淺談隧道初期支護(hù)噴射混凝土的配制及幾個(gè)因素的影響

1、淺談隧道初期支護(hù)噴射混凝土的配制及幾個(gè)因素的影響中路通（北京）隧道工程有限公司 孫寶祥摘 要 滬蓉西百步埡隧道開(kāi)挖過(guò)程中所遇到不良的地質(zhì)條件會(huì)給工程施工造成相當(dāng)大的難度，這就要求在施工時(shí)必須利用噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)。本文在配制C20噴射混凝土的過(guò)程中分析討論了石子粒形、砂率、粉煤灰等幾個(gè)因素對(duì)噴射混凝土配制的影響，明確了利用本地原材料配制噴射混凝土應(yīng)遵循的原則，對(duì)隧道噴射混凝土施工提供了幾點(diǎn)有益的借鑒和參考。關(guān)鍵詞 隧道 噴射混凝土 配合比 影響因素1 前言滬蓉西百步埡隧道為分離式雙線隧道，單幅共長(zhǎng)1338米，因地制宜地配制噴射混凝土之前，有必要尋找本地原材料的品質(zhì)、性能對(duì)混凝土的影響有一個(gè)

2、比較客觀的全面認(rèn)識(shí)。本文將通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行討論當(dāng)水泥、速凝劑品種確定后，石子粒形、砂率、粉煤灰摻量等幾個(gè)因素將對(duì)混凝土的配制及其性能產(chǎn)生的影響。2 混凝土原材料的選擇2.1水泥 湖北華新“堡壘”牌P.O 325，細(xì)度1.2%，安定性合格，標(biāo)準(zhǔn)稠度28.0%，初凝2:15,終凝2:50，28天抗壓強(qiáng)度為37.5Mpa。2.2碎石 粒徑5-10mm連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度2670kg/m3，含泥量1.7%，針片狀含量8.2%，壓碎值為9.6%。2.3砂 湖南洞庭湖黃砂；清河細(xì)砂(摻配比例為1:1)， 細(xì)度模數(shù)為MX=2.4中砂,表觀密度為2640kg/m3,含泥量為3.4%。2.4速凝劑 湖南金陸AC1

3、型速凝劑，摻用量4.0%，初凝時(shí)間為3min，終凝時(shí)間為10min。3 實(shí)驗(yàn)方案的擬定首先以水泥用量、水膠比、砂率、粉煤灰為因素，進(jìn)行了正交試驗(yàn)，以確定用理想的原材料配制C20混凝土的理想配合比，做為試驗(yàn)的基準(zhǔn)混凝土配合比，以所配制出來(lái)的基準(zhǔn)配合比為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)節(jié)各種因素,來(lái)討論各因素對(duì)混凝土的影響。4 C20噴射混凝土配合比試配4.1依據(jù)：錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范GB500862001 粉煤灰在混凝土中應(yīng)用技術(shù)技術(shù)規(guī)程JTJ28864.2配合比設(shè)計(jì)計(jì)算4.2.1根據(jù)規(guī)程計(jì)算:混凝土試配強(qiáng)度為26.6MPa；水灰比為0.46；砂率為47%；其水泥用量為430kg/m3；速凝劑摻量為4%。其未

4、摻加粉煤灰基準(zhǔn)配合比為：Ca : S : G ：W : AC-1=430kg : 844kg : 951kg : 198kg4.2.2按等量替代法摻加粉煤灰10%，則水泥用量:C=Ca*(1-10%)=387kg/m3,粉煤灰用量:F=387*10%=39kg/m3,4.2.3.計(jì)算水泥、粉煤灰和砂的絕對(duì)體積，求出粉煤灰超出水泥部分的體積，并扣除同體積砂的用量：取水泥比重pc=3.1，粉煤灰比重pf=2.2，砂比重ps=2.6S=Sa-(C/pc+F/pf-Ca/pc×ps=844-(387/3.1+39/2.2-430/3.1)×2.6=834kg/m3 配合比為：C：S

5、：G：F：W：AC-1=387kg：834kg：951kg：39kg：198kg：15.48kg此配合比定為2。依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程在用水量不變的情況下，水灰比上、下調(diào)整0.02，那么其它兩個(gè)配合比水灰比分別為：（1）0.48； (3) 0.44；按上述計(jì)算方法分別計(jì)算出等量替代應(yīng)用粉煤灰，配合比為：（1） C：S：G：F：W：AC-1=371kg：833kg：988kg：37kg：198kg：14.84kg（3） C：S：G：F：W：AC-1=405kg：817kg：968kg：40kg：198kg：16.2kg4.3為了便于分析，利用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，找出適用施工配合比。制定因素位級(jí)表：在試驗(yàn)

6、中影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素很多，主要從水泥用量、砂率、水膠比、粉煤灰摻量這四個(gè)因素進(jìn)行考察比較。因素A水泥用量：第一位級(jí)A1=371kg；第二位級(jí)A2=387 kg；第三位級(jí)A3=405kg因素B砂率%：第一位級(jí)B1=44；第二位級(jí)B2=45；第三位級(jí)B3=46因素C粉煤灰摻量：第一位級(jí)C1=37kg；第二位級(jí)C2=39 kg；第三位級(jí)C1=40kg因素D水膠比：第一位級(jí)D1=0.44；第二位級(jí)D2=0.46；第三位級(jí)D1=0.48試驗(yàn)環(huán)境模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工溫度為15240C，配合比制作驗(yàn)證主要以混凝土抗壓強(qiáng)度和混凝土的工作可行性來(lái)評(píng)定。如果單從混凝土抗壓強(qiáng)度來(lái)比較，表中看出第3試驗(yàn)號(hào)混凝土抗壓強(qiáng)

7、度最高，應(yīng)選擇3號(hào)配合比應(yīng)用；然而此配合比水泥用量比較大，而且在現(xiàn)場(chǎng)隧道邊試噴時(shí)發(fā)現(xiàn)，砂率在低于45%時(shí)，噴射混凝土的反彈率都很高，造成了極大的浪費(fèi)。而8號(hào)配合比的反彈率較低，從混凝土的工作性、抗壓強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)施工澆筑時(shí)節(jié)約水泥降低成本等綜合方面來(lái)考慮，表中第8號(hào)(A2B3C2D2)配合比為優(yōu)選配合比。 水泥用量(kg)砂率%粉煤灰摻量(kg)水膠比混凝土強(qiáng)度(MPa)初凝時(shí)間反彈率%ABCDR2811 3711 443 402 0.4624.42min2722 3871 441 371 0.4428.12min2633 4051 442 393 0.4834.21min2641 3712 45

8、2 391 0.4424.41min2952 3872 453 403 0.4827.92min2563 4052 451 372 0.4636.21min2271 3713 461 373 0.4825.22min2482 3873 462 392 0.4629.51min1993 4053 463 401 0.4432.61min18表15 幾個(gè)因素對(duì)配制噴射混凝土的影響5.1石子的粒形分別用10%、20%、30%、40%的針片狀、連續(xù)級(jí)配石子來(lái)取代基準(zhǔn)混凝土中的部分石子，以討論石子粒形改變后其強(qiáng)度和混凝土未摻速凝劑時(shí)坍落度的變化，基準(zhǔn)配合比混凝土中其它因素不變。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。 粒形對(duì)強(qiáng)

9、度和坍落度影響 表2編號(hào)針 片 狀 量（%）水泥用量(kg)粉煤灰(10%)28天抗壓 強(qiáng)度(Mpa)備 注08.238739.029.2基準(zhǔn)混凝土11038739.028.8強(qiáng)度略有下降22038739.026.9未加速凝劑前和易性較差,且強(qiáng)度降低。33038739.024.5未加速凝劑前和易性較差,開(kāi)始出現(xiàn)離析。44038739.022.7未加速凝劑前出現(xiàn)明顯離析、泌水，強(qiáng)度無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)針片狀含量達(dá)到20%時(shí)，未摻加速凝劑前和易性較差，強(qiáng)度明顯降低，通過(guò)添加減水劑可以使混凝土和易性改善，但添加減水劑對(duì)混凝土的凝結(jié)時(shí)間有相當(dāng)大的影響。所以我們不提倡在隧道初期支護(hù)噴射混

10、凝土中添加減水劑。當(dāng)然這里也不能排除減水劑和速凝劑有相互不能適用的排斥性。當(dāng)碎石的針片狀含量進(jìn)一步增加時(shí)，在未添加速凝劑時(shí)，混凝土中水泥漿過(guò)稀，從而與骨料分離，形成“離析”，混凝土和易性極差。在加入速凝劑后混凝土非常松散，粘滯性很弱，在施工過(guò)程中勢(shì)必造成很大回彈，帶來(lái)了材料上的大量損失。在針片狀含量增加造成混凝土不利于施工的原因是：（1）粗骨料比表面積增大，為了混凝土和易性較好應(yīng)相應(yīng)增加細(xì)集料而混凝土中細(xì)集料固定；（2）針片狀粗骨料由于粒形極差，骨料顆粒間機(jī)械嚙合力很大；顆粒間相互制約，由此減少了混凝土的密實(shí)性，降低抗壓強(qiáng)度。從28天抗壓強(qiáng)度來(lái)看，當(dāng)針片狀含量超過(guò)20%混凝土強(qiáng)度損失過(guò)大，通過(guò)

11、對(duì)數(shù)值進(jìn)一步分析，配制C20噴射混凝土石子的針片狀含量不宜超過(guò)20%為宜。針片狀增加造成混凝土強(qiáng)度下降的主要原因是：混凝土結(jié)構(gòu)中缺陷的增多以及針片狀顆粒致使混凝土失去勻質(zhì)性，使混凝土在不同方向上抗壓的能力不同。5.2砂率將基準(zhǔn)配合比混凝土中的砂率分別為41%，43%，45%，47%，49%進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3： 砂率試驗(yàn)結(jié)果 表3編號(hào)砂率（%）水泥用量(kg)速凝劑（C*%）28天抗壓強(qiáng)度(Mpa)備注14138715.4833.8混凝土粘聚性非常差，不能用于噴射。24338715.4831.4混凝土粘聚性較差，噴射回彈較大。34538715.4829.2基準(zhǔn)混凝土。44738715.48

12、27.1粘聚性顯著增加。54938715.4826.5粘聚性顯著增加,強(qiáng)度降低從試驗(yàn)可以看出,當(dāng)砂率達(dá)到47%，粘聚性增加，抗壓強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)降低；砂率為41%時(shí)，混凝土強(qiáng)度值增大，但粘聚性極差，難以發(fā)揮細(xì)集料對(duì)混凝土粗骨料間隙的填充作用，施工時(shí)回彈（現(xiàn)場(chǎng)試噴回彈率為31%）較大，而造成材料上的浪費(fèi)。因此對(duì)于噴射混凝土來(lái)說(shuō)45%-49%之間的砂率較為理想。5.3內(nèi)摻粉煤灰取代水泥為混凝土提供粘聚性能，同時(shí)，其微粒也可以填充混凝土中微孔，使混凝土進(jìn)一步密實(shí)，有利于混凝土強(qiáng)度提高。分別按5%、10%、15%、20%的量來(lái)取代基準(zhǔn)混凝土配合比中水泥，并且以基準(zhǔn)配合比用水量為固定用水量，觀察新拌混凝土的

13、和易性以及強(qiáng)度的發(fā)展。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4： 內(nèi)摻粉煤灰取代水泥試驗(yàn)結(jié)果 表4編號(hào)取代量（%）水泥量（kg）粉煤灰量（kg）速凝劑（C*%）R28抗壓強(qiáng)度（Mpa）10430017.234.2254092116.3631.83103874315.4828.74153666414.6423.45203448613.7621.7從表4可以看出，隨著粉煤灰取代量的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度有下降趨勢(shì)，從28天強(qiáng)度來(lái)看，當(dāng)取代量小于10%時(shí)，混凝土強(qiáng)度有非常小的損失，當(dāng)取代量大于10%時(shí)，混凝土強(qiáng)度隨取代量的增大而減小，從試驗(yàn)可知，噴射混凝土中粉煤灰對(duì)水泥的取代量不應(yīng)超過(guò)10%。6 結(jié)論通過(guò)對(duì)以上三個(gè)因素對(duì)C20隧道初期支護(hù)噴射混凝土配合比的影響可知:(1)石子的最大針片狀含量不可超過(guò)20%；(2)混凝土最小砂率不宜低于45%，其范圍以45%-49%為宜；(3)粉煤灰對(duì)水泥的取代量不可超過(guò)10%。以上結(jié)論是考慮單因素變化時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，它指混凝土配合比中做為單因素變化時(shí)，該因素應(yīng)具備的最起碼條件。當(dāng)綜合考慮這些因素的共同作用時(shí)，應(yīng)以上述指標(biāo)為參照，根據(jù)具體情況，相應(yīng)地調(diào)整各因素的參數(shù)，使它們之間達(dá)到協(xié)調(diào)，才能很好地保證工程質(zhì)量。通過(guò)錨噴支護(hù)，提高圍巖的抗壓強(qiáng)度，激發(fā)圍巖的自承能力，提高巖石接縫或不連續(xù)處的剪切強(qiáng)度，加固松散巖塊?，F(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)噴射工藝和職業(yè)的訓(xùn)練，使他們熟