隧道机制砂喷射混凝土研究

隧道机制砂喷射混凝土研究

隧道机制砂喷射混凝土研究

雷乃金1，陈平奥2

(1. 贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550008；2. 贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081)

摘 要：以贵州省梨花井隧道施工为背景，研究机制砂喷射混凝土制备技术，通过室内及现场试验对比分析各配比喷射混凝土工作性能、抗压强度、劈裂强度及抗渗性，并采用非线性回归的方法得到混凝土力学性能随龄期增长的经验关系公式。研究结果表明：单掺粉煤灰或复掺硅粉与粉煤灰制备的机制砂喷射混凝土工作性能及力学性能均能满足设计要求，而复掺硅粉与粉煤灰后的混凝土抗压强度、坍落度、回弹率均优于单掺粉煤灰，故工程选择复掺硅粉与粉煤灰方案；机制砂喷射混凝土抗压强度和弹性模量随龄期变化满足：p(t)=p0[1−αe−mt−(1−α)e−nt]关系式，其中：p为混凝土抗压强度或弹性模量，e为自然常数，α，m和n为常数参数，机制砂喷射混凝土抗压强度和弹性模量早期增长较快，后期增长缓慢。

关键词：机制砂；喷射混凝土；硅粉；抗压强度；弹性模量

喷射混凝土技术是用压力喷枪喷涂灌筑细石混凝土的施工法，其广泛应用于隧道衬砌、边坡支护等工程中，具有经济、工期短等特点[1−4]。与钢筋网、锚杆等支护方法结合可显著提高其对结构物的防护能力[5−6]。随着我国高速铁路及公路的大量建设，复杂地质区域隧道开挖对隧道衬砌用喷射混凝土性能提出了更高的要求，国内外学者已做了大量相关研究。纤维材料(钢纤维、玄武岩纤维、PVA纤维等)可显著提高喷射混凝土的强度、抗裂性和韧性[7−10]，且通过外加减水剂可改善喷射混凝土工作性能，以满足施工要求[11−12]，因此，纤维喷射混凝土在工程得到大量应用。隧道内特殊的水文条件要求喷射混凝土具有良好的抗渗性和抗硫酸盐侵蚀能力，已有研究发现硅灰和粉煤灰的微孔填充效应可降低喷射混凝土孔隙率，进而提高其抗渗性[13−16]，防腐剂及表面处理材料可有效提高喷射混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级[17]。上述喷射混凝土性能与其砂的材质密切相关，河砂由于含粉量低等特点配制的喷射混凝土工作性能良好，但河砂的过度开采导致生态环境恶化严重，因此，机制砂代替河砂配制混凝土技术迅速发展[18]。近些年，机制砂喷射混凝土[19−21]研究鲜有报道，本文以梨花井隧道施工为工程背景，研究了机制砂喷射混凝土配合比设计，通过室内及室外混凝土试验对比分析了各配合比喷射混凝土抗压强度、早期强度、劈裂强度、抗渗性等，对机制砂喷射混凝土性能提升具有重要意义。

1 工程概况

梨花井隧道位于贵州省六盘水市盘县，隧道全长331 m。隧道穿越山体属岩溶中山区。山体连绵、地形坡度变化较大，一般25°～55°。隧道进口段，斜坡坡度31°，基岩出露，但其后援斜坡坡度35°～40°，可见表生溶蚀现象发育，溶蚀裂隙及熔沟多发育，岩体较破碎，其上植被发育一般，农作物以玉米为主；隧道出口段地形坡度40°，地面的溶蚀裂隙及溶沟不甚发育，岩体较破碎。

近10年水质变化趋势评价采用季节性肯德尔检验方法。根据古宇庙水库水质现状评价结果，选择代表性的指标为：高锰酸盐指数、五日生化需氧量、透明度、氨氮及总磷 5项指标为水质变化趋势分析的参数。在α显著性水平(查累计正态分布表，当α=0.1时)下双侧检验是上升还是下降趋势，如果|Z|>Z1-α/2就否定H0(“无趋势”的零假设)；当|Z|

图1 梨花井隧道右洞纵断面图

Fig. 1 Vertical section of right hole in Lihuajing tunnel

2 原材料及配合比设计

2.1 原材料

1) 水泥：贵州黔桂三合水泥有限责任公司生产的型号P.O 42.5的普通硅酸盐水泥，其相关性能见表1。

2) 机制砂：表观密度2.74 g/cm3，堆积密度1.61 g/cm3，石粉含量为5.4%，压碎指标21%，细度模数2.8，级配曲线如图2所示。

表1 试验用水泥性能

Table 1 Properties of cement

规格凝结时间/min安定性标准稠度用水量/%抗折强度/MPa抗压强度/MPa 初凝终凝3 d28 d3 d28 d P.O 42.5165242合格26.15.99.030.845.1

图2 机制砂级配曲线

Fig. 2 Grading curve of machine-made sand

3) 碎石：粒径5～10 mm光面砂，表观密度2.675 g/cm3，相对孔隙率40.6%，压碎指标18.6%，含泥量0.6%，碎石表面洁净无污染。

HPLC法同时测定复方罗布麻片Ⅰ中硫酸双肼屈嗪和3种维生素的含量 ………………………………… 徐 硕等（5）：607

4) 其他材料：①硅灰：SiO2含量≥93%；②I级粉煤灰：密度2.38 g/cm3，比表面积369 m2/kg；③液态无碱速凝剂：型号TCC766，密度为1.25~1.35 g/mL，pH值为4~6，实验掺量为5%。④减水剂：采用CPA系列聚羧酸高性能减水剂，pH值为6~8，氯离子含量小于0.1%，减水率大于25%。

2.2 配合比设计及基准配合比

喷射混凝土作为隧道的永久单层衬砌，参照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55—2011、《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GBT50080—2002以及《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086—2001有关规定，拟制机制砂喷射混凝土强度等级为C25，拟定机制砂喷射混凝土坍落度为120 mm，工作性能良好，回弹率低，试验所用混凝土基准配合比为水泥:水:砂:碎石=448:202:923: 828(单位kg/m3)，水灰比为0.45，砂率为0.53。粉煤灰按水泥质量的20%和15%添加，硅粉按水泥质量的4%掺入，试验设计了4组配合比，其单位体积混凝土拌合物用量见表2。

测定各配比混凝土拌合物的坍落度，并采用现场喷大板方法制作混凝土试件，混凝土试模尺寸为450 mm×350 mm×150 mm，喷射后试件在隧道潮湿环境中养护1 d后脱模，3 d后置于养护室内，待养护14 d后切割为100 mm×100 mm×100 mm标准试件，继续养护至28 d龄期进行抗压试验。

表2 单位体积混凝土拌合物用量

Table 2 Quantity of concrete mixture per unit volume kg/m3

配比水灰比水水泥砂石子硅灰粉煤灰 A0.45202358923823—90 B0.452023589238231890 C0.45202358923823—— D0.45202358923823—67

图3 坍落度测试

Fig. 3 Slump test

图4 喷射混凝土衬砌表面

Fig. 4 Surface of lining with shotcrete

对于每种配合比的喷射混凝土进行立方体抗压强度试验和测定其坍落度、回弹率，结果见表3。配合比C和配合比D坍落度均小于120 mm，不满足设计要求，配合比A由于粉煤灰掺量过大，降低了混凝土的黏聚性，进而回弹率增大。本文选择A、B配合比为本试验最终配合比，并对A，B 2种配合比进行力学性能及抗渗性研究。

2.3 结果与分析

测试了龄期4 h，12 h，1，3，7和14 d的各配合比抗压强度、劈裂强度，各实验所用标准试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，其结果分别见图6和图7。

图5 现场喷大板及脱模后的试件

Fig. 5 Spraying board and the sample after demolding

表3 各配合比混凝土喷大板试件测试结果

Table 3 Testing results of concrete with different mix proportion

配比28 d抗压强度/MPa坍落度/mm回弹率/% A31.912019.7 B34.812515 C31.210016.4 D30.411014.4

由图6可知，掺硅粉的喷射混凝土(配合比B)的早期强度小于不掺硅粉的喷射混凝土(配合比A)，养护龄期为7 d后，其抗压强度大于只掺粉煤灰的喷射混凝土(配合比A)，掺入4%的硅灰使得机制砂喷射混凝土的28 d抗压强度提高了5.6%，说明硅粉可提高机制砂喷射混凝土后期抗压强度。图6表明，掺入硅粉的机制砂喷射混凝土(配合比B)早期强度比只掺粉煤灰的喷射混凝土(配合比A)更大，说明掺入硅粉对混凝土劈裂抗拉强度有明显的提高。

奶牛隐性乳腺炎并不会表现出典型的临床症状，但却有特有的症候群。随着病情进一步加重，奶牛的产奶量和泌乳量持续减少，乳汁中含有的成分发生明显变化，乳汁中原来的弱酸性变成弱碱性，乳汁质量普遍下降，容易腐败变质。隐性乳腺炎如果不及时治疗，就会转变为典型的乳房炎，伴随明显的临床症状，导致养殖场奶牛淘汰率升高。本次研究该养殖场发病的23头患病奶牛并没有出现死亡现象。

图6 混凝土抗压强度

Fig. 6 Compressive strength of concrete

图7 混凝土劈裂强度

Fig. 7 Splitting strength of concrete

结构防水是隧道及地下工程设计施工的一个关键环节，而混凝土的抗渗性能是混凝土结构自防水的一个重要指标。规范要求单层衬砌喷射混凝土的抗渗性等级不低于S8。

研究采用混凝土抗渗试验仪测定了配合比A和B机制砂喷射混凝土抗渗等级，结果见表4。配合比A和B的机制砂喷射混凝土的抗渗等级均为S10，均达到了设计要求的抗渗等级，说明掺入粉煤灰和硅灰可有效提高机制砂喷射混凝土抗渗 等级。

表4 混凝土抗渗等级

Table 4 Impermeability grade of concrete

配比最大压力/MPa抗渗等级 A1.2S10 B1.2S10

由上述分析可知，掺入硅粉提高了机制砂喷射混凝土的抗压强度、劈裂强度和抗渗等级。硅灰具有火山灰效应和微孔填充作用，其会与硬化胶凝材料体系中Ca(OH)2反应生成更多的水化硅酸钙凝胶，细化硬化浆体内部孔隙，有效改善其孔结 构[13, 22]，进而使得机制砂喷射混凝土强度和抗渗性提高。

白文杰博士(主讲)：很高兴有这样一个机会与大家一起交流一下我的这个研究领域。公共财政这个问题，应该说是公共经济管理当中非常重要的一项内容和一个核心主体部分。今天我讲三个内容：第一，什么是公共财政？第二，当前我国公共财政建设存在哪些问题？第三个就是改善我国公共财政建设的一个思考。

喷射混凝土的性能受水灰比、砂率、不同外加剂掺量、龄期、施工工艺等的影响，有效预测喷射混凝土力学性能发展十分必要。对于刚喷射出的喷射混凝土，呈现流态，其强度为零，随着混凝土中水泥水化不断进行产生了大量水化产物，其强度迅速增长，水泥完全水化后强度趋向于稳定。因此，可以把混凝土强度和弹性模量看作龄期t的函数，针对早强型混凝土强度σ和弹性模量E与龄期t的关系可用式1和式2表示。

因此，投放调味品的种类和数量皆不可乱来。特别是对于多味菜，必须分清味的主次，才能恰到好处地使用主、辅调料。

近年来，通过立足本地，走可持续发展路线，本专业与湖北心连心药房、武汉九州通、杭州天天好等企业进行紧密合作，建立实习与就业一体化的合作机制，利用企业和学校两种截然不同的教育资源，丰富教学内容，优化实践项目，如社会药房建立药历，即用药档案，对患者进行追踪服务，这是以前药学服务中所没有的项目，如今在很多社会药房都已经顺利实施，这种改变是服务领域扩展的具体表现形式之一。校企合作，转变了学生的就业观念，扩展了药学服务的领域，增强了毕业生的就业竞争力，也对培养符合社会需求的高职人才奠定坚实的基础。

(1)

(2)

式中：σ0和E0为t=¥时的单轴抗压强度和弹性模量，e为自然常数，α，β，m，n，p和q均为常数。

图8和图9为配合比A和B机制砂喷射混凝土抗压强度和弹性模量的MATLAB拟合结果，结果显示2种配合比混凝土拟合结果R2>0.94，说明式1和式2可用于表征机制砂喷射混凝土抗压强度和弹性模量随龄期的变化规律，速凝剂使得机制砂喷射混凝土呈现早期强度迅速发展，后期趋于稳定的趋势，弹性模量同样具有这种趋势。12 h抗压强度达到最终强度(龄期28 d强度)的35%左右，1 d强度可以达到最终强度的50%以上，7 d强度可以达到最终强度的80%以上。

(a) 配合比A；(b) 配合比B

图8 机制砂喷射混凝土抗压强度拟合结果

Fig. 8 Fitting results of compressive strength of machine-made sand shotcrete

(a) 配合比A；(b) 配合比B

图9 机制砂喷射混凝土弹性模量拟合结果

Fig. 9 Fitting results of elastic modulus of machine-made sand shotcrete

综合考虑混凝土施工性能、强度及抗渗性，最终确定采用配合比B(粉煤灰和硅灰复掺)作为现场施工配合比，图4为该配合比机制砂喷射混凝土喷后衬砌表面，可见其表面平整度好，无裂纹。

3 结论

1) 复掺硅粉与粉煤灰后的混凝土抗压强度、坍落度、回弹率均优于单掺粉煤灰，这与硅粉火山灰效应和微孔填充作用有关，故工程选择复掺硅粉与粉煤灰方案。

2) 采用本文配合比，机制砂喷射混凝土抗压强度和弹性模量随龄期变化满足：p(t)=p0[1− αe−mt−(1−α)e−nt]关系式，其中p为混凝土抗压强度或弹性模量，e为自然常数，α，m和n为常数参数。

参考文献：

[1] 黄海昀, 仇文革, 黄黆, 等. 石质铁路隧道初期支护优化研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2019, 16(1): 152− 161. HUANG Haiyun, QIU Wenge, HUANG Guang, et al. Study on primary support optimization for railway tunnel in rock[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2019, 16(1): 152−161.

[2] 徐帮树, 杨为民, 王者超, 等. 公路隧道型钢喷射混凝土初期支护安全评价研究[J]. 岩土力学, 2012(1): 252−258. XU Bangshu, YANG Weimin, WANG Zhechao, et al. Study of initial support safety evaluation about shape steel reinforced shotcrete in highway tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012(1): 252−258.

[3] Galan I, Baldermann A, Kusterle W, et al. Durability of shotcrete for underground support-review and update[J]. Construction and Building Materials, 2019, 202: 465− 493.

[4] CHEN L J, LI P C, LIU G M, et al. Development of cement dust suppression technology during shotcrete in mine of China-A review[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2018, 55: 232−242.

[5] 崔圣爱, 李江渭, 叶跃忠, 等. 高地温隧道干热环境中喷射混凝土与岩石黏结强度[J]. 建筑材料学报, 2013, 16(4): 663−666, 682. CUI Shengai, LI Jiangwei, YE Yuezhong, et al. Bond strength of shotcrete with rock in dry and hot environment of high ground temperature tunnel[J]. Journal of Building Materials, 2013, 16(4): 663−666, 682.

[6] 王少勇, 吴爱祥, 韩斌, 等. 湿喷混凝土+树脂锚杆耦合支护的力学模型[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(8): 3486−3492. WANG Shaoyong, WU Aixiang, HAN Bin, et al. Mechanical model of wet shotcrete + resin bolt coupling support[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(8): 3486−3492.

[7] 李冬, 丁一宁. 钢纤维对喷射混凝土方板早龄期弯曲性能的影响[J]. 建筑材料学报, 2017, 20(1): 78−82. LI Dong, DING Yining. Effect of steel fiber on the bending behavior of shotcrete plate at early age[J]. Journal of Building Materials, 2017, 20(1): 78−82.

[8] Cengiz O, Turanli L. Comparative evaluation of steel mesh, steel fibre and high-performance polypropylene fibre reinforced shotcrete in panel test[J]. Cement and Concrete Research, 2004,34(8): 1357−1364.

[9] 孙成访, 谷倩, 彭少民. 喷射纤维混凝土的性能与应用综述[J]. 混凝土, 2008(8): 101−104, 127. SUN Chengfang, GU Qian, PENG Shaomin. General introduction of the performance and application of sprayed FRPC[J]. Concrete, 2008(8): 101−104, 127.

[10] Bernard E S. Behaviour of round steel fibre reinforced concrete panels under point loads[J]. Materials and Structures, 2000, 33(227): 181−188.

[11] 彭先齐, 张振宇, 樊春喜, 等. 高温长运距喷射混凝土坍落度损失问题解决方法研究[J]. 水力发电, 2016, 42(12): 73−76. PENG Xianqi, ZHANG Zhenyu, FAN Chunxi, et al. Study on slump loss for shotcrete under the conditions of high temperature and long distance transportation[J]. Water Power, 2016, 42(12): 73−76.

[12] Dilek U. Effects of manufactured sand characteristics on water demand of mortar and concrete mixtures[J]. Journal of Testing and Evaluation, 2015, 43(3): 562−573.

[13] 宁逢伟, 蔡跃波, 白银, 等. 膨胀剂和硅灰改善C50喷射混凝土抗渗性能的研究[J]. 硅酸盐通报, 2019, 38(10): 3253−3259. NING Fengwei, CAI Yuebo, BAI Yin, et al. Research on impermeability improvement of C50 shotcrete with expansive agent and silica fume[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2019, 38(10): 3253−3259.

[14] 张俊儒, 闻毓民, 欧小强. 粉煤灰喷射混凝土孔隙结构的演变特征[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(2): 296− 302. ZHANG Junru, WEN Yumin, OU Xiaoqiang. Evolutionary characteristics of pore structure of fly ash shotcrete[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(2): 296−302.

[15] Coo M, Pheeraphan T. Effect of sand, fly ash, and coarse aggregate gradation on preplaced aggregate concrete studied through factorial design[J]. Construction and Building Materials, 2015, 93: 812−821.

[16] SHEN W G, YANG Z G, CAO L H, et al. Characterization of manufactured sand: Particle shape, surface texture and behavior in concrete[J]. Construction and Building Materials, 2016, 144: 595−601.

[17] 黄波. 铁路隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀的技术措施研究[D]. 长沙: 中南大学, 2010. HUANG Bo. Research on technical measures of sulfate resistance of lining concrete of railway tunnel[D]. Changsha: Central South University, 2010.

[18] SHEN W G, LIU Y, WANG Z W, et al. Influence of manufactured sand’s characteristics on its concrete performance[J]. Construction and Building Materials, 2018, 172: 574−583.

[19] 王朝东, 徐光苗, 陈建平. 人工砂在隧道喷射混凝土支护中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2003(10): 1749− 1752. WANG Zhaodong, XU Guangmiao, CHEN Jianping. Application of artificial sands in shotcrete support of tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003(10): 1749−1752.

[20] 何鹏. 降低公路隧道机制砂湿喷混凝土回弹率的试验研究[D]. 杭州: 浙江科技学院, 2019. HE Peng. Experimental study on reducing the rebound rate of machined sand wet shotcrete in highway tunnel[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Science and Technology, 2019.

[21] 刘洋, 尚友磊, 何奇. 湿喷机制砂混凝土配合比设计[J]. 高速铁路技术, 2012, 3(1): 52−56. LIU Yang, SHANG Youlei, HE Qi. Mixing proportion design for concrete with wet sprayed machine-made sand[J]. High Speed Railway Technology, 2012, 3(1): 52−56.

[22] 张波. 不同形态硅灰在高强混凝土中的作用机理[D]. 北京: 清华大学, 2015. ZHANG Bo. The function of silica fume with different densities in high strength concrete[D]. Beijing: Tsinghua University, 2015.

Study on the machine-made sand shotcrete of tunnel construction

LEI Naijin1, CHEN Pingao2

(1. Guizhou Highway Engineering Group Co., Ltd., Guiyang 550008, China;2. Guizhou Communications Planning, Survey, Design and Research Institute Co., Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract:This paper mainly studies the mix proportion designs of machine-made sand shotcrete in Lihuajing tunnel construction in Guizhou Province. The compressive strength, early strength and splitting strength of shotcrete with different mix proportions were analyzed through indoor and outdoor concrete tests. The empirical formulas of compressive strength and elastic modulus of shotcrete with different mix proportion increasing with age were obtained by nonlinear regression method. The results show that the performance and mechanical properties of sand-jet concrete prepared with fly ash or fly ash can meet the design requirements, and the compressive strength, slump and rebound rate of the concrete after fly ash and fly ash are better than that of fly ash. the compressive strength and elastic modulus of mechanism sand shotcrete meet p(t)=p0[1−αe−mt−(1−α)e−nt], where p is the compressive strength or elastic modulus of concrete, e is a natural constant, and α, m, n are constant parameters. The compressive strength and elastic modulus of mechanism sand shotcrete increase in the early stage and slowly in the later stage.

Key words:machine-made sand; shotcrete; silica fume; compressive strength; elastic modulus

中图分类号：U455.43

文献标志码：A

文章编号：1672 − 7029(2020)09 − 2271 − 07

DOI: 10.19713/j.cnki.43−1423/u. T20200398

收稿日期：2019−12−12

基金项目：贵州省交通运输厅2016年度科技计划项目(2016-123-015)

通信作者：雷乃金(1972−)，男，贵州贵阳人，高级工程师，从事高速公路施工及管理；E−mail：[e-mail]

(编辑 涂鹏)