喷射混凝土配合优化设计

陈永华 （中铁四局试验检测与测量分公司，安徽 合肥 230023）

0 前言

隧道初期支护喷射混凝土，由于施工技术较落后，施工过程中受人为因素影响较大，一般情况下，隧道初期支护喷射混凝土配合比设计均较保守。目前，粉煤灰在普通混凝土和砂浆中应用已较广泛，但在喷射混凝土支护中，应用粉煤灰部分代替水泥尚少有试验研究。本文通过室内配合比优化设计验证和现场隧道导洞初支试喷，对粉煤灰喷射混凝土配合比在现场施工中的试用进行总结分析，得出粉煤灰喷射混凝土的可行性，对今后铁路隧道初期支护喷射混凝土施工具有一定的指导意义。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料检测指标

水泥：石门海螺，P·042.5，比表面积328m/kg，初凝时间175min，终凝时间240 min，3d抗折强度 5.8MPa，抗压强度 25.6MPa；28d 抗折强度 8.2MPa，抗压强度48.1MPa，安定性合格，其他检测指标见表1。

表1 水泥性能检测指标

粉煤灰：石门华电，F类II级灰，细度15.4%，需水量比 101%，烧失量 6.8%，其他检测指标见表2。

表2 粉煤灰性能检测指标

碎石：盛鑫碎石场，5～10mm碎石，连续级配，针片状2%，含泥量0.3%，压碎值9.1%，泥块含量0.1%，其他检测指标见表3。

表3 碎石性能检测指标

砂：森华建材有限公司河砂，Ⅱ区中砂，细度模数 2.9，含泥量 0.7%，泥块含量0.3%，其他检测指标见表4。

表4 砂性能检测指标

减水剂：安徽中铁工程材料有限公司，聚羧酸系高性能减水剂(缓凝型)RAWY101型（推荐掺量1.0%），减水率28%，含气量 2.8%。1d 抗压强度比178%，3d抗压强度比165%，7d抗压强度比155%，28d抗压强度比146%，其他检测指标见表5。

表5 减水剂性能检测指标

速凝剂：运城市泓翔，HX-1型（推荐掺量6%），初凝时间4min:15sec，终凝时间 9min:20sec，1d 抗压强度 11.2 MPa，28d抗压强度比89%,其他检测指标见表6。

表6 速凝剂性能检测指标

水：河水，PH值7.90，28d抗压强度比99%其他检测指标见表7。

表7 水性能检测指标

1.2 喷射混凝土配合比优化设计

以项目所用混凝土配合比为基准，保持水胶比不变，按照速凝剂递减1%掺量，矿物掺合料递增10%的掺量进行混凝土配合比试配。

现场隧道实际施工采用湿喷法，其基准配合比为水泥：细集料：粗集料：减水剂：速凝剂：水=470:860:900:4.7:28.2:175（kg/m），通过采用掺入粉煤灰和调整速凝剂掺量对配合比进行优化，优化后混凝土配合比见表8～表10，强度见图1～图3。

表8 喷射混凝土掺10%粉煤灰配合比

图1 粉煤灰掺量为10%混凝土强度

图2 粉煤灰掺量为20%混凝土强度

图3 粉煤灰掺量为30%混凝土强度

分析表8、图1可以看出，通过对喷射混凝土进行掺入10%的粉煤灰、并适当降低速凝剂掺量，速凝剂掺量在4%～6%时各龄期强度满足设计要求。

分析表9、图2可以看出，通过对喷射混凝土进行掺入20%的粉煤灰、并适当降低速凝剂掺量，速凝剂掺量在4%～6%时各龄期强度满足设计要求。

表9 喷射混凝土掺20%粉煤灰配合比

分析表10、图3可以看出，通过对喷射混凝土进行掺入30%的粉煤灰、并适当降低速凝剂掺量，喷射混凝土的1d抗压强度在4.2～8.0MPa，低于设计强度10MPa要求，28d以上龄期能满足设计要求。

表10 喷射混凝土掺30%粉煤灰配合比

2 现场试喷

2.1 试喷方案

在前期试验的基础上，通过对拱顶、边墙和仰拱喷射混凝土采用掺入粉煤灰和适当降低速凝剂掺量的方式，测得喷射混凝土的回弹量及强度，对各部位的混凝土进行取芯验证。保持在用喷射混凝土配合比不变正常施工情况下，分别测边墙和拱顶的回弹量和强度。

优化后混凝土配合比的实施。拱顶：保持速凝剂掺量不变，掺入10%的粉煤灰；边墙：采用掺入10%粉煤灰降低2%速凝剂掺量。仰拱：采用掺入20%粉煤灰降低1%速凝剂掺量。

2.2 试喷实施

现场采用湿喷法施工，隧道导洞初支混凝土强度等级为C25，其现场所使用混凝土配合比为水泥：砂：石：外加剂：速凝剂：水=470:860:900:4.7:28.2:175（kg/m）。

采用优化配合比对拱顶、边墙和仰拱进行试喷（试喷方案见表11），并检测其回弹量（见表12）和强度（见图4）。

表11 喷射混凝土试喷方案

表12 喷射混凝土回弹量检测结果

图4 喷射混凝土强度检测结果

从表12可以看出，拱顶喷射混凝土回弹量21.2%满足拱部回弹量不应大于25%的要求；边墙喷射混凝土的回弹量：8.8%满足墙部回弹量不应大于15%的要求。

通过图4分析得出，对拱顶混凝土在保持速凝剂掺量不变情况下掺入10%的粉煤灰，边墙混凝土掺入10%粉煤灰降低2%速凝剂掺量，仰拱混凝土掺入20%粉煤灰降低1%速凝剂掺量，其大板试件强度和取芯的芯样抗压强度均能满足设计要求。

3 结论

①隧道初支喷射混凝土施工，可对喷射混凝土配合比进行优化设计，在拱顶处添加10%粉煤灰掺量，边墙仰拱处适当添加10%～20%粉煤灰、并降低速凝剂推荐掺量的2%～1%。

②隧道初支喷射混凝土配合比优化，可根据不同部位，采用掺一定比例的粉煤灰、调整速凝剂掺量的方式进行。通过室内试验和现场试喷，各部位采用的喷射混凝土工作性能、回弹量、各龄期力学性能均满足要求。

③喷射混凝土配合比优化设计是为提高隧道初支混凝土配合比设计技术及施工的精细化管理，以达到控制工程质量及有效控制工程成本的目的。通过本试验研究，粉煤灰喷射混凝土的配合比施工具有一定可行性。