机制砂钢纤喷射混凝土在铁路铁路隧道中的应用

1、机制砂钢纤喷射混凝土在铁路铁路隧道中的应用黄绪泉1，胡嗣斌2，成立1，王小萍1(1荆楚理工学院化工研究所，湖北荆门 448000：2中铁十一局集团第二工程有限公司，湖北十堰 442013) 摘要：通过对喷射工艺以及机制砂和钢纤维喷射混凝土特点的分析，直接采用增加水泥用量和保持机制砂中石粉含量和合理的喷射工艺，设计机制砂钢纤维喷射混凝土，在施工中能取得好的效果。 关键词：机制砂：钢纤维喷射混凝土；铁路隧道；施工工艺 中图分类号：TU52853 文献标识码：A 文章编号：1001-702X(2008)01-0008-030 前 言 某承建工程中有3座隧道，即庙湾隧道、帽盒山隧道和三圣寺隧道。其中庙

2、湾隧道全长1074m，为-082单面下坡；帽盒山隧道全长1454m，坡度分别为-162、-154的单面下坡：三圣寺隧道全长1505m，坡度分别为-154、-139、-029的单面下坡。隧道设计均为单线，围岩级别均为、V级，隧道开挖采用光面爆破控制措施，初期支护设计为C25钢纤维喷射混凝土。 喷射混凝土宜采用级配良好、细度模数应大于25的中粗砂做细集料效果最好，而该工程地处重庆市万州境内，受自然环境条件所限只有特细砂，特细砂由于比表面积大、黏稠等不能用于配制喷射混凝土，而外购中粗砂需远到岳阳，运距远，到达施工现场价格高达94元m3，该工程为投标价较低的外资标，砂价过高会增加工程成本压力。为降低成

3、本，只有采用当地石山加工的机制砂作为细集料配制机制砂钢纤维喷射混凝土。但在隧道施工中，对是否可以使用人工砂作为喷射混凝土的细骨料，TBl04172003铁路隧道工程施工质量验收标准中没有明确规定。而且由于机制砂表面形状差、颗粒级配不够理想且波动较大，易造成混凝土的和易性不佳，混凝土的质量不易控制。工程上普通钢纤维喷射混凝土多采用425级普硅水泥，采用机制砂做钢纤维喷射混凝土的细集料多掺加粉煤灰、硅灰和减水剂以改善机制砂工作性的不足，增加细粉料和提高机制砂钢纤维喷射混凝土和易性，这会导致需水量增大、增加成本和工艺的复杂性。为此，我们根据工程实际情况并参考以前普通喷射混凝土施工经验，直接采用325

4、级普硅水泥并增大用量、保持机制砂一定的石粉含量和合理的喷射工艺设计C25机制砂钢纤维喷射混凝土进行施工。1 原材料情况 水泥：采用重庆腾辉水泥股份有限公司生产的P·0325水泥，初凝时间为332h，终凝时间450h，安定性合格(雷氏法)：宜昌华新水泥股份有限公司产P·0325水泥，初凝时间310h，终凝时间420h。水泥标准稠度用水量均为27。其物理力学性能见表1。碎石：重庆万州区丰华矿石厂提供，石灰岩质510mm，符合连续级配要求，含泥量03，泥块含量018，压碎值73，针片状颗粒含量58，表观密度266gem，堆积密度151g/m3，吸水率15。机制砂：重庆万州区丰华矿

5、石厂提供的机制砂，石粉含量40，泥块含量03，细度模数36，压碎指标值23，表观密度2635gcm3，堆积密度1505Scm3，碱骨料反应0026，硫化物含量006，氯化物含量003。砂级配见图1。从图1看出，其级配不是很好。 水：施工用水为转嘴河的河水。经检验可用于各类混凝土拌合用水，检测不溶物2mgL，可溶物284mgL，硫酸盐(以计)379mgL，氯化物(以C1-计)263mgL，pH值826，硫化物(以S2计)55mgL。 速凝剂：郑州南川市双利建材厂提供R-型速凝剂，掺量为水泥用量的4时，初凝时间3min，终凝时间1183min。 钢纤维：武汉汉森钢纤维有限公司产普通碳素钢纤维，检测

6、抗拉强度809MPa，符合TBl04172003要求。2 施工工艺 钢纤维喷射混凝土搅拌喷射工艺归纳起来有3种，即干拌于喷工艺、湿拌湿喷工艺和先干后湿拌湿喷工艺。21 干拌干喷工艺 干拌关键在于投料顺序，通常先将细集料、粗集料、水泥、钢纤维和速凝剂进行干拌后，从喷射机的一喷嘴喷射出与同时从另一喷嘴喷射出的水在喷嘴口处混合成混凝土后，进一步喷射到施工面(见图2)。22 湿拌湿喷工艺 先将钢纤维、细集料、粗集料和水泥一起投入搅拌机干拌，使钢纤维均匀分散到混合料中，然后再加水湿拌后从喷射机一喷嘴喷射出，与同时从另一喷嘴喷射的速凝剂在喷嘴口处混合成混凝土喷射到施工面(见图3)，该工艺可使钢纤维在混凝土

7、中均匀分散，避免钢纤维尚未分散即被水泥砂浆或水泥净浆包裹成钢纤维球的现象。23 先干拌后湿拌湿喷工艺 先将细集料、粗集料、水泥进行干拌，再加水和用纤维分散机分散的钢纤维均匀投料湿拌后从喷射机一喷嘴喷射出，与同时从另一喷嘴喷射的速凝剂在喷嘴口处混合成混凝土喷射到施工面。采用该工艺要采用机械分散纤维的设备，才能有好的施工效果。 以上3种施工工艺中，干拌干喷工艺施工简单，钢纤维易成团，回弹率大、粉尘大、品质不稳定；先干后湿拌湿喷工艺操作复杂，不利于工人熟练掌握；湿拌湿喷工艺具有工艺简单、施工中粉尘少、回弹量少和混凝土质量稳定等优点，根据工地实际情况主要采用湿拌湿喷工艺进行施工，3 配合比设计 隧道地

8、下水经检验，碳酸氢根(以HCO3-计)133 mgL，镁盐(以Mg2+计)186mgL，硫酸盐(以SO42-计)580 mgL，氯化物(以CI-计)164mgL，侵蚀性C02气体389 mgL，对混凝土工程无腐蚀。加之在喷射混凝土层外还有二次混凝土衬砌保护，故喷射混凝土可不采取防腐措施。 参照JGJ 552000普通混凝土配合比设计规程和TB104172003<<铁路隧道工程施工质量验收标准进行设计，考虑因速凝剂对混凝土后期实际强度的影响，理论设计时配制强度按标准差50MPa进行，即配制强度为332MPa。机制砂混凝土流动性小，掺入钢纤维后导致混凝土坍落度的降低，混凝土坍落度大小对

9、喷射速度影响大。坍落度大，喷射速度快，回弹也大，故设计机制砂钢纤维喷射混凝土时坍落度设计为(100_+20)mm左右。 根据施工工艺安排原材料添加顺序和检测指标，按顺序依次将书1制砂、水泥、碎石和钢纤维投入强制式搅拌机干拌30s，加水搅拌4rain卸出，待混合料搅拌均匀后测试坍落度和表观密度等指标，然后加入速凝剂人工快速翻拌30s后入150mm×l50mm×l50mm试模，在混凝土振动台上振动60s成型，试拌结果见表2。 从表2可知，2号配比符合要求。后经采用同配比换用重庆腾辉水泥股份有限公司P·0325水泥进行试拌，测试结果同样符合要求。从运距和成本考虑，最后采

10、用4号腾辉水泥的配比，而华新水泥的配合比备用。4 施工控制41 机制砂质量控制 机制砂中石粉的细度小、比表面大，一定的石粉含量可以补充混凝土中缺少的细颗粒，和水泥浆一起形成柔软的浆体改善混凝土的和易性：由于没有活性，石粉中的微细颗粒进入水泥水化产物的晶体中起微集料填充作用，能够增加混凝土的密实度。但石粉含量过大会造成混凝土需水量增大，增大喷射混凝土黏稠度造成喷射困难。因此，要经常测试石粉含量，确保石粉含量控制在2-6为宜。42 混凝土搅拌和运输 混凝土拌合站直接设在洞口，隧道的施工用水通过在线路左侧的转嘴河边设置泵站，分级抽水至高位水池内，再由隧道洞顶高位水池通过供水管道供水至拌合站和隧道洞内

11、。采用强制式搅拌机搅拌4min，坍落度检测合格后，由保持低速搅拌的混凝土搅拌车运输至现场，快速搅拌2min左右后放出，以防运输过程中混凝土离析。43 混凝土喷射 为提高喷射混凝土的效果，减少回弹量和粉尘对人体的危害，采用铁道部科学研究院西南分院研制的TK-961型湿式喷射机喷射混凝土。喷射作业由有经验、技术熟练的喷射手操作，可以根据速凝剂开关的大小和对应喷射混凝土方量大小来控制速凝剂实际掺量，保证实际施工喷射混凝土配合比和设计配合比相符。 在喷射混凝土之前，用水或风枪将受喷面粉尘和杂物清除干净。施工时采用工作风压大于05MPa，水压比风压大01MPa，以喷射手目测喷射混凝土表面湿润、有光泽、易

12、粘着、回弹量小宋掌握风压，喷头与受喷面的距离为1520m，且垂直于岩面，喷嘴缓慢呈螺旋形均匀移动，一圈压半圈，不仅可减少钢纤维回弹，还可使钢纤维分布均匀。行与行之间搭接23cm，初喷厚度35cm，复喷每次58cm，直至设计厚度，2次喷射间隔时间为1530min。 对于设有钢架和钢筋网的地段，除垂直于岩面施喷外，可以适当斜喷以消除钢架、钢筋与岩面之间的空隙。对于超挖形成的凹洼部位，也用同级喷混凝土填实找平。 漏水地段应根据实际情况调整混凝土配合比，增加水泥用量；先喷干混合料，待其与水隔离后，逐渐加水喷射，喷射时由远而近，逐渐向涌水点逼近，然后在涌水点处安设导管，将股水引出，再在导管附近喷射；当涌

13、水地点不多时，采用开缝摩擦锚杆进行导水处理后再喷射混凝土；涌水严重时，可设置泄水孔，边排水边喷射。44 混凝土质量检测 制作500mm×500mm×l50mm大板试模，为有底开口试模，内部刨光，板厚20mm，四角有加固，可拆卸。用TK-961型湿式喷射机对木盒进行喷射，直至喷满为止；标准养护7d后拆掉木盒即成大板，再用DQ-14型自动岩石锯石机切割成150mm×l50 mm×l50mm混凝土试块，标准养护28d后进行质量检测。5 结 语 (1)选择规模生产厂家，能生产出比较稳定的级配和符合石粉含量要求的水洗机制砂。 (2)机制砂钢纤维混凝土虽然没有天然中粗砂配制混凝土的和易性好，但采取适当增加水泥量和合理的喷射工艺，经水洗后的机制砂能够满足输送要求，在喷射过程中不会出现堵管和输送困难等现象，而且由于机制砂颗粒粗糙且棱角多，与受喷岩面易咬合。 (3)严格控制原材料的质量和喷射混凝土施工配合比，设计机制砂钢纤维喷射混凝土时3个基准水灰比不宜拉大，水灰比太小，混凝土