隧道喷射混凝土质量提升关键技术研究

2022-12-09         点击：次

　　李敬伟（中铁一局集团第五工程有限公司）

　　俞醒（中国铁路上海局集团有限公司杭温工程建设指挥部）

　　浙江卡浦乐尔混凝土技术有限公司 邹红湘

　　中铁十四局集团有限公司 杨仕彬 赵连登

　　[摘要]如何解决隧道喷射混凝土回弹量大、速凝剂掺量多、湿喷效率低等问题，如何有效控制混凝土裂缝，水泥的品质影响，外加剂的质量和掺量影响，配合比的合理性对混凝土质量的影响非常关键。本研究希望通过对减水剂、速凝剂和水泥质量的控制，将水泥对裂缝的不良影响降到最低，通过初支成套技术服务一体化的理念，再通过其它手段，来达到有效控制喷射混凝土的回弹和有效控制混凝土裂缝的目的。

　　[关键词]低开裂敏感度水泥 无碱速凝剂 回弹改良剂 配合比 混凝土裂缝

　　[Abstract] The quality of the cement，supplements and its proportion of the concrete have very vital influences on the quality of concrete， which playing a key part on solving the problems，such as high rebounding extent of ejected concrete on canal constructing，over proportioned of fast condenser，low effectiveness of wet ejecting method，and effectively control of the concrete crack. This research， based on the concept the integral service of the primary supporting technology service， hope to lowest the influence of the cement to the cracks by controlling the quality of the water reducer，fast condenser and cement to fulfill the target of effectively controlling the rebounding extend of ejected concrete and limit the crack to the most extend.

　　[keywords]low-cracking sensitive cement，alkali-free condenser， rebounding improver，proportioning，cement crack.

　　1、概述

　　喷射混凝土是借助喷浆机将搅拌均匀的混凝土拌合物直接喷射至工作面的混凝土，也是隧道施工过程开挖初期支护的关键部分，其技术水平直接影响着隧道支护质量及施工的安全。

　　隧道是永久性的大型建筑物，建成后不易改建、扩建，其建筑结构、材料选择需充分考虑结构长期承载及耐久性的需要。隧道的安全运营直接关系到国家财产和人民生命的安危。因此，针对公路和铁路隧道衬砌裂缝问题展开针对性研究，通过技术路径，从源头上杜绝混凝土的裂缝问题，需要从原材料控制、配合比优化、施工工艺优化等角度进行系统化研究，采取合理的材料技术措施及施工工艺，降低混凝土收缩，避免二衬混凝土开裂，确保隧道的稳定、美观及耐久性，保障公路和铁路交通安全，具有十分重大的经济价值和社会价值。

　　近年来，随着我国公路铁路工程建设的加快，隧道工程有了较大发展，喷射混凝土具有原料来源广泛、施工便利、对施工现场适应性强、施工速度快等优良性能，得到广泛应用，为我国工程建设贡献了力量。

　　关键材料助力技术发展

　　随着喷射混凝土材料制备的关键材料——喷射混凝土用速凝剂的快速发展，无碱液体速凝剂技术逐渐成熟，为喷射混凝土材料的高性能化发展提供了材料基础。

　　无碱液体速凝剂是速凝剂的发展方向，也是工程应用的必然趋势。公司与北京工业大学正是在这一背景下，经过长期合作研究，成功推出了HQ无碱液体速凝剂及其系列母料。研究成果已经通过中国建筑材料联合会的科技成果鉴定，取得发明专利，其产品主要性能指标达到或超过国内外同类产品，成果属于国际先进水平。

　　(1) 掺量低(6%_9%)，水泥混凝土凝结硬化快，初终凝间隔短；

　　(2)对水泥的适应性好，在掺量为水泥质量6%-9%范围内，满足国家标准《喷射混凝土用速凝剂》ASTM C1141/C1141M-08Standard Specification for Admixtures for Shotcrete标准性能指标和要求。

　　(3)混凝土早期强度高，胶砂试件的1d强度可超过7MPa，后期强度只增不减，28d强度比可达90%以上，90d抗压强度保留率为100%

　　(4)对混凝土耐久性无不良影响，由于无碱速凝剂不含碱性物质，极大程度上降低了由于碱性物质的引入对混凝土造成的破坏，如碱骨料反应；同时严格限制了Cl-的含量，避免了对钢筋的腐蚀；

　　(5)在喷射过程中没有粉尘， 并大大降低回弹量，从而保护施工人员的身体健康和避免材料的浪费；

　　(6)硬化混凝土密实性好、抗渗性好，可配制高强喷射混凝土。

　　1、检测依据：中华人民共和国国家标准GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》

　　企业标准 Q/KHQ 005-2013《喷射混凝土用无碱液体速凝剂》

　　2、方法提要：

　　① 净浆实验：400克水泥、160克水(扣除速凝剂所带入水分)

　　② 提示：例如速凝剂固含量为50%，即按应加速凝剂量的50%扣减水分。速凝剂计量方法，建议使用兽用注射器(快速、准确)；做净浆搅拌时(特别加入速凝剂后)请用手工迅速拌合，并于50秒内完成圆模，不建议用机器进行搅拌(机器搅拌会影响速凝剂与水泥净浆的均值和凝结时间)。

　　③ 一天强度试验：900克水泥，1350克标准砂，450克水(扣除速凝剂所带水分)，方法与净碱试验相同，试摸完成后请置于20℃±2℃室内存放。

　　产品使用

　　1、无碱液体速凝剂只可使用于湿喷工艺，必须具有小型或大型湿喷设备方可使用。

　　2、根据水泥品种，用量和水灰比不同，可以通过改变其掺量调整促凝作用来满足使用要求。

　　3、环境温度会影响喷射混凝土的凝结速度和早期性能。具体掺量应根据性能需求，环境条件的不同，通过试验调整确定。掺量越高，凝结时间越快。

　　聚焦先进水泥基

　　材料、高性能混凝土、固废资源化材料等科学问题，系统开展新理论、新方法、 新工艺、新技术的研究与开发工作。

　　近年来，随着喷射混凝土材料制备的关键材料——喷射混凝土用速凝剂的快速发展，无碱液体速凝剂技术逐渐成熟，为喷射混凝土材料的高性能化发展奠定了材料基础；同时，喷射混凝土成型工艺也逐渐由干法喷射向湿法喷射方向转型发展，喷射混凝土设备也正在逐步实现国产化和智能化控制，明显地提高了喷射混凝土作业环境和工程质量。此外，硅灰、钢纤维、有机纤维和其他功能材料在喷射混凝土中应用，显著提高了喷射混凝土的力学性能与耐久性，推动喷射混凝土向高性能化和高耐久方向发展。

　　“目前，喷射混凝土已广泛用于隧道、地下和海洋工程，以提供早期支持和防止渗水。喷射混凝土的关键性能指标是设定时间和强度，这不仅取决于混合物设计，还取决于液体无碱速凝剂的使用。速凝剂改变了胶凝材料的水化机理，影响其强度发展和凝固时间。”CCPA喷射混凝土材料与工程技术分会秘书长尚百雨表示，2017年喷射混凝土速凝剂行业为712.85亿美元，预计到2025年将达到986.62亿美元，2017—2025年的复合年增长率为4.15％。全球采矿活动、隧道建设增加等是推动全球喷射混凝土速凝剂市场的关键因素。

　　创新让技术、标准持续突破

　　在标准体系建设方面，当前由于喷射混凝土在配合比、喷射作业及洒水养护等多种因素的影响，使得实体喷射混凝土的强度往往达不到设计要求，导致支护结构的可靠度降低甚至工程事故的发生。因此能否准确有效地评价喷射混凝土的施工质量显得尤为重要。

　　近年来，随着国民经济的快速发展及喷射混凝土应用领域的不断扩大，喷射混凝土需求量越来越大、质量要求也越来越高，性能要求越来越综合化、多样化，因此对喷射混凝土品种与性能要求越来越高，对喷射混凝土应用技术水平要求也越来越高。

　　创新是技术进步的关键，在工程建设中同样如此。“在川藏铁路拉萨—林芝试验段的工程实践中，为实现喷射混凝土在到达受喷面时迅速凝结硬化并提供早期强度的目的，采用加入速凝剂的方式加速水泥水化进程，缩短诱导期。速凝剂的使用实现了喷射混凝土的迅速凝结硬化，保证了隧道围岩稳定和施工安全。山西省中部引黄工程是山西省‘十二五’规划大水网建设中一项重要的工程，工程包括水源工程和输水工程。本工程采取了一系列的工程措施进行初期支护，除了锚杆、锚索等措施外，钢纤维喷射混凝土也是其中一项重要的措施。某高铁全线重点控制性工程，隧道地质条件复杂，整体施工风险高。该隧道浅埋段占全隧41%，洞身围岩整体稳定性差，浅埋偏压软弱围岩多，尤其是Ⅳ、Ⅴ级围岩占比高达86%。受地材环境限制与施工成本控制，项目采用机制砂制备喷射混凝土。”谈到在工程中取得的突破，尚百雨如数家珍。

　　在标准建设方面，同样需要创新。“在标准体系建设方面，当前由于喷射混凝土在配合比、喷射作业及洒水养护等多种因素的影响，使得实体喷射混凝土的强度往往达不到设计要求，导致支护结构的可靠度降低甚至工程事故的发生。因此，能否准确有效地评价喷射混凝土的施工质量显得尤为重要。”尚百雨指出，目前现行的喷射混凝土质量评价指标仍然局限于传统的混凝土抗压强度，但抗压强度指标不能合理地反映喷射混凝土的实际受载作用机理。况且国内现行施工规范和质量检验评定标准中检测喷射混凝土抗压强度的“喷大板”试验方法不仅费时费力，所获取的样本数量有限，强度值有时也不能真正反映实际喷射混凝土的性能。

　　未来机遇与挑战并存

　　目前，发展喷射混凝土技术存在以下两种思路：一是发展适用于喷射混凝土的绿色高性能速凝剂；二是在喷射混凝土中加入新型纤维材料，利用其本身的力学性质，达到改善喷射混凝土性能目的。

　　我国幅员辽阔，社会全面进步，人民需求大幅提升，促使工程的种类与质量不断取得更大的突破，这为喷射混凝土带来了机遇与挑战。

　　“当前行业发展存在的问题和挑战主要有以下几点：一是国内外相关速凝剂产品的检验方法和性能评价指标存在不统一问题。特别是关于速凝剂产品分类和性能指标问题，我国甚至没有无碱速凝剂的明确定义，对于多少碱含量才是无碱或者低碱存在争议。二是目前3D打印建筑技术使用的喷射混凝土粘结时间仍旧不合理，通常凝结时间达6～10h左右。三是煤矿巷道使用喷射混凝土封闭和支护围岩是目前最有效的支护方式，伴随着锚喷支护工艺的改进和完善，成为目前巷道支护技术的主流。四是速凝剂产品稳定性和在喷射混凝土施工中应用技术还有待完善。”尚百雨提出，目前发展喷射混凝土技术存在着以下两种思路：一是发展适用于喷射混凝土的绿色高性能速凝剂，针对混凝土延性和强度的提高、抑制裂缝的产生与延伸、减少天然骨料和水泥的消耗、降低施工环境粉尘的影响等方面进行研究，利用速凝剂来弱化对环境的污染。二是在喷射混凝土加入新型纤维材料，利用其本身的力学性质，达到改善喷射混凝土的韧性和强度、提高抗震防爆性能、减少自身裂缝的发展、降低回弹率的目的。但值得注意的是，当前，低成本、高回报的速凝剂研发使得速凝剂市场鱼龙混杂，部分速凝剂掺入许多污染环境的成分。主管部门为提高工程的稳定性和耐久性、减少对环境的污染，现已明确要求在施工过程中使用液体速凝剂。

　　提升质量将是重要发展方向

　　随着我国“西部大开发”和“一带一路”的不断推进，喷射混凝土将得到进一步推广，其质量的好坏将直接影响着我国各类工程的建设质量和使用寿命。

　　喷射混凝土与传统混凝土相比有着无可比拟的优越性。由于对被喷物具有较好的支衬、隔离等作用，使得其在水利水电、边坡支护、矿山开发、地下工程、工程加固补强等诸多领域得到广泛应用。但随着我国“西部开发”和“一带一路”的不断推进，喷射混凝土将得到进一步推广，其质量的好坏将直接影响着我国各类工程的建设质量和使用寿命。

　　“如何提升高性能喷射混凝土材料与工程技术将成为今后行业高质量发展的重要方向。”对此，尚百雨建议，一是研发性能更好的早强型无碱液体速凝剂及其新型高效稳定剂或络合剂，加大利用无害工业副产品等廉价原材料生产液体速凝剂。二是湿喷工艺及其配套湿喷设备是未来喷射混凝土的发展方向，干法喷射将逐步被限制和取代。三是建立健全喷射混凝土性能的检测评价方法和相关标准规范。四是喷射混凝土材料向“高性能喷射混凝土”方向发展，不仅具有可靠的可喷射性能，同时具有优异的力学性能和耐久性能。五是喷射混凝土专用喷射设备的自动化和智能化水平提升及开展喷射手和承包商的专用技能和资质培训已刻不容缓。

　　在隧道施工过程中，喷射混凝土作为隧道永久性支护工程，如何做到喷射混凝土密实、喷射平整，无脱落、无空鼓、无裂缝、无渗漏等问题，就需要高性能的喷射混凝土和有效降低混凝土裂缝的材料和工艺。

　　2、研究的方向和技术路线

　　在现代混凝土中，隧道裂缝控制是难度最大、牵涉面最广的一个问题。混凝土结构开裂的原因十分复杂，设计、原材料加工、配合比选用、施工养护到使用环境都存在裂缝产生的因素，所以，要想有效控制甚至消灭工程结构中的裂缝，难度可想而知。

　　高性能混凝土的研究，一般侧重于混凝土整体配合比的设计、矿物掺合料的使用以及外加剂的协同，而针对水泥本身性能指标而进行的研究则比较少的应用于实际的工程中。

　　对于施工现场来说，为了有效的控制裂缝，提升混凝土质量，优质的混凝土拌和物+好施工，才能做出优质的工程，就需要对原材料的质量管控、配合比选用、施工的过程管理进行控制。对混凝土行业来说，设计也许可以控制，有些原材料质量也可以控制，而水泥因为不是混凝土行业生产，水泥生产过程中形成对裂缝产生的因素很难控制。水泥是混凝土之母，生产一种低敏感开裂度水泥是解决混凝土裂缝问题的关键一步。作者总结自己和公司团队十几年来的正反两方面工程技术经验，和技术人员一起，对水泥生产的每个环节进行精心的研究和设计，生产出能够完全符合国家P.O42.5水泥标准的，并可以大幅度降低隧道裂缝的水泥。

　　该水泥除了降低C3S、C3A含量和比表面积外，主要有以下几个特色（1）科学设计了水泥颗粒的级配；（2）提升了水泥厂的生产效率；（3）根据工程经验，把混合材掺量使用到最佳；（4）满足三天强度要求的同时，大幅提高了后期强度的增长。

　　3、研究内容

　　3.1控制和改善水泥的性能指标

　　水泥的各项技术指标都会显著影响混凝土质量。如水泥中1～3µm的颗粒含量会显著影响混凝土早期强度、需水量等性能，水泥越细，放热越快，收缩率也越大，很容易导致混凝土早期开裂；由于熟料煅烧不完全而存在的游离氧化钙和游离氧化镁水化活性小，在水泥硬化后才水化，会产生体积膨胀，引起水泥石开裂；石膏含量过多时，水泥硬化后还会继续与固态的水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙，产生体积膨胀，也会引起水泥石开裂；水泥中的助磨剂也可能会影响高效减水剂效果，若两者不适应，不仅会造成混凝土施工性能下降，还会增加收缩。因此需从水泥这一混凝土核心原材料出发，控制和改善生产和性能指标，研究高铁水泥的定制化生产，对不同工程设定不同水泥掺合料的种类、助磨剂的使用、比表面积、碱含量、选粉工艺、和强度富余值及后期强度增长等指标。

　　3.2严格控制外加剂技术指标保证混凝土质量

　　考虑高效减水剂、速凝剂等与环境温度、骨料含泥量及石粉含量的匹配性，同时系统性考虑外加剂掺量、活性母料、生产设备、运输半径、与水泥内助磨剂相互作用、与絮凝剂的相互作用等因素对混凝土质量的影响，研制与水泥具有优异适应性，能够有效保障混凝土各方面质量的高效减水剂。

　　3.3研究水泥性能和水泥用量对混凝土收缩性能的影响

　　研究不同性能水泥及用量对混凝土各项物理力学性能和耐久性能的影响，尤其是收缩性能的影响。针对目前存在的混凝土实际强度远高于设计强度的情况，通过优化水胶比和水泥用量适当降低混凝土强度的富余系数，从而平衡强度与收缩之间的关系。

　　4.关键技术

　　4.1、对低敏感开裂水泥、高性能减水剂、无碱液体速凝剂、机制砂改良剂、回弹改良剂等原材料技术指标控制及优化技术；

　　低开裂敏感度水泥的技术原理，即用低开裂敏感度水泥早期水化热低、需水量低、后期水化潜力大，可改善硬化后混凝土的孔结构，提高密实度，最大程度降低早期收缩开裂倾向。

　　4.1.1低开裂敏度水泥技术指标（10%混合材）

　　表1低开裂敏感度水泥矿物相指标table 1. the mineral ingredients of the low crack sensitivity cement

　　4.1.2降低混凝土裂缝及耐久性能研究

　　选择具有代表性的配合比，对其混凝土的抗裂性能和耐久性能进行检测，测试项目包括：塑性和干燥收缩、抗渗性能、抗氯离子渗透性、碳化性能、抗冻性能、绝热温升。

　　4.1.3室内试验

　　为了进一步验证本水泥对减少混凝土收缩裂缝的作用，技术组专门进行了实体工程试验。选择二块各大约300平的路面进行混凝土试打，路面厚度为20cm，强度采用C30混凝土，配合比为：

　　低开裂敏感度水泥配合比：水泥350，水175，外加剂5.6，砂960，碎石980（本搅拌站常用骨料），实测坍落度为20cm。

　　普通水泥配合比：水泥210，粉煤灰80，矿粉60，水175，外加剂5.6，砂960，碎石980（本搅拌站常用骨料），实测坍落度为20cm。

　　下午2点开始同时试打，当天温度-2-6度，风力4级。为了在极端条件下进行效果对比，对本次水泥和普通水泥所打的混凝土采取不养护、不盖布、不切缝的施工措施。

　　混凝土打完第2天，第7天，第14天，第20天，第34天对开裂情况进行观察，

　　本次水泥所打的试验段表面颜色正，有镜面光泽，无任何裂缝；

　　普通水泥所打的试验段，表面颜色发白，裂缝不断发展并越来越严重。

　　第37天，现场进行了简单的回弹试验，本次水泥试验段回弹强度为41Mpa，普通水泥试验段为32Mpa.

　　这次对比试验充分体现出了本次水泥的优越性能，这就是颜色正、长期强度高、无收缩裂缝，现场试验照片如下：

　　低开裂敏感度水泥试验段不同龄期照片 different phases of the low crack sensitivity cement on trial

　　普通水泥试验段不同龄期照片different phases of the normal cement on trial

　　4.2对喷射机械手、专业喷射队伍、施工技术及各工序配合的一体化作业方案，试验测算一体化施工做到降本增效；

　　围绕“湿喷技术和湿喷产业链”，将中铁一局临金高速公路虎溪台隧道进口作为试验点。

　　4.2.1无碱液体速凝剂、回弹改良剂、流变改良剂

　　外加剂是定制化生产，含有液体纳米级悬浮液，初始水化快，具有高活性且容易添加，能够改进混凝土流变性，具有高粘度，能更好的与基岩粘结。

　　4.2.2施工设备

　　使用湖南鹏翔星通汽车有限公司生产的PX6 Q3混凝土喷湿机1台，该设备具有效率高、稳定性强、喷射断面大、特别适合台阶法开挖，回弹量≤15%，设备有效生产率≥15m3/h等特点。

　　4.2.3、施工作业安排

　　作业人员：喷射班组共计5人，一线作业人员3人，保障人员1人，管理人员1人。

　　根据中铁一局临金高速公路项目部统一安排，分时施工了2次。

　　第1次，在隧道进口右洞进行3次喷射（含洞门边坡），共9匹拱、5m，喷射混凝土103.5m3（其中10.7m3用于边坡）；

　　第2次，在隧道进口左洞进行8次喷射（含洞门边坡），共17匹拱、10m，喷射混凝土180m3（其中10 m3用于边坡）。

　　4.2.4、施工作业统计 table of statistics on constructing operations

　　4.2.5施工效果图  spot effect pictures of constructing

　　5、提升混凝土质量和喷射混凝土一体化施工的应用研究和试验结果

　　虎溪台隧道的混凝土施工中，根据现场实际喷射情况，采用喷射混凝土一体化施工，混凝土质量大幅提升，初支喷射混凝土整体综合成本测算降低10%以上。

　　5.1液体无碱速凝剂及改良剂实际综合掺量约6.5%，按照此项目原配合比中速凝剂综合掺量 9% 计算，每立方混凝土节约10KG速凝剂，节约成本30元。

　　5.2使用低开裂敏感度水泥，水泥用量可以降低20KG每立方。

　　5.3喷射混凝土的综合回弹小于15%，以此回弹率计算，每方混凝土节约30元。

　　5.4施工效率

　　与隧道左洞湖南五新设备对比，我方设备每小时多喷射4立方混凝土，节约时间成本、人工成本，加快了循环和进度。

　　5.5时间优化

　　由于初期试验阶段，作业人员未驻项目现场，每次通知后再进场准备，会增加时间；进驻项目现场后，综合时间还能继续优化，工作时间还可在降低，使循环加快，间接降低成本。

　　5.6使用低敏感开裂度水泥，有效的控制了二衬混凝土的裂缝，

　　0.2mm以上的裂缝控制在90%以内，降低结构裂缝率的同时，大幅降低了隧道的渗漏率。

　　6、总结

　　众所周知，裂缝已经成为现代混凝土结构的普通现象，通过对水泥的性能指标，以水泥本身矿物组成的调节和水泥的颗粒级配为设计手段，以降低热裂缝和收缩裂缝为首要设计指标，针对性地进行相应混凝土试验，量化低开裂敏感度水泥与普通水泥混凝土在工作性、耐久性、强度方面的差异性，为低开裂敏感度水泥在商品混凝土中的普及应用提供技术支撑。在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，是混凝土技术提升的发展方向。

　　隧道的高性能喷射混凝土，通过初支成套技术服务一体化的理念，通过高效减水剂、无碱速凝剂、回弹改良剂、流变改良剂等材料的应用技术，能够做到高早期强度和高后期强度、低回弹率和更厚单次喷层厚度的应用，通过优化配合比、降低废料比例和循环时间使单延米综合成本最低来实现。

　　在此基础上，进一步通过配合比优化设计和施工工艺优化，研发具有低收缩、高抗裂性的近自密实混凝土，优化配套的施工养护工艺，在保障衬砌混凝土具备优良的施工性能前提下，提高二次衬砌混凝土施工效率，提升混凝土浇筑质量；有效降低混凝土开裂风险，减少裂缝产生，提高二衬混凝土结构质量，延长使用寿命，保证隧道工程的耐久性。

　　参 考 文 献Reference

　　封孝信 铁矿物在混凝土中的化学稳定性研究（项目编号：51772098）

　　封孝信 利用铁尾矿制备超高性能混凝土及其在装配式建筑中的应用研究（项目编号： K20200134）

　　封孝信 可溶性含铝盐对碱硅酸反应产物膨胀性的影响及其机理研究（编号 E2010000958）

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　　胡晨光 大体积混凝土微结构形成演变与调控机理研究，2015/01-2017/12，

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