隧道噴射混凝土質量提升關鍵技術研究
2022-12-09 點擊：次
李敬偉（中鐵一局集團第五工程有限公司）
俞醒（中國鐵路上海局集團有限公司杭溫工程建設指揮部）
浙江卡浦樂爾混凝土技術有限公司 鄒紅湘
中鐵十四局集團有限公司 楊仕彬 趙連登
[摘要]如何解決隧道噴射混凝土回彈量大、速凝劑摻量多、濕噴效率低等問題，如何有效控制混凝土裂縫，水泥的品質影響，外加劑的質量和摻量影響，配合比的合理性對混凝土質量的影響非常關鍵。本研究希望通過對減水劑、速凝劑和水泥質量的控制，將水泥對裂縫的不良影響降到最低，通過初支成套技術服務一體化的理念，再通過其它手段，來達到有效控制噴射混凝土的回彈和有效控制混凝土裂縫的目的。
[關鍵詞]低開裂敏感度水泥 無堿速凝劑 回彈改良劑 配合比 混凝土裂縫
[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
噴射混凝土是借助噴漿機將攪拌均勻的混凝土拌合物直接噴射至工作面的混凝土，也是隧道施工過程開挖初期支護的關鍵部分，其技術水平直接影響著隧道支護質量及施工的安全。
隧道是永久性的大型建筑物，建成后不易改建、擴建，其建筑結構、材料選擇需充分考慮結構長期承載及耐久性的需要。隧道的安全運營直接關系到國家財產和人民生命的安危。因此，針對公路和鐵路隧道襯砌裂縫問題展開針對性研究，通過技術路徑，從源頭上杜絕混凝土的裂縫問題，需要從原材料控制、配合比優化、施工工藝優化等角度進行系統化研究，采取合理的材料技術措施及施工工藝，降低混凝土收縮，避免二襯混凝土開裂，確保隧道的穩定、美觀及耐久性，保障公路和鐵路交通安全，具有十分重大的經濟價值和社會價值。
近年來，隨著我國公路鐵路工程建設的加快，隧道工程有了較大發展，噴射混凝土具有原料來源廣泛、施工便利、對施工現場適應性強、施工速度快等優良性能，得到廣泛應用，為我國工程建設貢獻了力量。
關鍵材料助力技術發展
隨著噴射混凝土材料制備的關鍵材料——噴射混凝土用速凝劑的快速發展，無堿液體速凝劑技術逐漸成熟，為噴射混凝土材料的高性能化發展提供了材料基礎。
無堿液體速凝劑是速凝劑的發展方向，也是工程應用的必然趨勢。公司與北京工業大學正是在這一背景下，經過長期合作研究，成功推出了HQ無堿液體速凝劑及其系列母料。研究成果已經通過中國建筑材料聯合會的科技成果鑒定，取得發明專利，其產品主要性能指標達到或超過國內外同類產品，成果屬于國際先進水平。
(1) 摻量低(6%_9%)，水泥混凝土凝結硬化快，初終凝間隔短；
(2)對水泥的適應性好，在摻量為水泥質量6%-9%范圍內，滿足國家標準《噴射混凝土用速凝劑》ASTM C1141/C1141M-08Standard Specification for Admixtures for Shotcrete標準性能指標和要求。
(3)混凝土早期強度高，膠砂試件的1d強度可超過7MPa，后期強度只增不減，28d強度比可達90%以上，90d抗壓強度保留率為100%
(4)對混凝土耐久性無不良影響，由于無堿速凝劑不含堿性物質，極大程度上降低了由于堿性物質的引入對混凝土造成的破壞，如堿骨料反應；同時嚴格限制了Cl-的含量，避免了對鋼筋的腐蝕；
(5)在噴射過程中沒有粉塵， 并大大降低回彈量，從而保護施工人員的身體健康和避免材料的浪費；
(6)硬化混凝土密實性好、抗滲性好，可配制高強噴射混凝土。
1、檢測依據：中華人民共和國國家標準GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》
企業標準 Q/KHQ 005-2013《噴射混凝土用無堿液體速凝劑》
2、方法提要：
① 凈漿實驗：400克水泥、160克水(扣除速凝劑所帶入水分)
② 提示：例如速凝劑固含量為50%，即按應加速凝劑量的50%扣減水分。速凝劑計量方法，建議使用獸用注射器(快速、準確)；做凈漿攪拌時(特別加入速凝劑后)請用手工迅速拌合，并于50秒內完成圓模，不建議用機器進行攪拌(機器攪拌會影響速凝劑與水泥凈漿的均值和凝結時間)。
③ 一天強度試驗：900克水泥，1350克標準砂，450克水(扣除速凝劑所帶水分)，方法與凈堿試驗相同，試摸完成后請置于20℃±2℃室內存放。
產品使用
1、無堿液體速凝劑只可使用于濕噴工藝，必須具有小型或大型濕噴設備方可使用。
2、根據水泥品種，用量和水灰比不同，可以通過改變其摻量調整促凝作用來滿足使用要求。
3、環境溫度會影響噴射混凝土的凝結速度和早期性能。具體摻量應根據性能需求，環境條件的不同，通過試驗調整確定。摻量越高，凝結時間越快。
聚焦先進水泥基
材料、高性能混凝土、固廢資源化材料等科學問題，系統開展新理論、新方法、 新工藝、新技術的研究與開發工作。
近年來，隨著噴射混凝土材料制備的關鍵材料——噴射混凝土用速凝劑的快速發展，無堿液體速凝劑技術逐漸成熟，為噴射混凝土材料的高性能化發展奠定了材料基礎；同時，噴射混凝土成型工藝也逐漸由干法噴射向濕法噴射方向轉型發展，噴射混凝土設備也正在逐步實現國產化和智能化控制，明顯地提高了噴射混凝土作業環境和工程質量。此外，硅灰、鋼纖維、有機纖維和其他功能材料在噴射混凝土中應用，顯著提高了噴射混凝土的力學性能與耐久性，推動噴射混凝土向高性能化和高耐久方向發展。
“目前，噴射混凝土已廣泛用于隧道、地下和海洋工程，以提供早期支持和防止滲水。噴射混凝土的關鍵性能指標是設定時間和強度，這不僅取決于混合物設計，還取決于液體無堿速凝劑的使用。速凝劑改變了膠凝材料的水化機理，影響其強度發展和凝固時間。”CCPA噴射混凝土材料與工程技術分會秘書長尚百雨表示，2017年噴射混凝土速凝劑行業為712.85億美元，預計到2025年將達到986.62億美元，2017—2025年的復合年增長率為4.15％。全球采礦活動、隧道建設增加等是推動全球噴射混凝土速凝劑市場的關鍵因素。
創新讓技術、標準持續突破
在標準體系建設方面，當前由于噴射混凝土在配合比、噴射作業及灑水養護等多種因素的影響，使得實體噴射混凝土的強度往往達不到設計要求，導致支護結構的可靠度降低甚至工程事故的發生。因此能否準確有效地評價噴射混凝土的施工質量顯得尤為重要。
近年來，隨著國民經濟的快速發展及噴射混凝土應用領域的不斷擴大，噴射混凝土需求量越來越大、質量要求也越來越高，性能要求越來越綜合化、多樣化，因此對噴射混凝土品種與性能要求越來越高，對噴射混凝土應用技術水平要求也越來越高。
創新是技術進步的關鍵，在工程建設中同樣如此。“在川藏鐵路拉薩—林芝試驗段的工程實踐中，為實現噴射混凝土在到達受噴面時迅速凝結硬化并提供早期強度的目的，采用加入速凝劑的方式加速水泥水化進程，縮短誘導期。速凝劑的使用實現了噴射混凝土的迅速凝結硬化，保證了隧道圍巖穩定和施工安全。山西省中部引黃工程是山西省‘十二五’規劃大水網建設中一項重要的工程，工程包括水源工程和輸水工程。本工程采取了一系列的工程措施進行初期支護，除了錨桿、錨索等措施外，鋼纖維噴射混凝土也是其中一項重要的措施。某高鐵全線重點控制性工程，隧道地質條件復雜，整體施工風險高。該隧道淺埋段占全隧41%，洞身圍巖整體穩定性差，淺埋偏壓軟弱圍巖多，尤其是Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比高達86%。受地材環境限制與施工成本控制，項目采用機制砂制備噴射混凝土。”談到在工程中取得的突破，尚百雨如數家珍。
在標準建設方面，同樣需要創新。“在標準體系建設方面，當前由于噴射混凝土在配合比、噴射作業及灑水養護等多種因素的影響，使得實體噴射混凝土的強度往往達不到設計要求，導致支護結構的可靠度降低甚至工程事故的發生。因此，能否準確有效地評價噴射混凝土的施工質量顯得尤為重要。”尚百雨指出，目前現行的噴射混凝土質量評價指標仍然局限于傳統的混凝土抗壓強度，但抗壓強度指標不能合理地反映噴射混凝土的實際受載作用機理。況且國內現行施工規范和質量檢驗評定標準中檢測噴射混凝土抗壓強度的“噴大板”試驗方法不僅費時費力，所獲取的樣本數量有限，強度值有時也不能真正反映實際噴射混凝土的性能。
未來機遇與挑戰并存
目前，發展噴射混凝土技術存在以下兩種思路：一是發展適用于噴射混凝土的綠色高性能速凝劑；二是在噴射混凝土中加入新型纖維材料，利用其本身的力學性質，達到改善噴射混凝土性能目的。
我國幅員遼闊，社會全面進步，人民需求大幅提升，促使工程的種類與質量不斷取得更大的突破，這為噴射混凝土帶來了機遇與挑戰。
“當前行業發展存在的問題和挑戰主要有以下幾點：一是國內外相關速凝劑產品的檢驗方法和性能評價指標存在不統一問題。特別是關于速凝劑產品分類和性能指標問題，我國甚至沒有無堿速凝劑的明確定義，對于多少堿含量才是無堿或者低堿存在爭議。二是目前3D打印建筑技術使用的噴射混凝土粘結時間仍舊不合理，通常凝結時間達6～10h左右。三是煤礦巷道使用噴射混凝土封閉和支護圍巖是目前最有效的支護方式，伴隨著錨噴支護工藝的改進和完善，成為目前巷道支護技術的主流。四是速凝劑產品穩定性和在噴射混凝土施工中應用技術還有待完善。”尚百雨提出，目前發展噴射混凝土技術存在著以下兩種思路：一是發展適用于噴射混凝土的綠色高性能速凝劑，針對混凝土延性和強度的提高、抑制裂縫的產生與延伸、減少天然骨料和水泥的消耗、降低施工環境粉塵的影響等方面進行研究，利用速凝劑來弱化對環境的污染。二是在噴射混凝土加入新型纖維材料，利用其本身的力學性質，達到改善噴射混凝土的韌性和強度、提高抗震防爆性能、減少自身裂縫的發展、降低回彈率的目的。但值得注意的是，當前，低成本、高回報的速凝劑研發使得速凝劑市場魚龍混雜，部分速凝劑摻入許多污染環境的成分。主管部門為提高工程的穩定性和耐久性、減少對環境的污染，現已明確要求在施工過程中使用液體速凝劑。
提升質量將是重要發展方向
隨著我國“西部大開發”和“一帶一路”的不斷推進，噴射混凝土將得到進一步推廣，其質量的好壞將直接影響著我國各類工程的建設質量和使用壽命。
噴射混凝土與傳統混凝土相比有著無可比擬的優越性。由于對被噴物具有較好的支襯、隔離等作用，使得其在水利水電、邊坡支護、礦山開發、地下工程、工程加固補強等諸多領域得到廣泛應用。但隨著我國“西部開發”和“一帶一路”的不斷推進，噴射混凝土將得到進一步推廣，其質量的好壞將直接影響著我國各類工程的建設質量和使用壽命。
“如何提升高性能噴射混凝土材料與工程技術將成為今后行業高質量發展的重要方向。”對此，尚百雨建議，一是研發性能更好的早強型無堿液體速凝劑及其新型高效穩定劑或絡合劑，加大利用無害工業副產品等廉價原材料生產液體速凝劑。二是濕噴工藝及其配套濕噴設備是未來噴射混凝土的發展方向，干法噴射將逐步被限制和取代。三是建立健全噴射混凝土性能的檢測評價方法和相關標準規范。四是噴射混凝土材料向“高性能噴射混凝土”方向發展，不僅具有可靠的可噴射性能，同時具有優異的力學性能和耐久性能。五是噴射混凝土專用噴射設備的自動化和智能化水平提升及開展噴射手和承包商的專用技能和資質培訓已刻不容緩。
在隧道施工過程中，噴射混凝土作為隧道永久性支護工程，如何做到噴射混凝土密實、噴射平整，無脫落、無空鼓、無裂縫、無滲漏等問題，就需要高性能的噴射混凝土和有效降低混凝土裂縫的材料和工藝。
2、研究的方向和技術路線
在現代混凝土中，隧道裂縫控制是難度最大、牽涉面最廣的一個問題。混凝土結構開裂的原因十分復雜，設計、原材料加工、配合比選用、施工養護到使用環境都存在裂縫產生的因素，所以，要想有效控制甚至消滅工程結構中的裂縫，難度可想而知。
高性能混凝土的研究，一般側重于混凝土整體配合比的設計、礦物摻合料的使用以及外加劑的協同，而針對水泥本身性能指標而進行的研究則比較少的應用于實際的工程中。
對于施工現場來說，為了有效的控制裂縫，提升混凝土質量，優質的混凝土拌和物+好施工，才能做出優質的工程，就需要對原材料的質量管控、配合比選用、施工的過程管理進行控制。對混凝土行業來說，設計也許可以控制，有些原材料質量也可以控制，而水泥因為不是混凝土行業生產，水泥生產過程中形成對裂縫產生的因素很難控制。水泥是混凝土之母，生產一種低敏感開裂度水泥是解決混凝土裂縫問題的關鍵一步。作者總結自己和公司團隊十幾年來的正反兩方面工程技術經驗，和技術人員一起，對水泥生產的每個環節進行精心的研究和設計，生產出能夠完全符合國家P.O42.5水泥標準的，并可以大幅度降低隧道裂縫的水泥。
該水泥除了降低C3S、C3A含量和比表面積外，主要有以下幾個特色（1）科學設計了水泥顆粒的級配；（2）提升了水泥廠的生產效率；（3）根據工程經驗，把混合材摻量使用到最佳；（4）滿足三天強度要求的同時，大幅提高了后期強度的增長。
3、研究內容
3.1控制和改善水泥的性能指標
水泥的各項技術指標都會顯著影響混凝土質量。如水泥中1～3µm的顆粒含量會顯著影響混凝土早期強度、需水量等性能，水泥越細，放熱越快，收縮率也越大，很容易導致混凝土早期開裂；由于熟料煅燒不完全而存在的游離氧化鈣和游離氧化鎂水化活性小，在水泥硬化后才水化，會產生體積膨脹，引起水泥石開裂；石膏含量過多時，水泥硬化后還會繼續與固態的水化鋁酸鈣反應生成水化硫鋁酸鈣，產生體積膨脹，也會引起水泥石開裂；水泥中的助磨劑也可能會影響高效減水劑效果，若兩者不適應，不僅會造成混凝土施工性能下降，還會增加收縮。因此需從水泥這一混凝土核心原材料出發，控制和改善生產和性能指標，研究高鐵水泥的定制化生產，對不同工程設定不同水泥摻合料的種類、助磨劑的使用、比表面積、堿含量、選粉工藝、和強度富余值及后期強度增長等指標。
3.2嚴格控制外加劑技術指標保證混凝土質量
考慮高效減水劑、速凝劑等與環境溫度、骨料含泥量及石粉含量的匹配性，同時系統性考慮外加劑摻量、活性母料、生產設備、運輸半徑、與水泥內助磨劑相互作用、與絮凝劑的相互作用等因素對混凝土質量的影響，研制與水泥具有優異適應性，能夠有效保障混凝土各方面質量的高效減水劑。
3.3研究水泥性能和水泥用量對混凝土收縮性能的影響
研究不同性能水泥及用量對混凝土各項物理力學性能和耐久性能的影響，尤其是收縮性能的影響。針對目前存在的混凝土實際強度遠高于設計強度的情況，通過優化水膠比和水泥用量適當降低混凝土強度的富余系數，從而平衡強度與收縮之間的關系。
4.關鍵技術
4.1、對低敏感開裂水泥、高性能減水劑、無堿液體速凝劑、機制砂改良劑、回彈改良劑等原材料技術指標控制及優化技術；
低開裂敏感度水泥的技術原理，即用低開裂敏感度水泥早期水化熱低、需水量低、后期水化潛力大，可改善硬化后混凝土的孔結構，提高密實度，最大程度降低早期收縮開裂傾向。
4.1.1低開裂敏度水泥技術指標（10%混合材）
表1低開裂敏感度水泥礦物相指標table 1. the mineral ingredients of the low crack sensitivity cement
4.1.2降低混凝土裂縫及耐久性能研究
選擇具有代表性的配合比，對其混凝土的抗裂性能和耐久性能進行檢測，測試項目包括：塑性和干燥收縮、抗滲性能、抗氯離子滲透性、碳化性能、抗凍性能、絕熱溫升。
4.1.3室內試驗
為了進一步驗證本水泥對減少混凝土收縮裂縫的作用，技術組專門進行了實體工程試驗。選擇二塊各大約300平的路面進行混凝土試打，路面厚度為20cm，強度采用C30混凝土，配合比為：
低開裂敏感度水泥配合比：水泥350，水175，外加劑5.6，砂960，碎石980（本攪拌站常用骨料），實測坍落度為20cm。
普通水泥配合比：水泥210，粉煤灰80，礦粉60，水175，外加劑5.6，砂960，碎石980（本攪拌站常用骨料），實測坍落度為20cm。
下午2點開始同時試打，當天溫度-2-6度，風力4級。為了在極端條件下進行效果對比，對本次水泥和普通水泥所打的混凝土采取不養護、不蓋布、不切縫的施工措施。
混凝土打完第2天，第7天，第14天，第20天，第34天對開裂情況進行觀察，
本次水泥所打的試驗段表面顏色正，有鏡面光澤，無任何裂縫；
普通水泥所打的試驗段，表面顏色發白，裂縫不斷發展并越來越嚴重。
第37天，現場進行了簡單的回彈試驗，本次水泥試驗段回彈強度為41Mpa，普通水泥試驗段為32Mpa.
這次對比試驗充分體現出了本次水泥的優越性能，這就是顏色正、長期強度高、無收縮裂縫，現場試驗照片如下：
低開裂敏感度水泥試驗段不同齡期照片 different phases of the low crack sensitivity cement on trial
普通水泥試驗段不同齡期照片different phases of the normal cement on trial
4.2對噴射機械手、專業噴射隊伍、施工技術及各工序配合的一體化作業方案，試驗測算一體化施工做到降本增效；
圍繞“濕噴技術和濕噴產業鏈”，將中鐵一局臨金高速公路虎溪臺隧道進口作為試驗點。
4.2.1無堿液體速凝劑、回彈改良劑、流變改良劑
外加劑是定制化生產，含有液體納米級懸浮液，初始水化快，具有高活性且容易添加，能夠改進混凝土流變性，具有高粘度，能更好的與基巖粘結。
4.2.2施工設備
使用湖南鵬翔星通汽車有限公司生產的PX6 Q3混凝土噴濕機1臺，該設備具有效率高、穩定性強、噴射斷面大、特別適合臺階法開挖，回彈量≤15%，設備有效生產率≥15m3/h等特點。
4.2.3、施工作業安排
作業人員：噴射班組共計5人，一線作業人員3人，保障人員1人，管理人員1人。
根據中鐵一局臨金高速公路項目部統一安排，分時施工了2次。
第1次，在隧道進口右洞進行3次噴射（含洞門邊坡），共9匹拱、5m，噴射混凝土103.5m3（其中10.7m3用于邊坡）；
第2次，在隧道進口左洞進行8次噴射（含洞門邊坡），共17匹拱、10m，噴射混凝土180m3（其中10 m3用于邊坡）。
4.2.4、施工作業統計 table of statistics on constructing operations
4.2.5施工效果圖 spot effect pictures of constructing
5、提升混凝土質量和噴射混凝土一體化施工的應用研究和試驗結果
虎溪臺隧道的混凝土施工中，根據現場實際噴射情況，采用噴射混凝土一體化施工，混凝土質量大幅提升，初支噴射混凝土整體綜合成本測算降低10%以上。
5.1液體無堿速凝劑及改良劑實際綜合摻量約6.5%，按照此項目原配合比中速凝劑綜合摻量 9% 計算，每立方混凝土節約10KG速凝劑，節約成本30元。
5.2使用低開裂敏感度水泥，水泥用量可以降低20KG每立方。
5.3噴射混凝土的綜合回彈小于15%，以此回彈率計算，每方混凝土節約30元。
5.4施工效率
與隧道左洞湖南五新設備對比，我方設備每小時多噴射4立方混凝土，節約時間成本、人工成本，加快了循環和進度。
5.5時間優化
由于初期試驗階段，作業人員未駐項目現場，每次通知后再進場準備，會增加時間；進駐項目現場后，綜合時間還能繼續優化，工作時間還可在降低，使循環加快，間接降低成本。
5.6使用低敏感開裂度水泥，有效的控制了二襯混凝土的裂縫，
0.2mm以上的裂縫控制在90%以內，降低結構裂縫率的同時，大幅降低了隧道的滲漏率。
6、總結
眾所周知，裂縫已經成為現代混凝土結構的普通現象，通過對水泥的性能指標，以水泥本身礦物組成的調節和水泥的顆粒級配為設計手段，以降低熱裂縫和收縮裂縫為首要設計指標，針對性地進行相應混凝土試驗，量化低開裂敏感度水泥與普通水泥混凝土在工作性、耐久性、強度方面的差異性，為低開裂敏感度水泥在商品混凝土中的普及應用提供技術支撐。在工程安全使用期、經濟合理性、環境條件的適應性等方面產生了明顯的效益，是混凝土技術提升的發展方向。
隧道的高性能噴射混凝土，通過初支成套技術服務一體化的理念，通過高效減水劑、無堿速凝劑、回彈改良劑、流變改良劑等材料的應用技術，能夠做到高早期強度和高后期強度、低回彈率和更厚單次噴層厚度的應用，通過優化配合比、降低廢料比例和循環時間使單延米綜合成本最低來實現。
在此基礎上，進一步通過配合比優化設計和施工工藝優化，研發具有低收縮、高抗裂性的近自密實混凝土，優化配套的施工養護工藝，在保障襯砌混凝土具備優良的施工性能前提下，提高二次襯砌混凝土施工效率，提升混凝土澆筑質量；有效降低混凝土開裂風險，減少裂縫產生，提高二襯混凝土結構質量，延長使用壽命，保證隧道工程的耐久性。
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封孝信 利用鐵尾礦制備超高性能混凝土及其在裝配式建筑中的應用研究（項目編號： K20200134）
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