侯偉，張露晨，王子方，王鵬程，王修偉

1.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；3.山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100

0 引言

噴射混凝土廣泛應(yīng)用于鉆爆法施工的隧道圍巖支護(hù)中，與錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架等組成聯(lián)合支護(hù)，形成初支結(jié)構(gòu)，對(duì)維護(hù)圍巖穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。噴射混凝土是將水泥、砂子、石子、水和外加劑按照一定比例混合，采用噴射機(jī)通過(guò)高壓空氣噴射到圍巖表面，不需人工振搗，混凝土可快速凝結(jié)硬化，1 d抗壓強(qiáng)度為10 MPa左右[1-3]。噴射混凝土的早期強(qiáng)度高，可有效抑制開挖洞室的圍巖變形，發(fā)揮圍巖的自撐能力。速凝劑是噴射混凝土中最重要的外加劑，可提高混凝土的早期強(qiáng)度，并有效提高一次噴層的厚度。目前，液體速凝劑應(yīng)用較多，配合濕噴混凝土使用。速凝劑主要分為有堿和無(wú)堿2種：有堿液體速凝劑使混凝土后期強(qiáng)度損失嚴(yán)重，并對(duì)人體產(chǎn)生危害，目前使用量逐漸減少；無(wú)堿液體速凝劑對(duì)混凝土和人體無(wú)害，發(fā)展較為迅速。周博儒等[4]采用硫酸鋁、硫酸鎂、氟硅酸鎂、磷酸等材料合成了一種新型無(wú)堿液體速凝劑，并研究了不同組分對(duì)無(wú)堿液體速凝劑性能的影響，該速凝劑與水泥的最佳質(zhì)量比為4%時(shí)具有良好的促凝效果及砂漿強(qiáng)度比。關(guān)業(yè)程等[5]研究硫酸鋁類無(wú)堿液體速凝劑的促凝機(jī)理，發(fā)現(xiàn)速凝劑摻量越大，凝結(jié)時(shí)間越短，此類速凝劑對(duì)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度有一定影響，硫鋁酸鹽類速凝劑促進(jìn)短時(shí)間內(nèi)大量生成鈣礬石，并吸收水分，使水泥漿快速硬化。李悅等[6]總結(jié)噴射混凝土用速凝劑的研究進(jìn)展，分析各類速凝劑的特性和機(jī)理，指出速凝劑發(fā)展中存在產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)指標(biāo)不完善、使用有毒原料、促凝機(jī)理不確定等問(wèn)題，并探討速凝劑發(fā)展趨勢(shì)。仇影等[7]以納米活性氧化鋁和改性醇胺為主要材料制成了一種無(wú)堿液體速凝劑，與水泥的質(zhì)量比為6%時(shí)，能較好地滿足規(guī)范要求。劉瑋等[8]采用超細(xì)硫酸鋁、氟硅酸鎂、固體醇胺為主要原料，制備了一種干濕兩用型粉狀無(wú)堿速凝劑，該速凝劑溶解在水中可形成液體速凝劑，具有良好的水泥適應(yīng)性。目前市面上的無(wú)堿液體速凝劑仍存在摻量大、促凝效果不好、適應(yīng)性和穩(wěn)定性差、含有毒物質(zhì)等問(wèn)題[9-11]，需要研制新型速凝劑代替現(xiàn)有產(chǎn)品，加強(qiáng)噴層的支護(hù)作用。

在高地應(yīng)力、大變形等圍巖狀態(tài)下，普通噴射混凝土層易開裂、破碎，在混凝土中摻入纖維能有效提高其韌性。付玉軍等[12]研究玄武巖纖維對(duì)噴射混凝土性能的影響，并通過(guò)試驗(yàn)確定了摻加3 kg/m3纖維對(duì)巷道支護(hù)具有良好的效果。羅洪林等[13]研究聚丙烯纖維長(zhǎng)徑比對(duì)混凝土力學(xué)性能影響，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維直徑450 μm時(shí)可明顯提高基體的力學(xué)強(qiáng)度，合理的長(zhǎng)徑比為80～100。周紅芳[14]研究和探討高彈性模量聚乙烯醇合成纖維噴射混凝土的抗裂性能，高彈性模量PVA合成纖維可有效提高混凝土的抗裂強(qiáng)度，但纖維需均勻分散。部分學(xué)者研究噴射混凝土對(duì)圍巖的支護(hù)作用：張頂立等[15]提出隧道支護(hù)的本質(zhì)作用為調(diào)動(dòng)和協(xié)助圍巖承載，并提出了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；張德華等[16]考慮噴射混凝土隨時(shí)間的硬化規(guī)律，對(duì)高應(yīng)力隧道初期支護(hù)進(jìn)行三維仿真模擬，建立了適合于高應(yīng)力隧道的圍巖支護(hù)特征曲線。對(duì)于纖維噴射混凝土，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例較少，目前主要存在纖維不易分散，混凝土基體分布不均勻，纖維的增韌效果不明顯等問(wèn)題。噴射混凝土層對(duì)圍巖的支護(hù)作用機(jī)理不明確，將制約隧道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。

本文研發(fā)一種新型無(wú)堿液體速凝劑，進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)和砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)。在噴射混凝土中摻入聚丙烯粗纖維，并進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，尋找纖維的最佳摻量，以期提高噴射混凝土的抗韌性能?？紤]噴射混凝土隨時(shí)間的硬化規(guī)律，采用數(shù)值模擬法，研究纖維噴射混凝土層對(duì)隧道圍巖的支護(hù)效果。

1 無(wú)堿液體速凝劑

無(wú)堿液體速凝劑的主要成分為溶解度較低的硫酸鋁，速凝劑與水泥的質(zhì)量比一般為7%～12%。無(wú)堿液體速凝劑中鋁離子為主要促凝組分，提高鋁離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并保證溶液的穩(wěn)定性是配制速凝劑的主要目的。

1.1 主要材料

新型無(wú)堿液體速凝劑的主要材料包括硫酸鋁、活性氫氧化鋁、醇胺、酰胺和穩(wěn)定劑。

硫酸鋁選用聚合硫酸鋁，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于18%，普通工業(yè)級(jí)硫酸鋁中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為15%～16%，在速凝劑溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%。添加活性氫氧化鋁可提高溶液中鋁離子的含量，粉狀無(wú)定形氫氧化鋁比結(jié)晶氫氧化鋁的溶解性更好，在速凝劑溶液中氫氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～25%。二乙醇胺是一種表面活性劑，促進(jìn)硫酸鋁和氫氧化鋁的溶解。三乙醇胺是一種早強(qiáng)劑，與鋁離子形成易溶于水的絡(luò)合離子，降低鋁離子的聚合沉淀，起到穩(wěn)定劑的作用。聚丙烯酰胺是一種增稠劑，提高溶液的黏聚性，有利于減少噴射混凝土回彈。穩(wěn)定劑促使硫酸鋁和氫氧化鋁充分溶解，防止硫酸鋁析晶和鋁離子水解聚沉，提高溶液中鋁離子的質(zhì)量濃度。在現(xiàn)場(chǎng)噴射施工時(shí)，采用無(wú)堿液體速凝劑確保不產(chǎn)生混凝土坍落現(xiàn)象。

1.2 合成步驟

稱取一定量的水并加熱至60～70 ℃，分多次加入硫酸鋁和活性氫氧化鋁，并進(jìn)行高速剪切攪拌；再加入二乙醇胺和穩(wěn)定劑，溫度控制在70 ℃左右，攪拌90～150 min，初步得到無(wú)堿速凝劑母液；對(duì)無(wú)堿速凝劑母液進(jìn)行復(fù)配，加入三乙醇胺、聚丙烯酰胺，溫度控制在40～60 ℃，快速攪拌 60～90 min，過(guò)濾后得到新型液體速凝劑。經(jīng)測(cè)定，該無(wú)堿液體速凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于65%時(shí)溶液保持穩(wěn)定不結(jié)晶。

1.3 室內(nèi)試驗(yàn)

采用符合文獻(xiàn)[17]的標(biāo)準(zhǔn)砂及混凝土外加劑檢驗(yàn)專用基準(zhǔn)水泥，化學(xué)分析結(jié)果及礦物組成見表1。

表1 基準(zhǔn)水泥化學(xué)分析結(jié)果及礦物組成

速凝劑與水泥的質(zhì)量比為4%～8%，按照文獻(xiàn)[18]的要求，測(cè)定摻加無(wú)堿液體速凝劑的水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間和水泥砂漿抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 摻加無(wú)堿液體速凝劑的水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間和水泥砂漿抗壓強(qiáng)度

由表2可知：無(wú)堿液體速凝劑與水泥的質(zhì)量比為4%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間無(wú)法滿足文獻(xiàn)[18]的標(biāo)準(zhǔn)要求；無(wú)堿液體速凝劑與水泥的質(zhì)量比為5%～8%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；無(wú)堿液體速凝劑與水泥的質(zhì)量比越大，促凝效果越好，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度越高。摻加無(wú)堿液體速凝劑的砂漿28 d抗壓強(qiáng)度比均大于1，說(shuō)明水泥砂漿后期強(qiáng)度有一定程度的提高，這有利于發(fā)揮噴層的支護(hù)作用?？紤]成本，實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定速凝劑與水泥的質(zhì)量比一般為5%～7%。

2 纖維噴射混凝土的力學(xué)性能

為提高噴射混凝土的力學(xué)性能，在混凝土中加入纖維。目前噴射混凝土中主要采用的鋼纖維存在易銹蝕，在噴射混凝土層中分布不均勻等問(wèn)題。其他纖維如玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、玄武巖纖維等均存在不易分散、成本高等問(wèn)題。本文選擇聚丙烯粗纖維進(jìn)行研究，該纖維在混凝土中易分散、易攪拌、耐腐蝕、強(qiáng)度高[19-22]。將聚丙烯粗纖維按不同摻入密度摻入混凝土進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，確定纖維噴射混凝土的最佳配合比。在噴射混凝土中加入聚丙烯粗纖維和無(wú)堿液體速凝劑，配制聚丙烯纖維噴射混凝土，能有效抑制噴層開裂，提高噴層對(duì)圍巖的支護(hù)效果。

2.1 試驗(yàn)材料

選用P.O.42.5硅酸鹽水泥、中粗砂(細(xì)度模數(shù)大于2.5)、粒徑5～10 mm的碎石，外加劑采用聚羧酸類減水劑，與水泥的質(zhì)量比為0.8%，減水率為18%～25%。選用的聚丙烯粗纖維密度為0.91 g/cm3，長(zhǎng)25 mm，呈波紋形，斷裂強(qiáng)度大于560 MPa，彈性模量大于5 GPa，當(dāng)量直徑為0.8～1.2 mm，抗酸堿腐蝕。

2.2 試驗(yàn)方法

采用現(xiàn)場(chǎng)混凝土強(qiáng)度為C25的配合比，水泥、中粗砂、碎石、水的質(zhì)量比為460∶950∶920∶207?；炷练謩e摻入聚丙烯粗纖維2、3、4、5、6 kg/m3，測(cè)定混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。

制作150 mm×150 mm×150 mm的立方體塊，按照文獻(xiàn)[23]要求進(jìn)行試驗(yàn)，采用型號(hào)為YAW-2000的全自動(dòng)試驗(yàn)機(jī)測(cè)量抗壓強(qiáng)度，加荷速度為0.5～0.8 MPa/s，測(cè)量劈裂抗拉強(qiáng)度的加荷速度為0.05～0.08 MPa/s。采用型號(hào)為WE-300B的電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行四分點(diǎn)加載彎曲試驗(yàn)，試件選用150 mm×150 mm×600 mm的梁體，加荷速度為0.05～0.08 MPa/s。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

保持混凝土的配合比不變，分別測(cè)定不同聚丙烯粗纖維密度混凝土的7、28 d的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度，如表3所示。

表3 不同聚丙烯粗纖維摻入密度混凝土的7、28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度

由表3可知：聚丙烯粗纖維摻入密度為4 kg/m3時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，7、28 d混凝土的抗壓強(qiáng)度比未摻加聚丙烯粗纖維的混凝土分別提高了6.9%、6.1%，加入纖維對(duì)提高抗壓強(qiáng)度作用不明顯；聚丙烯粗纖維摻入密度分別為5、6 kg/m3時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降，這是因?yàn)槔w維過(guò)多破壞了混凝土的整體性。聚丙烯粗纖維摻入密度越大，混凝土的劈拉強(qiáng)度也越大；聚丙烯粗纖維摻入密度為6 kg/m3時(shí)，混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度比未摻加纖維時(shí)提高了44.4%；聚丙烯粗纖維摻入密度為4 kg/m3時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度提高不明顯。隨著聚丙烯粗纖維摻入密度的增大，混凝土的抗彎強(qiáng)度增大；聚丙烯粗纖維摻入密度為6 kg/m3時(shí)，混凝土28 d抗彎強(qiáng)度比不摻加聚丙烯粗纖維提高了69.2%。

因此，聚丙烯粗纖維摻入密度為4 kg/m3時(shí)，混凝土力學(xué)性能較好，且能控制成本。

3 考慮硬化的噴層支護(hù)作用

3.1 混凝土硬化規(guī)律曲線

在隧道支護(hù)中，噴射混凝土的早期抗壓強(qiáng)度影響較大。在養(yǎng)護(hù)前3 d內(nèi)，隧道的收斂變形發(fā)展變化較快，考慮噴射混凝土的硬化過(guò)程可較準(zhǔn)確地分析噴射混凝土與圍巖的相互作用關(guān)系[24-25]。

采用現(xiàn)場(chǎng)C25噴射混凝土配合比，加入研制的無(wú)堿液體速凝劑，聚丙烯粗纖維摻入密度為4 kg/m3，進(jìn)行噴射混凝土大板試驗(yàn)，測(cè)得9個(gè)試塊8、12 h與1、3、7、28 d的單軸抗壓強(qiáng)度-時(shí)間回歸曲線、彈性模量-時(shí)間回歸曲線如圖1、2所示。

圖1 纖維噴射混凝土單軸抗壓強(qiáng)度-時(shí)間回歸曲線 圖2 纖維噴射混凝土彈性模量-時(shí)間回歸曲線

由圖1、2可知，摻入研制的無(wú)堿液體速凝劑和聚丙烯粗纖維能有效提高噴射混凝土的強(qiáng)度。由此得到聚丙烯粗纖維噴射混凝土回歸后的強(qiáng)度-時(shí)間曲線公式和彈性模量-時(shí)間曲線公式分別為：

{FC(t)}=31.2(1-0.27e-0.18{t}-0.77e-0.01{t})，

(1)

{E(t)}=25.4(1-0.39e-0.127{t}-0.46e-0.013{t})，

(2)

式中t為時(shí)間。

3.2 數(shù)值分析

采用通用離散單元程序法(universal distinct element code，UDEC)數(shù)值模擬軟件模擬聚丙烯粗纖維噴射混凝土的支護(hù)作用。噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，并最終達(dá)到穩(wěn)定值，一般取28 d抗壓強(qiáng)度為最終結(jié)果。在模擬噴層對(duì)圍巖的支護(hù)時(shí)，往往忽略噴射混凝土的硬化過(guò)程，直接采用噴射混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行模擬，造成模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)有一定的差距。因此，數(shù)值分析時(shí)需考慮噴層的硬化過(guò)程規(guī)律，與不考慮硬化過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，引入式(1)(2)，得到模擬結(jié)果。

3.2.1 圍巖塑性區(qū)

通過(guò)數(shù)值模擬分析，分別得到不考慮噴層硬化、考慮噴層硬化時(shí)纖維噴射混凝土層支護(hù)的圍巖塑性區(qū)范圍，如圖3所示。

a)不考慮噴層硬化 b)考慮噴層硬化圖3 圍巖塑性區(qū)范圍

由圖3可知：考慮噴層硬化時(shí)，圍巖的塑性區(qū)范圍比不考慮噴層硬化時(shí)大，塑性區(qū)多分布在拱腳和邊墻附件；不考慮硬化時(shí)，塑性區(qū)主要分布在邊墻附件。噴射混凝土層在硬化過(guò)程中，圍巖同時(shí)收斂，二者協(xié)同變形，噴射混凝土層起到了讓壓卸載的作用，有利于圍巖的應(yīng)力釋放。

3.2.2 噴層軸力

通過(guò)數(shù)值模擬分析得到不考慮噴層硬化和考慮噴層硬化時(shí)的纖維噴射混凝土層的軸力，見圖4。

a)不考慮噴層硬化 b)考慮噴層硬化圖4 纖維噴射混凝土層的軸力

由圖4可知：不考慮噴層硬化時(shí)纖維噴射混凝土噴層的最大軸力為728 kN，考慮噴層硬化時(shí)噴層的最大軸力為554 kN?？紤]噴層硬化時(shí)，噴層與圍巖共同變形，纖維混凝土噴層具有良好的韌性，圍巖壓力得到有效釋放，作用于噴層上的應(yīng)力相應(yīng)減小，有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

在隧道開挖初期，考慮噴射混凝土硬化有利于噴層與圍巖產(chǎn)生協(xié)同變形，起到讓壓卸載的作用，減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力。但應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，否則可能擴(kuò)大圍巖塑性區(qū)，增大圍巖位移，引起圍巖失穩(wěn)。

4 結(jié)論

1)研制一種無(wú)堿液體速凝劑，與水泥的最佳質(zhì)量比為5%～7%，初凝時(shí)間約為3 min，終凝時(shí)間約為5 min，水泥砂漿后期抗壓和抗彎強(qiáng)度有所提高，該液體速凝劑有較好的穩(wěn)定性和水泥適應(yīng)性。

2)對(duì)纖維噴射混凝土進(jìn)行室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，可知在混凝土中摻加聚丙烯粗纖維的摻入密度為4 kg/m3效果最佳。

3)采用離散單元程序法數(shù)值軟件計(jì)算模擬纖維噴射混凝土對(duì)圍巖的支護(hù)作用，可知：考慮噴層混凝土硬化時(shí)圍巖塑性區(qū)范圍比不考慮噴層硬化時(shí)大，這是因?yàn)閲妼幽芷鸬阶寜盒遁d的作用，有利于圍巖所受應(yīng)力的釋放；考慮硬化時(shí)噴層軸力較小，說(shuō)明噴層韌性較好，與圍巖協(xié)同變形，有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

本文主要針對(duì)聚丙烯粗纖維噴射混凝土及其硬化對(duì)隧道圍巖的支護(hù)作用，隨著可用纖維類型的增多，還需進(jìn)一步研究不同類型纖維噴射混凝土的性能試驗(yàn)，對(duì)纖維的力學(xué)性能增強(qiáng)效果進(jìn)行數(shù)值分析。對(duì)噴層與圍巖的相互作用機(jī)理僅考慮噴層隨時(shí)間的硬化規(guī)律，未全面反應(yīng)噴層的支護(hù)作用，還需從支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的接觸面等方面進(jìn)行考慮，以便進(jìn)一步明確支護(hù)與圍巖的相互作用。