杨富民，孙成晓，仇 鹏，张 雯，何军利，闫俊洁，李 晨

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 102206)

液体速凝剂在铁路隧道喷射混凝土中的应用研究

杨富民1，孙成晓2，仇 鹏1，张 雯1，何军利2，闫俊洁2，李 晨2

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 102206)

为研究无碱液体速凝剂和碱性液体速凝剂对喷射混凝土抗压强度和耐久性能的影响，对掺加两种速凝剂的喷射混凝土试件进行了抗压强度、体积稳定性和快速冻融试验。试验结果表明:掺加无碱液体速凝剂可大幅度提高喷射混凝土28 d抗压强度，保有率达到106.8%，而掺加碱性液体速凝剂的混凝土28 d抗压强度比仅为57.5%;掺加无碱液体速凝剂的喷射混凝土试件在各龄期的收缩率均小于掺加碱性液体速凝剂的混凝土试件;掺加无碱液体速凝剂可有效提高喷射混凝土的抗冻性能，混凝土试件经受300次冻融循环未破坏，而掺加碱性液体速凝剂的混凝土试件在进行冻融循环125次时已完全破坏。

无碱液体速凝剂 喷射混凝土 抗压强度 耐久性能

速凝剂是一种能促进混凝土迅速凝结硬化的外加剂，是喷射混凝土重要的组成材料。近年来，无碱速凝剂成为速凝剂研究的新方向。根据欧洲喷射混凝土规范(《European Specification for Sprayed Concrete Guidelines》)对速凝剂的定义，Na2O含量不超过1%的速凝剂为无碱速凝剂，其余为碱性速凝剂。掺加无碱速凝剂的喷射混凝土具有后期抗压强度保有率高、耐久性好和安全环保等优势，在国外隧道工程中得到了广泛应用。而我国现行标准《喷射混凝土用速凝剂》并未给出无碱速凝剂的明确定义及性能要求，因此，国内无碱速凝剂应用案例较少。

目前，我国铁路隧道喷射混凝土用液体速凝剂多以铝酸盐、硅酸盐类碱性速凝剂为主。中国铁道科学研究院选取目前施工中使用的20种液体速凝剂进行匀质性检测，速凝剂总碱含量均在10%～20%，pH值接近14，属强碱性。该类速凝剂具有掺量小、凝结时间快等优点，但是在水泥水化过程中引入了大量碱性物质，导致混凝土后期强度损失严重，耐久性下降，且对施工人员的眼睛和皮肤有腐蚀性伤害。

针对上述问题，采用无碱液体速凝剂与碱性液体速凝剂进行同条件对比试验，研究两种液体速凝剂对喷射混凝土抗压强度、体积稳定性及抗冻性能的影响规律，为无碱速凝剂在高速铁路隧道初期支护的推广应用提供依据。

1 工程背景

壁板坡隧道为沪昆客专第一长隧道，全长14 756 m，最大埋深735 m，为低瓦斯隧道。沿线地形起伏大，地层繁多，岩性繁杂，断裂构造发育，可溶岩地层分布广泛。主要不良地质和特殊地质有:滑坡、崩塌、危岩落石、岩堆、高地震烈度、高地应力、软土等。

2 原材料

水泥为云南远东 P.O 42.5水泥，比表面积 344 m2/kg，28 d抗压强度51.3 MPa;粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，需水量比100%，烧失量4.23%;细骨料为机制砂，石粉含量6.5%，细度模数3.4，泥块含量0.2%，压碎指标19%;粗骨料为5～10 mm单粒级配碎石，含泥量0.7%，石粉含量5.6%，表观密度2 670 kg/m3;水为普通自来水，符合《混凝土拌合用水标准》(JGJ 63—89)要求;减水剂为聚羧酸减水剂，减水率26%，含气量2.9%;速凝剂分两种:①TK-S无碱液体速凝剂，②JVS碱性液体速凝剂。两种速凝剂性能指标如表1所示。

3 试验设计

选取TK-S无碱液体速凝剂和JVS碱性液体速凝

剂两种速凝剂，进行同条件对比试验，并选取了基准混凝土作为对照，研究两种速凝剂对喷射混凝土抗压强度、体积稳定性和抗冻性能的影响规律。喷射混凝土强度等级为C25，混凝土配合比如表2所示。

表2 C25喷射混凝土配合比 kg/m3

4 试验方法

4.1 试件成型方法

试件制备采用喷板法，喷射设备采用中铁岩峰成都科技有限公司生产的TK600A型湿喷机，喷射工艺采用湿喷，成型后的混凝土试件经一段养护时间后进行切磨处理，具体方法依据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》。成型的喷射混凝土板及测试试件如图1所示。

图1 喷射混凝土板及测试试件

4.2 抗压强度试验

混凝土抗压强度试验采用100 mm×100 mm× 100 mm的标准试件，测试方法依据《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081)关于抗压强度试验的规定。

4.3 体积稳定性试验

混凝土体积稳定性试验采用100 mm×100 mm× 515 mm标准试件，测试方法依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》关于干缩试验的规定。

4.4 抗冻性能试验

混凝土抗冻性能试验采用100 mm×100 mm× 400 mm标准试件，试验方法依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》关于快冻法的规定。

5 试验结果及分析

5.1 抗压强度试验

分别对喷射混凝土试件进行3 h，12 h，1 d，3 d，7 d，28 d，56 d和90 d共8个养护龄期的抗压强度测试。各组喷射混凝土抗压强度与龄期的关系如图2所示。

图2 各组喷射混凝土抗压强度与龄期关系

从图2可以看出:

1)相同条件下，TK-S无碱液体速凝剂对混凝土抗压强度的增加效果优于JVS碱性液体速凝剂。

2)掺加TK-S无碱液体速凝剂的喷射混凝土1 d抗压强度为10.5 MPa;28 d抗压强度为39.0 MPa，为基准混凝土抗压强度的106.8%。而掺加JVS碱性液体速凝剂的喷射混凝土1 d抗压强度为9.5 MPa;28 d抗压强度为21.0 MPa，仅为基准混凝土的57.5%，后期强度损失严重。

3)随着养护龄期的增长，3组混凝土抗压强度均有不同程度增长，掺加TK-S无碱液体速凝剂的喷射混凝土抗压强度高于基准混凝土，并有增长的趋势。基准混凝土和掺加JVS碱性液体速凝剂的喷射混凝土抗压强度趋于稳定，并且掺加JVS碱性液体速凝剂的喷射混凝土抗压强度低于基准混凝土。

由此可见，掺加 TK-S无碱液体速凝剂的喷射混凝土满足1 d抗压强度不低于10 MPa的要求，并且28 d抗压强度不损失，甚至有所提高。因此，TK-S无碱液体速凝剂对喷射混凝土抗压强度的提高明显优于JVS碱性液体速凝剂。

5.2 体积稳定性试验

由于干燥收缩引起的开裂是混凝土材料最常见的病害之一，混凝土开裂会加速有害物质的侵入，加速钢筋锈蚀，最终导致混凝土结构破坏。喷射混凝土由于

砂率高、骨料粒径小、胶凝材料用量大，再加上掺加速凝剂，其收缩尤为严重。混凝土体积稳定性通常用试件轴向相对长度的变化率来表征。分别对喷射混凝土试件进行1，3，7，14，28，56和90 d共7个养护龄期的收缩率测试。体积稳定性试验结果如图3所示。

图3 各组喷射混凝土收缩率与龄期的关系

从图3可以看出:

1)在混凝土养护早期(3 d)，掺加速凝剂的喷射混凝土收缩率均大于基准混凝土，这是由于加入速凝剂后，加速水泥水化反应速率，引起化学收缩率增大，此时，收缩率:JVS＞TK-S＞基准混凝土。

2)随着养护龄期的延长，基准混凝土收缩率逐渐增大，超过掺加速凝剂的两组混凝土收缩率，此时，收缩率:基准混凝土＞JVS＞TK-S。

3)在整个试验过程中，掺加JVS碱性液体速凝剂的喷射混凝土收缩率均大于掺加TK-S无碱液体速凝剂喷射混凝土。

从本次试验结果来看，速凝剂可减小喷射混凝土收缩率，并且掺加无碱液体速凝剂的喷射混凝土收缩率小于掺加碱性液体速凝剂的喷射混凝土。

5.3 抗冻性能试验

混凝土抗冻性能是混凝土耐久性的一项重要指标。本试验采用快速冻融法对基准混凝土及掺加TKS和JVS液体速凝剂的混凝土进行冻融试验，试验结果如图4所示。可以看出:

1)随着冻融次数的增加，混凝土相对动弹性模量逐渐降低，质量损失逐渐增加。

2)掺加TK-S无碱液体速凝剂的混凝土相对动弹性模量均大于基准混凝土，质量损失小于基准混凝土;而掺加JVS碱性液体速凝剂的混凝土相对动弹性模量均小于基准混凝土，质量损失大于基准混凝土。

3)掺加 TK-S无碱液体速凝剂的混凝土在冻融300次后，相对动弹性模量为 94.3%，质量损失为0.82%;而掺加JVS碱性液体速凝剂的混凝土在冻融125次后，相对动弹性模量降低至57.5%，质量损失达到2.5%，出现冻融破坏。

图4 喷射混凝土冻融试验结果

由此可见，掺加 TK-S无碱液体速凝剂能够略微提高混凝土的抗冻性能，而掺加JVS碱性液体速凝剂大大降低了混凝土的抗冻性能。掺加无碱液体速凝剂的混凝土抗冻性能明显优于掺加碱性液体速凝剂的混凝土。

6 结论

1)掺加TK-S无碱液体速凝剂的喷射混凝土满足1 d抗压强度不低于10 MPa的要求，并且28 d抗压强度不损失，甚至有所提高。因此，TK-S无碱液体速凝剂对喷射混凝土抗压强度的提高明显优于JVS碱性液体速凝剂。

2)从本次试验结果来看，速凝剂可减小喷射混凝土收缩率，并且掺加TK-S无碱液体速凝剂的喷射混凝土收缩率小于掺加JVS碱性液体速凝剂的喷射混凝土收缩率。

3)掺加 TK-S无碱液体速凝剂的混凝土在冻融300次后，相对动弹性模量为 94.3%，质量损失为0.82%，掺加TK-S无碱液体速凝剂能够略微提高混凝土的抗冻性能;而掺加JVS碱性液体速凝剂则大大降低了混凝土的抗冻性能。

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Study on application of liquid accelerating agent in shotcrete of railway tunnels

YANG Fumin1，SUN Chengxiao2，QIU Peng1，ZHANG Wen1，HE Junli2，YAN Junjie2，LI Chen2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Beijing Tieke Shougang Track Technology Co.，Ltd.，Beijing 102206，China)

T he paper conducts experimental study on the compressive strength，volume stability and freezing resistance of the two shotcrete samples with different accelerating agents，aiming to unveil the influence of alkali-free liquid accelerating agent and alkaline liquid accelerating agent to the compressive strength and durability of shotcrete.T he results show that within a matter of 28 d alkali-free liquid accelerating agent largely improves the compressive strength of the sample，as the retention rate raises to 106.8%，while the other sample only displays a compressive strength of 57.5%.At the same time，it is noticed that the alkali-free sample falls behind the alkaline sample in terms of contraction rate at every stage of the experiment.T he alkali-free liquid accelerating agent elevates the freezing resistance of the shotcrete by a large margin，which manages to withstand 300 freeze-thaw cycles，while the other sample fails at cycle 125.

Alkali-free liquid accelerating agent;Shotcrete;Compressive strength;Durability

U214.1+8

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.22

(责任审编 周彦彦)

2015-01-12;

:2015-03-19

中国铁道科学研究院基金项目(2013YJ026)

杨富民(1976— )，男，黑龙江佳木斯人，副研究员，硕士。

1003-1995(2015)09-0074-04