王 涛

(中铁十二局集团第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

随着我国高速铁路的快速发展，所建隧道具有截面大、多隧道、长隧道以及地质条件复杂的特点，再加上运营列车速度快，隧道病害会严重影响隧道运营的安全性，产生巨大的安全隐患。而衬砌顶部脱空是隧道常见的病害，其影响范围广、破坏力度大，对其进行有效预防和及时处理非常必要。国内外很多学者对衬砌隐蔽脱空的形成机理、破坏形式和危害性以及治理方法等进行了大量研究与实践[1－2]，取得了较好成效。而隧道二衬带模注浆是解决隧道二次衬砌拱顶脱空病害的重要措施[3]，结合注浆材料用减水剂与膨胀剂的种类及掺量对注浆材料性能的影响规律，提出减水剂与膨胀剂的选择建议；彭磊等[4]针对OPC-SAC胶凝材料体系，采用功能外加剂酒石酸、碳酸锂、塑性膨胀剂、消泡剂和保水增稠剂制备出了微膨胀高流动性高强、早强充填砂浆；李冬明[5]针对现有衬砌混凝土浇筑技术的不足，采用隧道衬砌拱顶带模板注浆施工方法，利用衬砌模板台车作为作业平台，有效提高了施工效率，降低了注浆成本，同时注入膨微胀、高流动性混凝土砂浆，减少了衬砌混凝土浇筑后开裂、脱空和脱落等风险。吕彪[6]通过对拱顶带模注浆新材料的相容性和结合性研究表明，微膨胀砂浆和结合体的抗压、抗折强度均高于原有衬砌混凝土强度，用于拱顶脱空注浆具有一定抗开裂作用，混凝土结合体能够替代混凝土。这些研究对解决隧道二次衬砌隐蔽脱空病害治理起到了关键作用，但是从混凝土结构的整体匀质性和成本控制角度来考虑，还存在带模注浆材料超强、成本较高和合理膨胀率的调控问题。本研究结合李宪军等[7]提出的在有约束状态下灌浆材料提供塑性膨胀源和硬化过程中的限制膨胀源理念，通过活性粉末材料与自膨胀协同技术来解决上述问题。

2 试验方案

2.1 试验原材料

水泥采用太原狮头水泥厂生产的P.O42.5水泥(代号为C)，阳泉特种水泥厂生产的42.5级硫铝酸盐水泥(代号为L)，太原二电厂副产品脱硫石膏(代号为G)，陕西某硅铁厂副产品微硅粉(代号为W)，怀仁电厂生产的超细粉煤灰，比表面积为1 200 m2/kg(代号为F)，太钢生产的S95矿粉(代号为K)。由山西山大合盛新材料股份有限公司提供的工业级氢氧化铝(代号为Q)、塑性膨胀剂(代号为S)、聚羧酸高性能减水剂(代号为J)、硼砂(代号为H1)、葡萄糖酸钠(代号为H2)、黏度为40 000 mpas的羟丙基甲基纤维素醚(代号为M)和非离子型消泡剂(代号为X)，粒径50目～90目的忻州石英砂。水泥和活性粉末的化学成分如表1所示。

表1 水泥和活性粉末的化学成分

2.2 试验方法

参照《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448—2015)、《预应力孔道灌浆剂》(GB/T 25182—2010)和《混凝土膨胀剂》(GB 23439—2017)进行测试，采用日本 S-4800型扫描电镜进行微观结构分析。

2.3 配方设计

带模注浆工艺的关键技术在于注浆的饱满度、浆体的高流动性以及浆体与衬砌和拱顶的整体粘接效果。要想实现注浆体与衬砌和拱顶的整体性，首先要考虑注浆体与衬砌混凝土的结合度，再就是考虑注浆体与拱顶之间的饱满度。基于上述条件，在设计注浆材料配方过程中要考虑其流动性、塑性膨胀、限制膨胀和强度等综合性能的协调性。活性粉末的引入首先要解决注浆材料在注浆过程中和注浆后塑化过程浆体的稳定性[8－9]，同时考虑与膨胀源的协同效应和调节强度降低成本等因素，微硅粉和超细粉煤灰每吨分别取代P.O42.5水泥30 kg和44 kg，水料比控制在0.13～0.15左右，本设计采用0.14。具体配方设计如表2所示。

表2 每吨掺活性粉末带模注浆材料的配方设计

3 试验结果与分析

通过12组配方的优化设计，分别对单掺、复掺活性粉末带模注浆材料的流动性、塑性膨胀、限制膨胀以及不同龄期的强度进行研究分析，以得出经济合理的带模注浆材料配方，来解决衬砌顶部脱空等安全隐患问题。

3.1 活性粉末对流动性的影响

带模注浆材料的流动性及流动性经时损失调控是关键，同时还要考虑注浆材料在失去流动性之前浆体的稳定性。如果稳定性差造成细骨料沉淀或分离，将起不到应有的作用，所以该体系中必须有足够的微胶体颗粒、合适黏度及流动性，才能满足带模注浆的目的。不同活性粉末对带模注浆材料流动性的影响如图1所示。

图1 不同活性粉末对流动性的影响

由图1可以看出，无论单掺还是复掺，超细粉煤灰配制的带模注浆材料初始流动度和90 min流动度均优于微硅粉。随着矿粉取代P.O42.5水泥量的增大，其初始流动度和90 min流动度均表现出增大的趋势，当矿粉的取代量达到60 kg时，与微硅粉复合的带模注浆材料浆体90 min稳定性较好，而与超细粉煤灰复合的带模注浆材料浆体90 min出现轻微泌水和细骨料有下沉现象出现，当矿粉的取代量为50 kg时，两者浆体稳定性均表现良好。这主要是由于微硅粉的比表面积大，保水增稠效果好，在体系中产生的微胶体颗粒多，可以保证体系的稳定性，同时也表现为流动度比超细粉煤灰小一些；而超细粉煤灰表现出流动度较大，主要是因为在粉磨过程中又释放出较多的微珠，以及比表面积远小于微硅粉的缘故；矿粉的引入对流动度起到增大作用，原因是其保水增稠效果相对前两者差得多，同时也改善了体系中粉体颗粒的粒径分布，综合因素表现为对体系的流动性有增大作用。

3.2 活性粉末对膨胀性的影响

带模注浆材料体系在失去塑性前的塑性膨胀源，可以进一步提高注浆材料的饱满性，同时还可能改善注浆体自身的孔结构，以提高其耐久性；而后期的限制膨胀可以进一步提高注浆体与衬砌混凝土和拱顶的结合度，同时也具有提高体系耐久性的作用。通过双膨胀源技术及活性粉末二次水化的补强填充等多因素叠加，最终实现带模注浆体系能很好解决隧道病害。不同活性粉末对带模注浆材料膨胀性的影响如图2和图3所示。

图2 不同活性粉末对竖向膨胀率的影响

图3 不同活性粉末对限制膨胀率的影响

由图2和图3可以看出，无论是微硅粉还是超细粉煤灰体系，随着矿粉取代P.O42.5水泥用量的增加，不同龄期的竖向膨胀率和限制膨胀率均表现出先增大后降低的趋势，而且拐点均出现在取代40 kg普硅水泥左右，这充分说明微硅粉和超细粉煤灰分别与矿粉复合，均对带模注浆材料体系的膨胀有一定的协同促进作用，其原因可能与矿粉提供了钙源，促进了钙矾石的生成，以及活性粉末的二次水化交互叠加了膨胀效应有关。对竖向膨胀率而言，无论是3 h还是24 h与3 h差值，总体对塑性膨胀贡献较大的是超细粉煤灰体系，而水中养护7 d和再转空气中养护21 d(总龄期28 d)两个龄期的限制膨胀率除矿粉取代量拐点40 kg外，总体对限制膨胀贡献较大的是微硅粉体系。究其原因可能是在塑性膨胀期内，超细粉煤灰体系由于自身的特点，其氧化物组分较多，可能对塑性膨胀剂有一定的促进作用，或者也与提供了钙源有一定关系，当矿粉掺量为0 kg时超细粉煤灰体系高于微硅粉体系可以初步得到验证；对限制膨胀率贡献较大的是微硅粉体系的原因，可能是在有约束的条件下，微硅粉颗粒更小，对体系的填充更致密，所表现出的限制膨胀膨胀率要大一些，而超细粉煤灰颗粒远大于微硅粉颗粒，同时由于掺量大一些收缩也可能要大一些，抵消了一部分膨胀应力。矿粉对微硅粉、超细粉煤灰体系在带模注浆材料中所表现的协同膨胀作用均较为明显，在适当的掺量范围内，既可以协同膨胀，又可以降低生产成本。

3.3 活性粉末对强度的影响

从带模注浆材料与衬砌混凝土结构的整体匀质性和成本控制角度来考虑，目前带模注浆材料超强、成本较高也是急需解决的问题，并不是说带模注浆材料的强度越高越好。因此，通过活性粉末改善带模注浆材料工作性和协同膨胀的同时，更要关注混凝土结构的整体均质性。不同活性粉末对带模注浆材料膨胀性影响如图4和图5所示。

图4 不同活性粉末对抗折强度的影响

图5 不同活性粉末对抗压强度的影响

由图4和图5可以看出，微硅粉体系的总体增强效果优于超细粉煤灰体系，无论是微硅粉还是超细粉煤灰体系，随着矿粉取代P.O42.5水泥用量的增加，不同龄期的抗折强度和抗压强度均表现出先增大后降低的趋势，其拐点均出现在矿粉取代30 kg水泥左右，说明微硅粉和超细粉煤灰分别与矿粉复合，在合适掺量下，对带模注浆材料体系有一定的协同增强作用。其中微硅粉体系1 d/28 d抗折强度最大提高0.6 MPa/1.7 MPa，抗压强度提高5.1 MPa/9.6 MPa；超细粉煤灰体系1 d/28 d抗折强度最大提高0.7 MPa/2.0 MPa，抗压强度提高5.6 MPa/8.5 MPa。

通过对单掺、复掺活性粉末带模注浆材料的流动性、塑性膨胀、限制膨胀以及不同龄期强度的研究分析，并结合综合性能评价，得出微硅粉体系和超细粉煤灰体系中，采用矿粉取代40 kg普硅水泥时，综合性能最佳，对应的配方编号为微硅粉体系4号和超细粉煤灰体系10号配方。在实际应用过程中，调节强度等级的方法建议用Ⅰ级粉煤灰继续取代P.O42.5水泥或调整胶砂比，但是每吨注浆材料砂的用量控制在400～500 kg，粒径要控制在100目以下，以保证浆体的稳定性。

3.4 活性粉末微观效应分析

试件标养28 d进行强度试验后，从试件中部取出部分样品，用无水乙醇浸泡终止水化，然后在带鼓风装置的烘箱中烘干喷金，放入SEM扫描电镜进行观察其硬化后的形貌。其中微硅粉体系的1号样与4号样比对，超细粉煤灰体系的7号样与10号样比对。SEM扫描电镜图如图6和图7所示。

图6 微硅粉体系SEM微观形貌

图7 超细粉煤灰体系SEM微观形貌

由图6和图7可以看出，微硅粉体系1号样中未掺矿粉与复掺矿粉4号样SEM比较，一些细针状AFt晶体较不掺矿粉样更加致密，部分晶体得到了更好的发育，还有新生成的更细小的AFt长针状晶体和少量凝胶，而且针状AFt晶体互相交错搭接，形成类似空间三维网状结构，这些纤维状的晶体中可能还伴随着石膏晶须，较低的孔隙率促使晶体相互搭接抵抗变形能力的提高，从而起到体系增强、增密的作用。这与对硫铝酸盐－铝酸盐－石膏三元复合体系[10－11]中加入矿物掺合料的SEM微观形貌非常类似，也就可以说明AFt长针状晶体出现是与活性粉末的加入有关。超细粉煤灰体系7号样中未掺矿粉与复掺矿粉10号样SEM比较，未掺矿粉7号样中生成的针状AFt晶体生长较稀疏，无序交叉分布，可见凝胶较微硅粉体系明显，而掺矿粉10号样与微硅粉体系4号样相似，但是从针状AFt晶体互相交错搭接的方式来看，更加无序，但是空间三维网状结构更加分布均匀。这从微硅粉体系1号样和超细粉煤灰体系7号样的晶体生长分布情况可以很好的理解，而矿粉的引入恰好丰富了或促进了AFt晶体更好的生长，最终形成致密的水泥石结构[12]。而且通过SEM微观结构反观体系的膨胀性，也就能很好地解释活性粉末协同自膨胀的原因了。

4 结论与建议

(1)采用微硅粉和超细粉煤灰体系配制带模注浆材料，从浆体流动性和稳定性来考虑，矿粉取代量应不大于50 kg，取代40 kg时膨胀效果最好，从强度考虑取代30 kg协同作用更明显。

(2)SEM微观形貌进一步验证了复掺活性粉末优于单掺，其协同作用更加明显，复掺4号样和10号样的微观结构更加致密。

(3)在实际使用过程中要重点考虑带模注浆材料的流动性与稳定性之间的平衡，调节强度建议用Ⅰ级粉煤灰继续取代P.O42.5水泥或调整胶砂比，但是每吨注浆材料砂的用量控制在400～500 kg，粒径要控制在100目以下，以保证浆体的稳定性。