王 恒

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

隧道修建过程中为防止新凿隧道面的掉块和坍塌，通常采用喷射混凝土稳定新建隧道界面，喷射混凝土凝结硬化时间短，喷射过程无须模板支撑即可达到成型效果，操作简便，而且加固效果良好。渗水是隧道喷射混凝土施工面临的主要难题，初喷混凝土在渗透作用下，某些组分损失严重、回弹率较高。基于喷射混凝土抗渗性能要求，国内外学者展开了研究与讨论：孙学志[1]提出混凝土浇筑过程中添加涂料可以将抗渗等级提高到P12；乔匡义[2]提出掺加纤维改性混凝土的抗渗等级；张俊儒[3]指出喷射混凝土易受地下水的影响；祝云华[4]提出钢纤维的掺加降低了C30 喷射混凝土的最大渗水深度和渗透系数。除抗渗性能外，回弹率也制约着喷射混凝土的推广应用。本研究立足于重庆轨道土建5标，旨在解决施工过程中因地下水丰富造成初支喷射混凝土回弹率较大的问题。

1 试验设计

1.1 原材料来源

水泥：华新水泥有限责任公司生产的P.O 42.5 低碱水泥；集料：粗细集料均由重庆市江津区杨家湾砂石厂提供，细集料细度模数2.5、含泥量0.8%，粗集料选用5～10 mm碎石，含泥量0.3%；减水剂、速凝剂：江苏苏博特材料股份有限公司提供；三乙醇胺：分析纯；胶粉：北京万吉建业建材有限公司提供的108浓缩胶粉型喷浆拉毛胶。

1.2 试验方法

1.2.1 拌合物性能测试

(1)喷射混凝土回弹率试验依据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086)。

(2)混凝土抗压强度测试依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/50081-2019)。

(3)混凝土电通量、抗渗等级、氯离子扩散系数测试依据《普通混凝土长期性和耐久性试验方法标准》(GB/50082-2019)。

1.2.2 喷射混凝土配比

依据设计要求，初支喷射混凝土设计强度等级为C25，回弹率≤15%，电通量≤1500 C，抗渗等级P10。三乙醇胺掺量超出水泥0.06%时，不利于混凝土后期强度发展，因此本研究选取三乙醇胺的掺量为0.03%和0.06%，胶粉掺量为1%、2%、3%。分析混凝土性能，具体配合比设计见表1。

2 结果与分析

2.1 回弹率分析

喷射混凝土回弹率是指搅拌均匀的混凝土喷射到围岩上时，不能及时凝结并与围岩固结成整体结构，致使部分混凝土掉落，掉落量与已喷射混凝土量的比值为回弹率。回弹率控制的关键是混凝土的凝结特性和粘结力特性。不同类型喷射混凝土的回弹率变化趋势如图1所示，从图中可以得出：①对比C-0、C-1、C-2不同三乙醇胺掺量回弹率变化趋势可知，C-1、C-2的回弹率分别为C-0回弹率的98.25%和94.26%，即随着三乙醇胺掺量的增加，喷射混凝土的回弹率随之降低。由此可以说明，喷射混凝土中适量三乙醇胺的掺加有利于降低混凝土的回弹率。②分析对比胶粉掺量为0、1%、2%、3%(配比为C-0、C-3、C-4、C-5)时喷射混凝土回弹率的变化值，C-3、C-4、C-5的回弹率分别为C-0回弹率的99.23%、96.79%、106.83%，即胶粉掺量在1%～3%时，喷射混凝土回弹率随着胶粉掺入增加，先降低后增加，因此控制胶粉的掺入量有利于控制喷射混凝土的回弹率。③分析三乙醇胺掺量0.03%下胶粉掺量1%、2%、3%(配合比为C-6、C-7、C-8)时回弹率的变化，回弹率分别为C-0时的96.03%、92.26%、98.32%，即回弹率呈现先减小后增大趋势。④当三乙醇胺掺量0.06%，胶粉掺量1%、2%、3% (C-9、C-10、C-11)时，回弹率分别为C-0回弹率的92.26%、88.92%、93.94%，其发展趋势与C-6、C-7、C-8等同，即先减小后增大。

表1 喷射混凝土配合比 kg/m3

图1 喷射混凝土回弹率发展

适量三乙醇胺的掺加，降低了喷射混凝土的回弹率，由此证实了喷射混凝土施工过程中掺加三乙醇胺提高了混凝土水化凝结性能或与新凿围岩面的粘结强度。究其主要原因[5]：三乙醇胺是一种弱碱性有机溶剂，常常作为助磨剂应用于水泥生产中，其自身具有较强的络合性促进水泥早期水化反应，因此适量三乙醇胺的掺加加快了喷射混凝土的水化凝结性能，回弹率因此降低。胶粉易溶于水且具有较强的分散性，对比C-3、C-4、C-5配合比，回弹率呈现先减后增趋势，即与新凿围岩面的粘结性能先增后减，掺量为2%时，回弹率最低，即此时的粘结力最大。究其主要原因：108浓缩型胶粉属于亲水性聚合物，掺入混凝土中与水泥悬浮液相共同向混凝土基体孔隙及毛细管内渗透，胶粉聚合物在孔隙及毛细管内成膜并吸附于基体表面，成膜的聚合物形成次级粘附复合体，以桥键和有孔聚合物膜的形式分布在混凝土与围岩基体之间吸收和传递能量，从而提高了与围岩基体间的粘结强度。三乙醇胺和胶粉双重组分掺量下回弹率值均低于单掺三乙醇胺和胶粉组分，对比C-6～C-11可知，回弹率最低配合比为C-10(三乙醇胺掺量0.06%、胶粉掺量2%)，即三乙醇胺和胶粉的相互作用、相互促进，提高水泥早期凝结硬化的同时增强混凝土与围岩基体间的粘结性能，最终降低喷射混凝土的回弹率。

2.2 力学性能分析

强度发展是衡量混凝土结构服役过程中耐久性的关键，依据设计要求，重庆轨道土建5标初支喷射混凝土强度等级为C25。不同配合比混凝土强度发展趋势如图2所示，分析可知：①同龄期下对比C-0、C-1、C-2不同三乙醇胺掺量强度发展趋势，抗压强度随着三乙醇胺掺量的增加而增加，龄期1～7 d强度的增长速率高于28～90 d速率，90 d时三者强度差别不大，即三乙醇胺的掺入有利于水泥早期水化。②对比C-0、C-3、C-4、C-5 相同龄期下不同胶粉掺量强度发展变化，随着胶粉掺入量的增大，强度呈递减趋势。龄期90 d时，相较于C-0，C-3、C-4、C-5强度分别为97.15%、95.74%、94.19%。③对比C-6、C-7、C-8 (三乙醇胺掺量为0.03%，胶粉掺量为1%、2%、3% )的混凝土抗压强度，同龄期下强度发展呈先增后减趋势，胶粉掺入量为2%时，强度发展达到最大值；龄期90 d时，C-6、C-7、C-8强度分别为C-0的100.29%、102.07%、98.22%。④对比三乙醇胺掺量为0.06%，胶粉掺量为1%、2%、3% 下(配合比C-9、C-10、C-11)强度发展，同龄期下强度发展亦呈先增后减趋势(等同C-6、C-7、C-8变化)，强度分别为C-0混凝土强度的102.18%、108.44%、99.41%；⑤C-6、C-7、C-8和 C-9、C-10、C-11 90 d强度较C-0的变化量均高于C-1、C-2和C-3、C-4、C-5，即双掺三乙醇胺、胶粉的混凝土强度变化趋势均高于单掺三乙醇胺和胶粉混凝土强度，证实双掺效果优于单掺效果。

图2 喷射混凝土强度发展

三乙醇胺掺入有利于水泥早期水化从而提高强度，其主要原因[5]：三乙醇胺作为一种弱碱性有机溶剂，其组成结构中 N 原子上未共用电子对，易与水泥水化浆体中Ca2+、K2+和Na2+形成共价键，生成络合物沉积在水泥颗粒表面，加速水泥中的 C3A 和 C4AF 快速溶解、加速其与石膏的反应速度，水泥水化早期强度主要取决于C3A水化性能，三乙醇胺的掺加增强了C3A溶解速率，因此混凝土早期强度得以提升。对比不同胶粉掺量下喷射混凝土强度发展规律，随着胶粉掺量的增加，强度呈下降趋势，主要原因：胶粉掺量的增加有利于增大水泥砂浆的流动度，具有极强的分散性[6]，有利于排开参与水泥水化的水分子，使参与水泥水化反应的有效水增多，一定程度上增大了水胶比；加之胶粉属于有机粉体，与混凝土之间的亲和力较弱，掺加后导致结构的疏松性增强，最终致使强度下降。双掺三乙醇胺与胶粉下强度均高于单掺组分，对比C-6～C-11可知，高强度配合比为C-10(三乙醇胺掺量0.06%、胶粉掺量2%)，三乙醇胺加快了C3A的溶解速度，同时胶粉的掺加为C3A进一步水化反应提供有效水，二者相互促进、发展，最终提高混凝土强度。

2.3 耐久性分析

综合喷射混凝土回弹率和强度发展趋势可得，双掺三乙醇胺和胶粉配比的性能均优于单掺三乙醇胺或胶粉，基于此耐久性分析讨论了未掺三乙醇胺和胶粉配合比(C-0)、三乙醇胺最佳掺量配合比(C-2)、胶粉最佳掺量组分(C-4)、三乙醇胺和胶粉最佳掺量配合比(C-10)四种配合比电通量值、氯离子扩散系数、抗渗等级发展趋势，具体结果见表2。C-0、C-2、C-4、C-10电通量值均低于1 500 C，满足设计要求，其发展规律为C-4>C-0>C-2>C-10，即其抗渗透能力C-4C-2>C-0>C-4，因此得出双掺性能优于单掺三乙醇胺性能、优于单掺胶粉性能。对比C-0、C-2、C-4、C-10配合比氯离子扩散系数发展归规律，氯离子扩散系数均低于7.0×10-12m2/s，符合设计要求，其发展趋势等同电通量变化趋势，即C-4>C-0>C-2>C-10，其抵抗氯离子扩散性能、断面微结构致密程度趋势发展均为C-10>C-2>C-0>C-4。依据设计要求，喷射混凝土的抗渗等级不低于P10，对比C-0、C-2、C-4、C1-0抗渗等级发展规律，C-4配合比已不满足于设计要求，C-10抗渗能力高于C-2、高于C-0，即双掺组分的抗渗性最优。

表2 电通量值、氯离子扩散系数、抗渗等级发展规律

3 工程应用

综合上述C-0～C-11配合比下喷射混凝土回弹率、力学性能以及耐久性能分析，得出C-10配合比为喷射混凝土的最佳配比。目前C-10配合比已应用于重庆轨道土建5标隧道初支加固结构，其早期回弹率及后期喷射混凝土耐久性均满足现场施工要求。