浅谈隧道初期支护喷射混凝土的配制及几个因素的影响

1、浅谈隧道初期支护喷射混凝土的配制及几个因素的影响中路通（北京）隧道工程有限公司 孙宝祥摘 要 沪蓉西百步垭隧道开挖过程中所遇到不良的地质条件会给工程施工造成相当大的难度，这就要求在施工时必须利用喷射混凝土进行初期支护。本文在配制C20喷射混凝土的过程中分析讨论了石子粒形、砂率、粉煤灰等几个因素对喷射混凝土配制的影响，明确了利用本地原材料配制喷射混凝土应遵循的原则，对隧道喷射混凝土施工提供了几点有益的借鉴和参考。关键词 隧道 喷射混凝土 配合比 影响因素1 前言沪蓉西百步垭隧道为分离式双线隧道，单幅共长1338米，因地制宜地配制喷射混凝土之前，有必要寻找本地原材料的品质、性能对混凝土的影响有一个

2、比较客观的全面认识。本文将通过试验进行讨论当水泥、速凝剂品种确定后，石子粒形、砂率、粉煤灰掺量等几个因素将对混凝土的配制及其性能产生的影响。2 混凝土原材料的选择2.1水泥 湖北华新“堡垒”牌P.O 325，细度1.2%，安定性合格，标准稠度28.0%，初凝2:15,终凝2:50，28天抗压强度为37.5Mpa。2.2碎石 粒径5-10mm连续级配碎石，表观密度2670kg/m3，含泥量1.7%，针片状含量8.2%，压碎值为9.6%。2.3砂 湖南洞庭湖黄砂；清河细砂(掺配比例为1:1)， 细度模数为MX=2.4中砂,表观密度为2640kg/m3,含泥量为3.4%。2.4速凝剂 湖南金陆AC1

3、型速凝剂，掺用量4.0%，初凝时间为3min，终凝时间为10min。3 实验方案的拟定首先以水泥用量、水胶比、砂率、粉煤灰为因素，进行了正交试验，以确定用理想的原材料配制C20混凝土的理想配合比，做为试验的基准混凝土配合比，以所配制出来的基准配合比为基础，通过调节各种因素,来讨论各因素对混凝土的影响。4 C20喷射混凝土配合比试配4.1依据：锚杆喷射混凝土支护技术规范GB500862001 粉煤灰在混凝土中应用技术技术规程JTJ28864.2配合比设计计算4.2.1根据规程计算:混凝土试配强度为26.6MPa；水灰比为0.46；砂率为47%；其水泥用量为430kg/m3；速凝剂掺量为4%。其未

4、掺加粉煤灰基准配合比为：Ca : S : G ：W : AC-1=430kg : 844kg : 951kg : 198kg4.2.2按等量替代法掺加粉煤灰10%，则水泥用量:C=Ca*(1-10%)=387kg/m3,粉煤灰用量:F=387*10%=39kg/m3,4.2.3.计算水泥、粉煤灰和砂的绝对体积，求出粉煤灰超出水泥部分的体积，并扣除同体积砂的用量：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 配合比为：C：S

5、：G：F：W：AC-1=387kg：834kg：951kg：39kg：198kg：15.48kg此配合比定为2。依据设计规程在用水量不变的情况下，水灰比上、下调整0.02，那么其它两个配合比水灰比分别为：（1）0.48； (3) 0.44；按上述计算方法分别计算出等量替代应用粉煤灰，配合比为：（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为了便于分析，利用正交试验方法进行试验，找出适用施工配合比。制定因素位级表：在试验

6、中影响试验结果的主要因素很多，主要从水泥用量、砂率、水胶比、粉煤灰掺量这四个因素进行考察比较。因素A水泥用量：第一位级A1=371kg；第二位级A2=387 kg；第三位级A3=405kg因素B砂率%：第一位级B1=44；第二位级B2=45；第三位级B3=46因素C粉煤灰掺量：第一位级C1=37kg；第二位级C2=39 kg；第三位级C1=40kg因素D水胶比：第一位级D1=0.44；第二位级D2=0.46；第三位级D1=0.48试验环境模拟实际现场施工温度为15240C，配合比制作验证主要以混凝土抗压强度和混凝土的工作可行性来评定。如果单从混凝土抗压强度来比较，表中看出第3试验号混凝土抗压强

7、度最高，应选择3号配合比应用；然而此配合比水泥用量比较大，而且在现场隧道边试喷时发现，砂率在低于45%时，喷射混凝土的反弹率都很高，造成了极大的浪费。而8号配合比的反弹率较低，从混凝土的工作性、抗压强度、结构施工浇筑时节约水泥降低成本等综合方面来考虑，表中第8号(A2B3C2D2)配合比为优选配合比。 水泥用量(kg)砂率%粉煤灰掺量(kg)水胶比混凝土强度(MPa)初凝时间反弹率%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 几个因素对配制喷射混凝土的影响5.1石子的粒形分别用10%、20%、30%、40%的针片状、连续级配石子来取代基准混凝土中的部分石子，以讨论石子粒形改变后其强度和混凝土未掺速凝剂时坍落度的变化，基准配合比混凝土中其它因素不变。试验结果见表2。 粒形对强

9、度和坍落度影响 表2编号针 片 状 量（%）水泥用量(kg)粉煤灰(10%)28天抗压 强度(Mpa)备 注08.238739.029.2基准混凝土11038739.028.8强度略有下降22038739.026.9未加速凝剂前和易性较差,且强度降低。33038739.024.5未加速凝剂前和易性较差,开始出现离析。44038739.022.7未加速凝剂前出现明显离析、泌水，强度无法满足设计要求。从试验结果来看，当针片状含量达到20%时，未掺加速凝剂前和易性较差，强度明显降低，通过添加减水剂可以使混凝土和易性改善，但添加减水剂对混凝土的凝结时间有相当大的影响。所以我们不提倡在隧道初期支护喷射混

10、凝土中添加减水剂。当然这里也不能排除减水剂和速凝剂有相互不能适用的排斥性。当碎石的针片状含量进一步增加时，在未添加速凝剂时，混凝土中水泥浆过稀，从而与骨料分离，形成“离析”，混凝土和易性极差。在加入速凝剂后混凝土非常松散，粘滞性很弱，在施工过程中势必造成很大回弹，带来了材料上的大量损失。在针片状含量增加造成混凝土不利于施工的原因是：（1）粗骨料比表面积增大，为了混凝土和易性较好应相应增加细集料而混凝土中细集料固定；（2）针片状粗骨料由于粒形极差，骨料颗粒间机械啮合力很大；颗粒间相互制约，由此减少了混凝土的密实性，降低抗压强度。从28天抗压强度来看，当针片状含量超过20%混凝土强度损失过大，通过

11、对数值进一步分析，配制C20喷射混凝土石子的针片状含量不宜超过20%为宜。针片状增加造成混凝土强度下降的主要原因是：混凝土结构中缺陷的增多以及针片状颗粒致使混凝土失去匀质性，使混凝土在不同方向上抗压的能力不同。5.2砂率将基准配合比混凝土中的砂率分别为41%，43%，45%，47%，49%进行比较，试验结果见表3： 砂率试验结果 表3编号砂率（%）水泥用量(kg)速凝剂（C*%）28天抗压强度(Mpa)备注14138715.4833.8混凝土粘聚性非常差，不能用于喷射。24338715.4831.4混凝土粘聚性较差，喷射回弹较大。34538715.4829.2基准混凝土。44738715.48

12、27.1粘聚性显著增加。54938715.4826.5粘聚性显著增加,强度降低从试验可以看出,当砂率达到47%，粘聚性增加，抗压强度也会相应降低；砂率为41%时，混凝土强度值增大，但粘聚性极差，难以发挥细集料对混凝土粗骨料间隙的填充作用，施工时回弹（现场试喷回弹率为31%）较大，而造成材料上的浪费。因此对于喷射混凝土来说45%-49%之间的砂率较为理想。5.3内掺粉煤灰取代水泥为混凝土提供粘聚性能，同时，其微粒也可以填充混凝土中微孔，使混凝土进一步密实，有利于混凝土强度提高。分别按5%、10%、15%、20%的量来取代基准混凝土配合比中水泥，并且以基准配合比用水量为固定用水量，观察新拌混凝土的

13、和易性以及强度的发展。试验结果见表4： 内掺粉煤灰取代水泥试验结果 表4编号取代量（%）水泥量（kg）粉煤灰量（kg）速凝剂（C*%）R28抗压强度（Mpa）10430017.234.2254092116.3631.83103874315.4828.74153666414.6423.45203448613.7621.7从表4可以看出，随着粉煤灰取代量的增大，混凝土抗压强度有下降趋势，从28天强度来看，当取代量小于10%时，混凝土强度有非常小的损失，当取代量大于10%时，混凝土强度随取代量的增大而减小，从试验可知，喷射混凝土中粉煤灰对水泥的取代量不应超过10%。6 结论通过对以上三个因素对C20隧道初期支护喷射混凝土配合比的影响可知:(1)石子的最大针片状含量不可超过20%；(2)混凝土最小砂率不宜低于45%，其范围以45%-49%为宜；(3)粉煤灰对水泥的取代量不可超过10%。以上结论是考虑单因素变化时的试验结果，它指混凝土配合比中做为单因素变化时，该因素应具备的最起码条件。当综合考虑这些因素的共同作用时，应以上述指标为参照，根据具体情况，相应地调整各因素的参数，使它们之间达到协调，才能很好地保证工程质量。通过锚喷支护，提高围岩的抗压强度，激发围岩的自承能力，提高岩石接缝或不连续处的剪切强度，加固松散岩块。现场加强喷射工艺和职业的训练，使他们熟