凝时间在8min以内。掺量超过3%, 速凝效果反而降低。铝酸钠液态速凝剂的促凝效果并不是随着掺量的增大而增大, 而是存在最佳掺量。

速凝剂能否促进水泥快速凝结, 并不完全取决于速凝剂的掺量, 还取决于水泥中的矿物成分、石膏类型等因素。水泥与速凝剂凝结时间的适应性内在因素和外在因素很多, 且有交互作用, 机理相当复杂。如该铝酸盐液态速凝剂, 与水泥中石膏反应, 主要形成凝胶及钙矾石, 相互搭接从而迅速硬化。但当铝酸盐过量时, 与石膏反应生成单硫型水化硫铝酸钙, 而非针棒状的钙矾石, 不能在浆体中形成网状的结构, 因此速凝效果会下降。

(2) 掺入硅灰、粉煤灰凝结时间测定

铝酸钠液态速凝剂掺量保持3%不变, 分别对硅灰、粉煤灰进行单掺。硅灰掺量为4%、6%、8%、10%、12%时, 测定胶凝材料的初终凝时间, 结果如图 2所示。

由图 2可知, 保持铝酸钠液态速凝剂添加量3%不变, 硅灰掺量8%时, 凝结效果最好, 掺量为4%～8%时, 硅灰能促进速凝剂的凝结效果, 掺量大于8%时, 降低速凝剂的促凝效果。硅灰是一种远小于水泥颗粒的微颗粒, 可以很好的填充于水泥颗粒之间, 起到胶凝材料的作用, 添加量少时, 能与水充分水化, 形成大量胶体, 促进水泥浆凝结。但当掺量过大时, 由于其颗粒小、比表面积大、需水量大, 料浆变得粘稠, 胶凝材料不能充分水化, 从而延长了凝结时间。

铝酸钠液态速凝剂的掺量为3%, 粉煤灰掺量为5%、10%、15%、20%、25%时, 测定胶凝材料的初终凝时间, 结果如图 3所示。

由图 3可知, 随着粉煤灰掺量增大, 凝结时间越长。粉煤灰掺量在15%时, 初凝时间4min 44s, 终凝时间9min 25s, 满足标准合格品的要求, 初凝时间5min以内, 终凝时间12min以内。掺量超过15%时, 凝结时间太长。因此粉煤灰单掺时, 掺量不要超过水泥的15%。粉煤灰的水硬胶凝性能较低, 短时间内无法形成胶体材料, 需要在较长的一段时间内, 与水和碱性环境接触才能被激活。因此, 粉煤灰替代水泥后, 水化产物减少, 致使水泥净浆初终凝时间延长。

(3) 水泥砂浆的抗压和抗折强度

① 不同铝酸钠液态速凝剂掺量的抗压和抗折强度

铝酸钠液态速凝剂掺量为2%、2.5%、3%、3.5%和4%的水泥砂浆抗压和抗折强度, 龄期为1、3和28d, 试验结果如表 4所示。

由表 4可知, 添加铝酸钠液态速凝剂能提高水泥砂浆1d和3d的抗压和抗折强度, 并且随着掺量的增大而增大。1d空白水泥砂浆的抗压强度为9.78MPa, 抗折强度为2.80MPa, 铝酸钠液态速凝剂掺量为3%时, 1d的抗压强度为12.22MPa, 抗折强度为3.41MPa, 抗压强度和抗折强度分别提高了24.9%和21.8%。添加速凝剂的水泥砂浆后期强度衰减, 随着掺量的增大, 强度越低。28d空白水泥砂浆的抗压强度为38.21MPa, 抗折强度为8.32MPa, 铝酸钠液态速凝剂掺量为3%时, 28d的抗压强度为33.24MPa, 抗折强度为7.33MPa, 抗压强度和抗折强度分别降低了13.0%和11.9%。

② 不同硅灰掺量的抗压和抗折强度

保持铝酸钠液态速凝剂掺量3%不变, 分别测定硅灰掺量为4%、6%、8%、10%和12%的抗压和抗折强度, 试验结果如表 5所示。

由表 5可知, 水泥砂浆1d和3d的强度, 在硅灰掺量为4%～8%时, 随着掺量的增大而增大;超过8%, 强度反而降低, 但均比不掺硅灰试样强度大。28d的抗压和抗折强度随着硅灰掺量的增大而增大。由于硅灰颗粒小, 比表面积大, 掺量大于8%时, 需要的水量多, 胶凝材料前期水化不充分, 砂浆强度降低, 28d时胶凝材料能充分进行水化反应, 强度随掺量增大而提高。

硅灰掺量为8%时, 砂浆1d抗压强度为15.40MPa、抗折强度为4.40MPa, 相比不掺硅灰试样, 抗压强度和抗折强度分别提高了26%和29%;28d抗压强度为40.25MPa、抗折强度为9.03MPa, 相比不掺硅灰试样, 抗压强度和抗折强度分别提高了21.1%和23.2%。掺入硅灰能提高砂浆各个龄期的强度, 但更有利于砂浆早期强度的提高。

(c) 不同粉煤灰掺量的抗压和抗折强度

保持铝酸钠液态速凝剂掺量3%不变, 分别测定粉煤灰掺量为5%、10%、15%、20%和25%的抗压和抗折强度, 试验结果如表 6所示。

由表 6可知, 粉煤灰掺量时5%～25%, 抗压和抗折强度随着掺量的增大而减小。粉煤灰掺量在15%时, 与不掺粉煤灰试样相比, 1d和3d的水泥砂浆抗压强度分别降低了15.2%和14.9%, 抗折强度分别降低了14.7%和15.8%;28d的抗压和抗折强度分别降低了10.2%和11.1%。粉煤灰掺量在25%时, 与不掺粉煤灰试样相比, 1d和3d的水泥砂浆抗压强度分别降低了30.6%和30%, 抗折强度分别降低了28.1%和33.1%;28d的抗压和抗折强度分别降低了19.5%和22.8%。

由数据可知, 粉煤灰早期强度损失比后期强度损失大。粉煤灰的活性需要较长一段时间才能被激活, 早期替代水泥后, 胶凝材料相对减少, 强度降低, 后期粉煤灰产生活性, 相应提高强度。喷射混凝土需要较短的凝结时间和较高的早期强度, 因此粉煤灰不适合单独掺入喷射混凝土中。

2 正交试验

正交试验是研究多因素多水平的一种设计方法^[20], 依据正交表从全面试验中选出部分有代表性的点进行试验, 这些代表性的点具有“均匀分散, 齐整可比”的特点, 是一种高效、快速、经济的试验设计方法。

本试验将硅灰、粉煤灰和铝酸钠液态速凝剂三者同时掺入, 测定水泥砂浆的抗压强度, 分析各因素对强度的影响规律, 从而找到最优组合。采取硅灰掺量、粉煤灰掺量和液态速凝剂掺量3个因素, 每个因素设置5个水平, 测定水泥砂浆1d和28d的抗压强度, 正交试验设计见表 7。

对正交试验的结果进行极差分析, 该方法具有简单、直观和易懂的特点。按照式(1) 计算三种不同因素对1d和28d水泥砂浆抗压强度的极差。其中:k_jm为第j列因素m水平对应的试验结果和的平均值; R_j为第j列因素的极差, R_j越大, 则该因素对试验结果的影响越大, 从而判断因素的主次顺序。正交试验抗压强度极差分析结果见表 8和表 9。

${{R}_{j}}=\text{max}\left( {{k}_{j1}}, \text{ }{{k}_{j2}}, \text{ }\ldots , \text{ }{{k}_{jm}} \right)-\text{min}\left( {{k}_{j1}}, \text{ }{{k}_{j2}}, \text{ }\ldots , \text{ }{{k}_{jm}} \right)。$

(1)

对正交试验结果进行分析, 得出各因素对1d和28d水泥砂浆抗压强度的影响曲线, 如图 4和图 5所示。结合表 8和表 9分析可得, 水泥砂浆1d抗压强度粉煤灰掺量极差最大, 速凝剂掺量次之, 硅灰掺量最小;28d抗压强度速凝剂掺量极差最大, 硅灰掺量次之, 粉煤灰掺量最小。因此, 影响水泥砂浆1d抗压强度的各因素主次顺序为:粉煤灰掺量>速凝剂掺量>硅灰掺量;影响水泥砂浆28d抗压强度的各因素主次顺序为:速凝剂掺量>硅灰掺量>粉煤灰掺量。抗折强度与抗压强度的趋势相同。

从图 4可以看出, 水泥砂浆1d抗压强度随速凝剂掺量增大而增大, 硅灰掺量的最佳值为8%, 随粉煤灰掺量增大而减小, 粉煤灰掺量对水泥砂浆1d抗压强度影响最大。如图 5所示, 水泥砂浆28d抗压强度随速凝剂掺量增大而减小, 随硅灰掺量增大而增大, 掺量超过8%时强度增大不明显, 随粉煤灰掺量增大而减小, 速凝剂掺量对水泥砂浆28d抗压强度影响最大。

综上所述, 通过凝结时间试验、强度试验和正交试验, 以及考虑施工成本问题, 确定铝酸钠液态速凝剂最佳掺量为3%, 硅灰最佳掺量为8%, 粉煤灰最佳掺量为15%, 三者同时加入, 进行现场喷射混凝土试验。

3 现场试验 3.1 工程概况

某高速公路隧道全长约为2500m, 分左右两条隧道开挖(左洞起点里程ZK36+529, 终点里程ZK39+043, 右洞起点里程YK36+562, 终点里程YK39+062) , 左右两条隧道同时施工。隧道最大埋深为480m, 倾角为10°32′。隧道属于剥蚀低山丘陵地貌, 地形起伏变化大。隧道围岩主要为风化凝灰砂岩, 有裂隙发育, 局部较破碎, 隧道穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩, 地质条件变化较大。隧道发育5条断层和4条节理密集带, 透水性和导水性强, 对围岩稳定不利。洞身围岩级别以Ⅲ、Ⅳ级为主, 断层及节理密集段围岩级别为Ⅴ、Ⅵ级。Ⅲ级围岩初期支护由C25喷射混凝土、砂浆锚杆和钢筋网组成, 喷射混凝土厚度为15cm;Ⅳ级围岩初期支护由C25喷射混凝土、砂浆锚杆、钢筋网和钢格栅组成, 喷射混凝土厚度为25cm;Ⅴ、Ⅵ级围岩初期支护由C25喷射混凝土、中空锚杆、钢筋网和钢拱架组成, 喷射混凝土厚度为28cm, 现场均采用潮喷混凝土。

3.2 喷射混凝土试验

按现场设计要求, 在右洞Ⅴ级围岩处进行50m掺入硅灰和粉煤灰喷射混凝土试验, 喷射混凝土强度等级为C25, 现场用配合比为m(水泥)∶m(砂子)∶m(石子)∶m(水)=460∶906∶880∶207。硅灰的掺量为8%, 粉煤灰的掺量为15%, 铝酸钠液态速凝剂的掺量为3%。提出一种新型的喷射工艺, 在原有潮喷的基础上添加液态速凝剂, 减少胶凝材料水化时间, 并与混凝土拌合料充分混合。工艺流程为:掺合料、粗细骨料、水泥与少量水, 在拌合站搅拌均匀, 运送至隧道内, 通过干喷机利用高压风经由输料管输送至喷头处;液态速凝剂通过一种高压定量泵输送至高压水管中, 水和液态速凝剂的混合物在喷头处与混凝土拌合料混合, 喷射至受喷面。与现有潮喷工艺进行对比, 测定回弹量和喷射混凝土强度。图 6为现场喷射试验图。

进行现场拉帆布试验, 测定回弹量。分别在边墙和拱顶位置各喷射1m³混凝土, 收集回弹料, 如图 7所示。

$喷射回弹量={{V}_{1}}/V, \text{ }$

(2)

式中:V为喷射用料体积;V₁为收集的回弹料体积。

对掺有硅灰和粉煤灰的喷射混凝土, 测得边墙回弹为8.7%, 拱顶回弹为18.2%;现场潮喷混凝土, 边墙回弹为12.6%, 拱顶回弹为28.4%, 整体回弹降低了14.1%。加入硅灰和粉煤灰, 能提高喷射混凝土的粘聚性和泵送性, 降低水泥用量, 液态速凝剂与水混合, 使胶凝材料充分进行水化反应, 快速凝结硬化。因此, 能有效降低回弹, 提高劳动效率, 节约成本。

在喷射过程中进行喷大板试验, 试验图见图 8。分别测定现场潮喷和加入硅灰粉煤灰喷射混凝土的强度, 喷好后的大板在实验室标准养护箱中进行养护, 3d后脱模, 并切割成150mm×150mm×150mm立方体试块, 测定3、7、28d的抗压强度, 试验结果如表 10所示。

由表 10可知, 加入硅灰粉煤灰的新工艺喷射混凝土28d抗压强度为31.5MPa, 现场潮喷工艺喷射混凝土28d抗压强度为27.8MPa, 提高了13.3%。

4 结论

(1) 随着铝酸钠液态速凝剂掺量的增大, 促凝效果先增强后减弱, 掺量为3%时, 凝结效果最好。水泥净浆初凝时间2min 34s, 终凝时间5min 54s, 28d水泥砂浆抗压强度降低了13%, 均满足国家一等品的要求。

(2) 铝酸钠液态速凝剂保持最佳掺量不变, 单掺硅灰替代水泥量的8%时, 能有效促进铝酸钠的凝结效果, 提高混凝土的抗压和抗折强度, 增加粘聚性。掺量超过8%, 浆体的流动性差, 水化不完全, 降低早期强度。

(3) 铝酸钠液态速凝剂保持最佳掺量不变, 粉煤灰掺量越大, 促凝效果越差、混凝土后期强度越低。由于喷射混凝土需要早强快硬, 因此粉煤灰不适合单独加入喷射混凝土中。

(4) 铝酸钠液态速凝剂掺量为3%, 硅灰掺量为8%和粉煤灰掺量为15%, 为三者最优组合, 并结合新型混凝土喷射工艺进行现场试验。相比现场潮喷混凝土, 强度提高了13.3%, 回弹量降低了14.1%, 节省水泥用量23%, 有效节约成本, 提高劳动强度, 减少废弃物的排放。