纖維噴射混凝土硬化對隧道圍巖的支護作用

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 濟南 250013；2.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟南 250357；3.山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院，山東 濟南 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中，與錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架等組成聯(lián)合支護，形成初支結(jié)構(gòu)，對維護圍巖穩(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，采用噴射機通過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抗壓強度為10 MPa左右[1-3]。噴射混凝土的早期強度高，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堿2種：有堿液體速凝劑使混凝土后期強度損失嚴重，并對人體產(chǎn)生危害，目前使用量逐漸減少；無堿液體速凝劑對混凝土和人體無害，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堿液體速凝劑，并研究了不同組分對無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%時具有良好的促凝效果及砂漿強度比。關(guān)業(yè)程等[5]研究硫酸鋁類無堿液體速凝劑的促凝機理，發(fā)現(xiàn)速凝劑摻量越大，凝結(jié)時間越短，此類速凝劑對混凝土的28 d抗壓強度有一定影響，硫鋁酸鹽類速凝劑促進短時間內(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展，分析各類速凝劑的特性和機理，指出速凝劑發(fā)展中存在產(chǎn)品性能評價指標(biāo)不完善、使用有毒原料、促凝機理不確定等問題，并探討速凝劑發(fā)展趨勢。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堿液體速凝劑，與水泥的質(zhì)量比為6%時，能較好地滿足規(guī)范要求。劉瑋等[8]采用超細硫酸鋁、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)等問題[9-11]，需要研制新型速凝劑代替現(xiàn)有產(chǎn)品，加強噴層的支護作用。

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]研究玄武巖纖維對噴射混凝土性能的影響，并通過試驗確定了摻加3 kg/m3纖維對巷道支護具有良好的效果。羅洪林等[13]研究聚丙烯纖維長徑比對混凝土力學(xué)性能影響，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維直徑450 μm時可明顯提高基體的力學(xué)強度，合理的長徑比為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度，但纖維需均勻分散。部分學(xué)者研究噴射混凝土對圍巖的支護作用：張頂立等[15]提出隧道支護的本質(zhì)作用為調(diào)動和協(xié)助圍巖承載，并提出了隧道支護結(jié)構(gòu)體系協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法；張德華等[16]考慮噴射混凝土隨時間的硬化規(guī)律，對高應(yīng)力隧道初期支護進行三維仿真模擬，建立了適合于高應(yīng)力隧道的圍巖支護特征曲線。對于纖維噴射混凝土，現(xiàn)場應(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題。噴射混凝土層對圍巖的支護作用機理不明確，將制約隧道支護技術(shù)的發(fā)展。

本文研發(fā)一種新型無堿液體速凝劑，進行凝結(jié)時間試驗和砂漿強度試驗。在噴射混凝土中摻入聚丙烯粗纖維，并進行室內(nèi)力學(xué)試驗，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隧道圍巖的支護效果。

1 無堿液體速凝劑

無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)量分數(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)量分數(shù)大于18%，普通工業(yè)級硫酸鋁中Al2O3的質(zhì)量分數(shù)一般為15%～16%，在速凝劑溶液中的質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為5%～25%。二乙醇胺是一種表面活性劑，促進硫酸鋁和氫氧化鋁的溶解。三乙醇胺是一種早強劑，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)場噴射施工時，采用無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，初步得到無堿速凝劑母液；對無堿速凝劑母液進行復(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，過濾后得到新型液體速凝劑。經(jīng)測定，該無堿液體速凝劑質(zhì)量分數(shù)大于65%時溶液保持穩(wěn)定不結(jié)晶。

1.3 室內(nèi)試驗

采用符合文獻[17]的標(biāo)準(zhǔn)砂及混凝土外加劑檢驗專用基準(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[18]的要求，測定摻加無堿液體速凝劑的水泥凈漿凝結(jié)時間和水泥砂漿抗壓強度，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 摻加無堿液體速凝劑的水泥凈漿凝結(jié)時間和水泥砂漿抗壓強度

由表2可知：無堿液體速凝劑與水泥的質(zhì)量比為4%時，凝結(jié)時間無法滿足文獻[18]的標(biāo)準(zhǔn)要求；無堿液體速凝劑與水泥的質(zhì)量比為5%～8%時，凝結(jié)時間滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；無堿液體速凝劑與水泥的質(zhì)量比越大，促凝效果越好，養(yǎng)護時間為1 d的水泥砂漿抗壓強度越高。摻加無堿液體速凝劑的砂漿28 d抗壓強度比均大于1，說明水泥砂漿后期強度有一定程度的提高，這有利于發(fā)揮噴層的支護作用。考慮成本，實際使用時，根據(jù)現(xiàn)場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、成本高等問題。本文選擇聚丙烯粗纖維進行研究，該纖維在混凝土中易分散、易攪拌、耐腐蝕、強度高[19-22]。將聚丙烯粗纖維按不同摻入密度摻入混凝土進行力學(xué)性能試驗，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，提高噴層對圍巖的支護效果。

2.1 試驗材料

選用P.O.42.5硅酸鹽水泥、中粗砂(細度模數(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25 mm，呈波紋形，斷裂強度大于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 試驗方法

采用現(xiàn)場混凝土強度為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，測定混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗彎強度。

制作150 mm×150 mm×150 mm的立方體塊，按照文獻[23]要求進行試驗，采用型號為YAW-2000的全自動試驗機測量抗壓強度，加荷速度為0.5～0.8 MPa/s，測量劈裂抗拉強度的加荷速度為0.05～0.08 MPa/s。采用型號為WE-300B的電液式萬能試驗機進行四分點加載彎曲試驗，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 試驗結(jié)果及分析

保持混凝土的配合比不變，分別測定不同聚丙烯粗纖維密度混凝土的7、28 d的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗彎強度，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抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗彎強度

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

3.1 混凝土硬化規(guī)律曲線

在隧道支護中，噴射混凝土的早期抗壓強度影響較大。在養(yǎng)護前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C25噴射混凝土配合比，加入研制的無堿液體速凝劑，聚丙烯粗纖維摻入密度為4 kg/m3，進行噴射混凝土大板試驗，測得9個試塊8、12 h與1、3、7、28 d的單軸抗壓強度-時間回歸曲線、彈性模量-時間回歸曲線如圖1、2所示。

圖1 纖維噴射混凝土單軸抗壓強度-時間回歸曲線 圖2 纖維噴射混凝土彈性模量-時間回歸曲線

由圖1、2可知，摻入研制的無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度。由此得到聚丙烯粗纖維噴射混凝土回歸后的強度-時間曲線公式和彈性模量-時間曲線公式分別為：

{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作用。噴射混凝土的抗壓強度隨時間的延長而增大，并最終達到穩(wěn)定值，一般取28 d抗壓強度為最終結(jié)果。在模擬噴層對圍巖的支護時，往往忽略噴射混凝土的硬化過程，直接采用噴射混凝土的28 d抗壓強度進行模擬，造成模擬結(jié)果與實際數(shù)據(jù)有一定的差距。因此，數(shù)值分析時需考慮噴層的硬化過程規(guī)律，與不考慮硬化過程進行對比分析，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、考慮噴層硬化時纖維噴射混凝土層支護的圍巖塑性區(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，圍巖的塑性區(qū)范圍比不考慮噴層硬化時大，塑性區(qū)多分布在拱腳和邊墻附件；不考慮硬化時，塑性區(qū)主要分布在邊墻附件。噴射混凝土層在硬化過程中，圍巖同時收斂，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

通過數(shù)值模擬分析得到不考慮噴層硬化和考慮噴層硬化時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：不考慮噴層硬化時纖維噴射混凝土噴層的最大軸力為728 kN，考慮噴層硬化時噴層的最大軸力為554 kN。考慮噴層硬化時，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，減少支護結(jié)構(gòu)的受力。但應(yīng)加強支護結(jié)構(gòu)強度，否則可能擴大圍巖塑性區(qū)，增大圍巖位移，引起圍巖失穩(wěn)。

4 結(jié)論

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

2)對纖維噴射混凝土進行室內(nèi)抗壓強度試驗、劈裂抗拉強度試驗和抗彎強度試驗，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)值軟件計算模擬纖維噴射混凝土對圍巖的支護作用，可知：考慮噴層混凝土硬化時圍巖塑性區(qū)范圍比不考慮噴層硬化時大，這是因為噴層能起到讓壓卸載的作用，有利于圍巖所受應(yīng)力的釋放；考慮硬化時噴層軸力較小，說明噴層韌性較好，與圍巖協(xié)同變形，有利于支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

本文主要針對聚丙烯粗纖維噴射混凝土及其硬化對隧道圍巖的支護作用，隨著可用纖維類型的增多，還需進一步研究不同類型纖維噴射混凝土的性能試驗，對纖維的力學(xué)性能增強效果進行數(shù)值分析。對噴層與圍巖的相互作用機理僅考慮噴層隨時間的硬化規(guī)律，未全面反應(yīng)噴層的支護作用，還需從支護結(jié)構(gòu)與圍巖的接觸面等方面進行考慮，以便進一步明確支護與圍巖的相互作用。