鐵路隧道用高性能液體無堿速凝劑的研制及應(yīng)用

王家赫 謝永江 仲新華 李享濤 渠亞男

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

我國鐵路隧道普遍采用初期支護(hù)噴射混凝土與二次砌襯模筑混凝土相結(jié)合的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，二者在隧道施工和服役過程中均起到關(guān)鍵作用。初期支護(hù)噴射混凝土須在隧道鉆爆完成后盡快施工，以保證隧道圍巖穩(wěn)定，防止掉塊，確保施工人員和機械安全，同時噴射混凝土在隧道結(jié)構(gòu)服役期間將承受主要的外部荷載[1-2]。因此，保證隧道初期支護(hù)噴射混凝土的施工性能和長期性能安全可靠對實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定服役具有重要意義。

為實現(xiàn)噴射混凝土在到達(dá)受噴面時迅速凝結(jié)硬化并提供早期強度的目的，采用加入速凝劑的方式加速水泥水化進(jìn)程，縮短誘導(dǎo)期。在工程實踐中，速凝劑的使用實現(xiàn)了噴射混凝土的迅速凝結(jié)硬化，保證了隧道圍巖穩(wěn)定和施工安全[3-4]。但是，由于速凝劑的使用改變了混凝土中水泥水化產(chǎn)物的種類和形態(tài)，帶來了一些新問題。目前濕噴施工中常用的速凝劑以堿含量不同劃分為有堿速凝劑和無堿速凝劑2大類。有堿速凝劑主要成分為NaAlO2，使用后常常出現(xiàn)強度增長慢甚至倒縮、長期耐久性能差等問題，因此逐漸被性能更優(yōu)的無堿速凝劑所代替[5-6]。

目前我國液體無堿速凝劑的產(chǎn)品較多，但普遍存在穩(wěn)定性差、易分層、與水泥適應(yīng)性差等問題[7-8]。我國幅員遼闊，鐵路建設(shè)具有縱向延伸、條帶狀特征，隧道工程遍布各地，工程建設(shè)所采用的膠凝材料必然存在多點供應(yīng)情況，對液體無堿速凝劑的穩(wěn)定性和適應(yīng)性提出了更高要求。

在國內(nèi)外先進(jìn)無堿速凝劑生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所進(jìn)行了配方優(yōu)化和生產(chǎn)改進(jìn)，攻克了現(xiàn)有無堿速凝劑穩(wěn)定性差、水泥適應(yīng)性不足等關(guān)鍵難題，自主研發(fā)了高性能無堿速凝劑。該技術(shù)將為我國鐵路隧道高質(zhì)化建設(shè)提供支撐。

1 速凝劑堿含量對噴射混凝土力學(xué)性能的影響

為了研究速凝劑堿含量對噴射混凝土力學(xué)性能發(fā)展的影響，對摻加了有堿速凝劑和無堿速凝劑的噴射混凝土的抗壓強度和彈性模量隨齡期的演變進(jìn)行對比試驗。

1.1 材料性能

力學(xué)性能對比試驗所用有堿速凝劑產(chǎn)地為南京，無堿速凝劑為自主研發(fā)生產(chǎn)的高性能無堿速凝劑。2種速凝劑的基本性能指標(biāo)見表1。

表1 速凝劑基本性能指標(biāo)

根據(jù)GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》，對摻速凝劑凈漿凝結(jié)時間和砂漿強度進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2。使用的水泥為中國建筑材料研究總院生產(chǎn)的基準(zhǔn)水泥。

表2 摻速凝劑凈漿和砂漿的基本性能指標(biāo)

1.2 試件制備

噴射混凝土試件采用C40混凝土。水泥采用金隅P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用5～10 mm級配碎石，表觀密度為2 750 kg/m3，緊密堆積密度為1 900 kg/m3；減水劑采用河北三楷科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑。

為方便對比，制備了對照組、無堿組、有堿組3組混凝土試件，其中對照組未摻加速凝劑，無堿組和有堿組分別摻加7.0%的無堿速凝劑和有堿速凝劑。噴射混凝土的配合比見表3。其中速凝劑和減水劑摻量均為膠凝材料的質(zhì)量百分比，外加劑中水的用量均按比例從混凝土拌和水中扣除，以保證3組試件的用水量相同。

表3 C40噴射混凝土配合比

拌制混凝土?xí)r，將水泥和粗細(xì)骨料混合均勻，加入摻了減水劑的拌和水，在攪拌機中攪拌3 min。然后按照配合比要求加入相應(yīng)的速凝劑，攪拌20 s后，迅速將混凝土拌和物裝入模具中，并放置在振動臺上振動30 s?；炷猎嚰婧螅砻娓采w一層塑料膜以防止水分散失，養(yǎng)護(hù)1 d后拆模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)?？箟簭姸仍嚰?50 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，彈性模量試件為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試塊。

1.3 試驗結(jié)果及分析

為研究噴射混凝土力學(xué)性能的經(jīng)時演變規(guī)律，選取養(yǎng)護(hù)齡期為1，3，7，14，28，56 d的試件，分別測試其抗壓強度和彈性模量，結(jié)果見圖1。

圖1 速凝劑含堿量對噴射混凝土力學(xué)性能的影響

由圖1可知：

1）對于無堿速凝劑摻量為7.0%的噴射混凝土，各齡期抗壓強度和彈性模量均略高于無摻加速凝劑的噴射混凝土，56 d抗壓強度和彈性模量分別比對照組提高了11.0%和6.2%。這說明無堿速凝劑的使用對混凝土抗壓強度和彈性模量發(fā)展影響較小，甚至可以使其力學(xué)性能略有提高。

2）對于有堿速凝劑摻量為7.0%的噴射混凝土，早齡期抗壓強度和彈性模量均略高于對照組，1 d抗壓強度和彈性模量分別比對照組提高了14.2%和17.4%；養(yǎng)護(hù)后期，其抗壓強度和彈性模量均低于對照組，56 d抗壓強度和彈性模量分別比對照組降低了33.2%和6.2%。這說明有堿速凝劑對噴射混凝土后期力學(xué)性能的發(fā)展影響較大。

無堿和有堿速凝劑加入水泥漿體后生成的水化產(chǎn)物不同，是導(dǎo)致宏觀上力學(xué)性能差異的本質(zhì)原因。加入無堿速凝劑后，水泥漿迅速反應(yīng)生成大量棒狀的高硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）。該水化產(chǎn)物相互搭接，使混凝土失去流動性，但并未完全覆蓋水泥顆粒表面，對水泥水化影響較小[9-11]，且AFt相互搭接對混凝土力學(xué)性能有一定提升作用。因此，含無堿速凝劑的噴射混凝土抗壓強度和彈性模量在各齡期均高于對照組。加入有堿速凝劑后，水泥漿迅速水化生成水化鋁酸鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）等，該水化產(chǎn)物使水泥迅速凝結(jié)硬化并產(chǎn)生強度，但是將覆蓋于水泥顆粒表面，影響水泥顆粒進(jìn)一步水化。因此，含堿性速凝劑的噴射混凝土早齡期抗壓強度和彈性模量高于對照組，而長齡期低于對照組。

2 液體無堿速凝劑的穩(wěn)定性

液體無堿速凝劑的穩(wěn)定性在工程實踐中極為重要，均勻穩(wěn)定的液相材料是其凝結(jié)效果的重要保障。目前液體無堿速凝劑產(chǎn)品普遍存在穩(wěn)定性差、易分層等問題，主要是因為液體無堿速凝劑含固量較高，通常在50%以上[12-13]。采用溶解等手段加工完成的液體速凝劑放置一段時間后，其內(nèi)部飽和溶液容易出現(xiàn)結(jié)晶，形成沉淀物或上層清液，該現(xiàn)象在低溫環(huán)境下更為明顯。為改善傳統(tǒng)液體無堿速凝劑穩(wěn)定性差的問題，利用絡(luò)合反應(yīng)原理，改善液體速凝劑內(nèi)部粒子存在狀態(tài)，提高穩(wěn)定性。

2.1 穩(wěn)定性試驗

為對比研究不同液體無堿速凝劑的穩(wěn)定性及其隨時間的變化規(guī)律，選取產(chǎn)地分別為中國南京（NJ）、中國山西（SX）、丹麥（DM）的3種市售液體無堿速凝劑及自主研發(fā)（TJ）的高性能液體無堿速凝劑。

根據(jù)GB/T 35159—2017中速凝劑穩(wěn)定性測試方法，采用具塞量筒對不同液體無堿速凝劑在常溫及低溫下的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測。具體試驗方法為：分別在2支具塞量筒中裝入100 mL液體無堿速凝劑，蓋緊玻璃塞，分別放置于（20±2）℃和（-10±2）℃環(huán)境下靜置，每隔一定時間觀察并記錄具塞量筒中沉淀物或上清液的高度。

2.2 穩(wěn)定性試驗結(jié)果及分析

本文選取的4種無堿速凝劑均為溶液型，靜置后均表現(xiàn)為形成上層清液。不同環(huán)境溫度下各無堿速凝劑中上清液占體積百分比隨靜置時間的變化曲線見圖2。

圖2 液體無堿速凝劑穩(wěn)定性試驗結(jié)果

由圖2可知：

1）環(huán)境溫度為20℃時，3種市售液體無堿速凝劑的分層量隨時間遵循穩(wěn)定期、快速發(fā)展期、平穩(wěn)期3階段規(guī)律變化，而自主研發(fā)的液體無堿速凝劑在90 d齡期內(nèi)幾乎未產(chǎn)生分層。DM，NJ，SX無堿速凝劑開始出現(xiàn)分層的時間分別為第18，30，33天，第90天時上清液所占體積比分別為19.8%，16.6%，11.8%。

2）環(huán)境溫度為-10℃時，4種速凝劑的分層量隨時間的變化規(guī)律均遵循3階段模式。DM，NJ，SX，TJ無堿速凝劑開始出現(xiàn)分層的時間分別為第3，4，5，18天，第90天時上清液所占體積比分別為27.5%，24.9%，23.1%，4.7%?？梢?，低溫環(huán)境顯著了縮短液體無堿速凝劑的穩(wěn)定期，且使分層量有所增加。

2.3 無堿速凝劑分層對水泥凝結(jié)效果的影響

液體無堿速凝劑在運輸、儲存過程中的穩(wěn)定性對使用效果影響顯著。出現(xiàn)沉淀物或上層清液后，雖然有效成分未減少，但存在形式已由原來的離子狀態(tài)變?yōu)榻Y(jié)晶狀態(tài)，影響水泥砂漿的凝結(jié)效果。

為研究速凝劑的分層對混凝土凝結(jié)效果的影響，取常溫（20℃）條件下靜置90 d的4種液體無堿速凝劑，通過機械攪拌使其上層清液均勻分散。依據(jù)GB/T 35159—2017，測試摻上述處理后的速凝劑的凈漿凝結(jié)時間，并與摻未分層速凝劑的凈漿凝結(jié)時間進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。

表4 凝結(jié)時間測試結(jié)果

由表4可知：未出現(xiàn)過分層的4種無堿速凝劑摻入后，凈漿初凝和終凝時間均符合GB/T 35159—2017的要求；出現(xiàn)分層后又?jǐn)嚢杈鶆虻?種市售液體無堿速凝劑摻入后，凈漿初凝和終凝時間均顯著長于基準(zhǔn)值。可見，對于3種市售液體無堿速凝劑，雖然進(jìn)行了二次攪拌，其有效成分分布均勻，但促凝效果仍受到較大影響，難以滿足要求。自主研發(fā)的高性能無堿速凝劑在常溫條件下靜置90 d幾乎未出現(xiàn)分層，摻入后凈漿初凝和終凝時間變化不大，均滿足GB/T 35159—2017的要求。

3 液體無堿速凝劑與水泥的適應(yīng)性

液體無堿速凝劑與水泥的適應(yīng)性也是影響速凝劑應(yīng)用效果的重要因素。我國幅員遼闊，鐵路建設(shè)呈現(xiàn)一線多點特征，對速凝劑與沿線水泥的適應(yīng)性提出了更高要求。

以川藏鐵路為例，該線路西起林芝，東接雅安，新建正線長度為967.2 km，橋隧比高達(dá)92.5%，其中隧道總長度767.8 km。為驗證自主研發(fā)的高性能液體無堿速凝劑與川藏鐵路沿線水泥的適應(yīng)性，選擇沿線5家常用水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥進(jìn)行凝結(jié)效果試驗，結(jié)果見表5。試驗中，無堿速凝劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的7.0%。

表5 高性能液體無堿速凝劑與水泥的適應(yīng)性試驗結(jié)果

由表5可知，自主研發(fā)的高性能液體無堿速凝劑與川藏鐵路沿線各廠家生產(chǎn)的水泥適應(yīng)性良好。速凝劑摻量為7.0%時，各水泥凈漿的初凝和終凝時間均符合GB/T 35159—2017的要求。

4 工程應(yīng)用

自主研發(fā)的高性能液體無堿速凝劑已經(jīng)在川藏鐵路拉薩—林芝試驗段進(jìn)行了應(yīng)用。該試驗段為單線鐵路隧道，噴射混凝土噴射總厚度為30 cm。施工中采用西藏高爭水泥，無堿速凝劑摻量為膠凝材料總質(zhì)量的5.0%。采用湖南五新隧道智能裝備有限公司生產(chǎn)的CHP25B型濕噴機進(jìn)行噴射施工，如圖3所示。該試驗段噴射混凝土的性能指標(biāo)見表6。

圖3 噴射混凝土施工現(xiàn)場

表6 試驗段噴射混凝土性能指標(biāo)

由表6可知：自主研發(fā)的高性能液體無堿速凝劑與當(dāng)?shù)厮噙m應(yīng)性較好；噴射過程中回彈率較低，噴射成型面表觀質(zhì)量較好；噴射混凝土早齡期與長齡期抗壓強度高，抗?jié)B性好。

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)的液體無堿速凝劑穩(wěn)定性差、易分層、與水泥適應(yīng)性差等問題，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所自主研發(fā)了穩(wěn)定性高、適應(yīng)性好的高性能液體無堿速凝劑。本文通過對比試驗，研究了速凝劑堿含量對噴射混凝土力學(xué)性能的影響，并測試了高性能液體無堿速凝劑的穩(wěn)定性、與水泥的適應(yīng)性。結(jié)論如下：

1）與對照組相比，液體無堿速凝劑對噴射混凝土抗壓強度和彈性模量的發(fā)展影響較小，甚至可以使其力學(xué)性能略有提高；而相同摻量的有堿速凝劑顯著影響噴射混凝土抗壓強度和彈性模量的發(fā)展。

2）常溫下傳統(tǒng)的液體無堿速凝劑分層量隨靜置時間的發(fā)展呈現(xiàn)3階段模式，低溫條件下速凝劑穩(wěn)定期縮短，更容易產(chǎn)生分層現(xiàn)象。利用絡(luò)合反應(yīng)原理配制的高性能液體無堿速凝劑可以實現(xiàn)在常溫條件（20℃）下90 d齡期內(nèi)基本無分層，低溫條件（-10℃）下90 d齡期分層量小于5%。

3）無堿速凝劑出現(xiàn)分層后，僅通過簡單的機械攪拌使其內(nèi)部有效成分混合均勻無法恢復(fù)原有的促凝效果，凈漿凝結(jié)時間大幅延長。

4）自主研發(fā)的高性能液體無堿速凝劑與川藏鐵路沿線常用水泥適應(yīng)性良好，滿足GB/T 35159—2017對凝結(jié)時間的要求。該速凝劑使用后噴射混凝土回彈率顯著降低，早期和長期抗壓強度顯著提高，混凝土抗?jié)B性好。