液体速凝剂在铁路隧道喷射混凝土中的应用研究.pdf

7 4 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 0 7 4 0 4 液体速凝剂在铁 路隧道喷射 混凝 土 中的应用研究 杨富民 ， 孙成晓 ， 仇 鹏 ， 张 雯 ， 何军ft 0 ， 闫俊洁 ， 李 晨 ( 1 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 1 ； 2 北京铁科首钢轨道技术股份有 限公 司， 北京 1 0 2 2 0 6 ) 摘 要 ： 为研 究无碱 液体 速凝 剂和碱 性 液体 速凝 剂对 喷射 混凝 土抗 压强度 和 耐久性 能 的影响 ， 对掺 加 两种 速 凝 剂的喷射 混 凝土试 件进 行 了抗 压强度 、 体 积稳 定性 和快 速 冻融试验 。试 验 结果表 明 ： 掺 加 无碱 液体 速凝剂可大幅度提 高喷射混凝土 2 8 d抗压强度， 保有率达到 1 0 6 8 ， 而掺加碱性液体速凝剂的混凝土 2 8 d抗 压 强度 比仅 为 5 7 5 ； 掺 加 无碱 液体速 凝 剂的喷 射 混凝 土试件在 各龄 期 的 收缩 率 均 小 于掺 加碱 性 液体 速凝 剂 的混凝 土试件 ； 掺 加 无碱 液 体速 凝剂 可有 效提 高喷射 混 凝土 的抗 冻性 能 ， 混 凝土试 件 经受 3 0 0次冻 融循环 未破 坏 ， 而掺加 碱性 液体 速凝 剂 的混凝 土试 件在 进行 冻融 循环 1 2 5次时 已完全破 坏 。 关键词 ： 无碱 液 体速凝 剂 喷射 混凝 土 抗压 强度 耐久性 能 中图 分类号 ： U 2 1 4 1 8文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 0 9 2 2 速 凝 剂是一 种 能促进 混凝 土迅 速凝 结硬化 的外 加 剂 ， 是 喷射 混凝 土重 要 的组 成 材料 。近 年来 ， 无 碱 速凝 剂成为速凝剂研究的新方 向。根据欧洲喷射混凝土规 范 ( E u r o p e a n S p e c i f i c a t i o n f o r S p r a y e d C o n c r e t e G u i d e l i n e s ) ) 对速凝剂 的定义 ， N a O含量不超过 1 的 速凝剂为无碱速凝剂 ， 其余为碱性速凝剂 。掺加无碱 速凝 剂 的喷射 混凝 土 具 有后 期 抗 压 强 度保 有 率高 、 耐 久性 好 和安全 环保 等 优 势 ， 在 国外 隧道 工 程 中得 到 了 广泛应用 。而我国现行标 准 喷射混凝土用速凝剂 并未给出无碱速凝剂的明确定义及性能要求 ， 因此 ， 国 内无碱速凝剂应用案例较少 。 目前 ， 我 国铁路隧道喷射混凝土用液体速凝剂多 以铝酸盐、 硅酸盐类碱性速凝剂 为主。中国铁道科学 研究院选取 目前施工 中使用的 2 0种液体速凝剂进行 匀质性检测 ， 速凝剂总碱含量均在 1 0 一 2 0 ， p H值 接近 1 4， 属强碱性 。该类速凝 剂具有掺量小 、 凝结 时 间快 等优点 ， 但 是在 水 泥 水 化过 程 中引 入 了 大 量碱 性 物质 ， 导致混凝土后期强度损失严 重， 耐久性下 降， 且 对施 工人 员 的眼 睛和皮 肤有腐 蚀 性伤 害 。 针对上述问题 ， 采用无碱液体 速凝剂与碱性液体 速凝剂进行同条件对 比试验， 研究 两种液体速凝剂对 喷射混凝土抗压强度 、 体积稳定性及抗冻性能 的影响 规律 ， 为无碱速凝剂在高速铁路隧道初期支护 的推广 应 用提 供依 据 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - O l - 1 2 ； 修 回日期 ： 2 0 1 5 - 0 3 1 9 基金项 目： 中国铁道科学研究院基金项 目( 2 0 1 3 Y J 0 2 6) 作者简介 ： 杨富 民( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 黑龙江佳木斯人 ， 副研究员 ， 硕士。 1 工程背景 壁板坡 隧道为 沪昆客专第一 长隧道 ， 全 长 1 4 7 5 6 m， 最大 埋深 7 3 5 I n ， 为低 瓦 斯 隧道 。沿 线地 形 起 伏 大 ， 地 层繁多 ， 岩性繁杂 ， 断裂构造发育 ， 可溶岩地层分布广 泛 。主要 不 良地 质 和 特 殊地 质有 ： 滑坡 、 崩 塌 、 危 岩 落 石 、 岩堆 、 高地 震烈 度 、 高地应 力 、 软土 等 。 2 原 材 料 水 泥 为 云 南 远 东 P 0 4 2 5水 泥 ， 比表 面 积 3 4 4 m。 k g，2 8 d抗 压 强 度 5 1 3 MP a ； 粉 煤 灰 为 级 粉 煤 灰 ， 需水 量 比 1 0 0 ， 烧失 量 4 2 3 ； 细 骨料 为 机制 砂 ， 石粉含量 6 5 ， 细度模数 3 4， 泥块含量 0 2 ， 压碎 指标 1 9 ； 粗骨料为 51 0 m m单粒级配碎石 ， 含泥量 0 7 ， 石粉 含量 5 6 ， 表 观密 度 2 6 7 0 k g m ； 水 为普 通 自来水 ， 符合 混凝土拌合用水标准( J G J 6 3 8 9 ) 要求 ； 减水 剂 为 聚羧 酸 减 水 剂 ， 减 水 率 2 6 ， 含 气 量 2 9 ； 速凝剂分两种 ： T K S无碱液体速凝剂 ， J V S 碱性 液体 速凝 剂 。两种 速凝 剂性 能指 标如表 1 所 示 。 表 1速 凝 剂 性 能指 标 速凝剂 名称 碱 量 m i n m i n MP a 强度 r E 3试验设计 选取 T K S无碱液体速凝剂和 J V S碱性液体速凝 2 0 1 5年第 9期 杨富 民等 ： 液体速凝剂在铁路隧道喷射混凝 土中的应 用研究 7 5 剂两 种 速凝 剂 ， 进 行 同条件 对 比试 验 ， 并 选取 了基 准混 凝 土作 为对 照 ， 研 究 两 种速 凝 剂 对 喷 射 混 凝 土抗 压强 度 、 体积稳定性和抗冻性能的影响规律。喷射混凝土 强度等级为 C 2 5 ， 混凝土配合 比如表 2所示。 表 2 C 2 5喷射 混凝土配合比 k g m 4试验 方法 4 1 试 件成 型方 法 试件 制 备采 用喷 板 法 ， 喷射 设 备 采 用 中铁 岩 峰成 都科技有限公司生产的 T K 6 0 0 A型湿喷机 ， 喷射 工艺 采用湿喷， 成型后的混凝土试件经一段养护时间后进行 切磨处理， 具体方法依据 锚杆喷射混凝土支护技术规 范 。成型的喷射混凝土板及测试试件如图 l 所示。 ( a ) 喷射混凝土板 ( b ) 测试试件 图 1 喷射混凝土板及测试试件 4 2抗压 强度试 验 混 凝 土抗 压 强 度 试 验 采 用 1 0 0 mm 1 0 0 mm X 1 0 0 mm的标准试件 ， 测试方法依据 普通混凝土力学 性能试验 方法( G B T 5 0 0 8 1 ) 关于抗压 强度试 验 的 规 定 。 4 3 体 积 稳定 性试 验 昆 凝土体积稳定性试验采用 1 0 0 m m1 0 0 mm X 5 1 5 mm标准试件 ， 测试方法依据 普通混凝土长期性 能和耐久性能试验方法 关于干缩试验的规定 。 4 4抗冻 性 能试验 混 凝 土抗 冻 性 能 试 验 采 用 1 0 0 mm 1 0 0 l ltl m 4 0 0 mm标准试件 ， 试验方法依据 普通混凝土长期性 能和耐久性能试验方法 关于快冻法的规定 。 5试 验结果及分析 5 1抗压 强度 试验 分别对喷射混凝土试件进行 3 h ， 1 2 h ， 1 d ， 3 d ， 7 d ， 2 8 d ， 5 6 d和 9 0 d共 8个 养 护 龄期 的抗 压强 度 测 试。各组喷射混 凝土抗压 强度 与龄期 的关 系如图 2 所示 。 图 2 各组喷射混凝土抗压强度与龄期关 系 从 图 2可 以看 出 ： 1 ) 相 同条件下 ， T K S无碱液体速凝剂对混凝土抗 压强度的增加效果优于 J V S碱性液体速凝剂 。 2 ) 掺加 T K S无碱液体速凝剂的喷射混凝土 1 d 抗 压强 度为 l 0 5 MP a ； 2 8 d抗 压 强 度为 3 9 0 MP a ， 为 基 准混 凝土 抗压 强度 的 1 0 6 8 。 而掺 加 J V S碱 性 液 体速凝剂的喷射混凝土 1 d抗压强度为 9 5 MP a ； 2 8 d 抗 压 强度 为 2 1 0 MP a ， 仅 为 基 准混 凝 土 的 5 7 5 ， 后 期 强度 损失 严重 。 3 ) 随着养护龄期的增长 ， 3组混凝土抗压强度均 有不同程度增长 ， 掺加 T K S无碱液体速凝 剂的喷射 混 凝 土抗 压 强 度 高 于 基 准 混 凝 土 ， 并 有 增 长 的 趋 势 。 基准混凝土和掺加 J V S碱性液体速凝剂的喷射混凝土 抗压强度趋于稳定 ， 并且掺加 J V S碱性液体速凝剂 的 喷射混凝土抗压强度低于基准混凝土。 由此可见 ， 掺 加 T K S无碱液体速凝 剂的喷射混 凝 土满 足 1 d抗 压 强 度 不 低 于 1 0 MP a的要 求 ， 并 且 2 8 d 抗 压强 度 不 损 失 ， 甚 至有 所 提 高 。 因此 ， T K S无 碱液体速凝剂对喷射混凝土抗压强度的提高明显优于 J V S碱性液体速凝剂 。 5 2 体 积 稳定 性试 验 由于 干燥 收缩 引起 的开裂 是 混凝 土材 料最 常见 的 病害之一 ， 混凝土开裂会加速有害物质的侵入 ， 加速钢 筋锈蚀 ， 最终导致混凝 土结构破坏。喷射混凝土 由于 7 6 铁道建筑 砂率高 、 骨料粒径小 、 胶凝材料用量大 ， 再加上掺加速 凝剂 ， 其收缩尤为严重。混凝土体积稳定性通常用试 件轴向相对长度的变化率来表征 。分别对喷射混凝土 试 件进 行 1 ， 3 ， 7 ， 1 4， 2 8 ， 5 6和 9 0 d共 7个养 护 龄 期 的 收缩率测试 。体积稳定性试验结果如图 3所示。 龄期， d 图 3 各组喷射混凝土收缩率与龄期 的关系 从 图 3可 以看 出 ： 1 ) 在混凝 土养护早期 ( 3 d ) ， 掺加 速凝 剂的喷射 混凝土收缩率均大于基准混凝土， 这是 由于加入速凝 剂后 ， 加速水泥水化反应速率 ， 引起 化学 收缩率增大 ， 此时 ， 收缩 率 ： J V ST K - S基 准混 凝土 。 2 ) 随着养护龄期 的延长 ， 基准混凝土收缩率逐渐 增大 ， 超过掺加速凝剂的两组混凝土收缩率 ， 此时 ， 收 缩率 ： 基准 混凝 土 J V S T K - S 。 3 ) 在整个试验过程 中， 掺加 J V S碱性液体速凝剂 的喷射混凝土收缩率均大于掺加 T K - S无碱液体 速凝 剂喷射混凝土 。 从本次试验结果来看 ， 速凝剂可减小喷射混凝土 收缩率 ， 并且掺加无碱液体速凝剂的喷射混凝土收缩 率小于掺加碱性液体速凝剂 的喷射混凝土 。 5 3 抗 冻性 能试验 混凝土抗 冻性 能是混凝土 耐久性的一项重 要指 标。本试验采用快速冻融法对基准混凝土及掺加 T K s和 j v s液体速凝剂 的混凝土进行冻融试验， 试验结 果 如 图 4所示 。可 以看 出 ： 1 ) 随着冻融次数 的增加 ， 混凝土相对动弹性模量 逐 渐 降低 ， 质量 损失 逐渐 增加 。 2 ) 掺加 T K - S无碱液体速凝剂的混凝土相对动弹 性 模量 均 大于基 准混 凝 土 ， 质量 损 失小 于基 准混凝 土 ； 而掺加 J V S碱性液体速凝剂的混凝土相对动弹性模量 均小于基准混凝土 ， 质量损失大于基准混凝土。 3 ) 掺 加 T K - S无 碱 液 体 速 凝 剂 的 混 凝 土 在 冻 融 3 0 0次 后 ， 相 对 动 弹 性 模 量 为 9 4 3 ， 质 量 损 失 为 0 8 2 ； 而掺加 J V S碱性液体速凝剂的混凝 土在冻融 1 2 5次后 ， 相对动弹性模量降低至 5 7 5 ， 质量损失达 删 勰i 被 擦 靛 霹 O 2 5 5 0 7 5 1 0 0 1 2 5 1 5 0 l 7 5 2 0 0 2 2 5 2 5 0 2 7 5 3 0 0 冻融循环次数 ( a ) 相对动弹性模量与冻融循环次数的关系 2 5 5 0 7 5 1 0 0 1 2 5 1 5 0 1 7 5 2 0 0 2 2 5 2 5 0 2 7 5 3 0 0 冻融循环次数 ( b ) 质量损失与冻融循环次数的关系 图4 喷射 混凝 土冻融试 验结 果 到 2 5 ， 出现冻融破坏。 由此可见 ， 掺加 T K S无碱 液体速凝剂 能够略微 提高 混凝 土 的抗 冻性 能 ， 而 掺 加 J V S碱性 液 体 速 凝 剂 大大降低了混凝土的抗冻性能 。掺加无碱液体速凝剂 的混 凝土 抗冻性 能 明显优 于掺 加碱 性液 体速凝 剂 的混 凝 土 。 6 结论 1 ) 掺加 T K S无碱液体速凝剂 的喷射混凝土满足 1 d抗压强度不低于 1 0 M P a的要求 ， 并且 2 8 d抗压强 度不损失 ， 甚 至有所提高。因此 ， T K S无碱液体速凝 剂对喷射混凝土抗压强度的提高明显优于 j v s碱性液 体 速凝 剂 。 2 ) 从本 次试 验结 果 来看 ， 速 凝 剂 可减 小 喷 射 混凝 土收缩率 ， 并且掺加 T K S无碱液体速凝剂 的喷射混 凝土收缩率小于掺加 J V S碱性液体速凝剂的喷射混凝 土收缩率。 3 ) 掺加 T K S无碱液体 速凝剂 的混凝 土在冻融 3 0 0次 后 ， 相 对 动 弹 性 模 量 为 9 4 3 ， 质 量 损 失 为 0 8 2 ， 掺 加 T K- S无 碱液体 速凝 剂能 够 略微提 高 混凝 土的抗冻性能； 而掺加 J V S碱性液体速凝剂则大大降 低了混凝土的抗冻性能。 3 2 2 1 1 O 录 辑蛐峰 一 _ 0 _l ) 、 *婚) ； II 2 0 1 5年第 9期 杨富 民等 ： 液体速凝剂在铁路隧道喷射混凝 土中的应 用研究 7 7 参 考 文 献 1 钱大行 ， 姚杨森 ， 曹金武 ， 等 速凝 剂对喷 射混凝 土性 能影 响的研究 J 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 9 ) ： 3 6 3 7 2 李洪泉 ， 杨成 永 ， 陆景慧 干缩和徐变对隧道喷射混凝 土支 护安全 的影 响 J 北 京 交 通大 学学 报 ， 2 0 0 9 ， 3 3 ( 4 ) ： 1 8 2 2 3 徐明新 ， 杨成 永 ， 张强 施工期隧道喷混凝土支护安 全性评 价 J 北京交通大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 1 ) ： 1 6 4 陈文耀 ， 李文伟 湿 喷混 凝土速凝 剂选择 及配 合 比设计 方 法探讨 J 水利水 电技术 ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 3 3 3 6 5 姚保新 特长 隧道 耐 久性 混凝 土配 合 比设 计 及施 工控 制 J 铁道建 筑 ， 2 0 1 4 ( 1 ) ： 1 2 1 1 2 4 6 李学峰 无碱速凝 剂在 喷射 混凝 土中的推广应用 J 四川 水利水 电， 2 0 1 0 ( 2 9 ) ： 3 7 - 4 1 7 郭永福 隧道穿越崩塌 高风 险高陡边 坡的稳定 性分析 J 铁 道建筑 ， 2 0 1 4 ( 5 ) ： 7 9 8 1 8 梁敏 隧道二衬 脱空原 因分 析及防 治 J 铁道 建筑 ， 2 0 1 4 ( 6)： 9 5 9 7 9 张述雄 ， 王栋 民， 张力 冉 ， 等 一种 新型无 碱液态 速凝剂 的 研 究 J ， 硅 酸盐通报 ， 2 0 1 4， 3 3 ( 1 1 ) ： 2 9 4 6 2 9 5 1 1 0 李 奎 ， 赵东平 ， 路 军富 深埋隧道素混凝土衬砌可靠 度计算 模 型研究 J 铁 道建筑 ， 2 0 1 4 ( 7 ) ： 3 8 4 2 S t u d y o n a p pl i c a t i o n o f l i q u i d a c c e l e r a t i n g a g e n t i n s h o t c r e t e o f r a i l wa y t u n n e l s Y AN G F u m i n ， S U N C h e n g x i a o ， Q I U P e n g ， Z H A N G We n ， H E J u n l i ， Y A N J u n j i e ， L I C h e n ( 1 R a i l w a y E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a A c a d e m y o f R a i l w a y S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ； 2 B e ij i n g T i e k e S h o u g a n g T r a c k T e c h n o l o g y C o ， L t d ， B e ij i n g 1 0 2 2 0 6， C h i n a ) Abs t r a c t ： The pa pe r c o nd uc t s e xp e r i m e nt a l s t u dy o n t h e c omp r e s s i v e s tre n g th ， v o l ume s t a b i l i t y a nd f r e e z i ng r e s i s t a n c e o f t he t wo s ho t c r e t e s a mpl e s wi t h d i ffe r e nt a c c e l e r a t i ng a g e n ， a i m ing t o u nv e i l t he i nf l ue nc e o f a l ka l i - f r e e l i q ui d a c c e l e r a t i n g a g e n t a n d alk a l i n e l i q u i d a c c e l e r a ti n g a g e n t t o the c o mp r e s s i v e s tre n g t h a n d d u r a b i l i ty o f s h o t c r e t e Th e r e s u l s h ow t ha t wi t hin a ma t t e r of 2 8 d a l k a l i f r e e li q ui d a c c e l e r a t i ng a g e nt l a r g e l y im p r o v e s t he c o m p r e s s i ve s t r e ng t h of the s amp l e， a s the r e t e nti on r a t e r a i s e s t o 1 06 8 ， whi l e the othe r s a mpl e o nl y d i s p l a ys a c o mpr e s s i ve s tre n g t h o f 5 7 5 At the 8 a l l l C t i me i t i s n o ti c e d t h a t the a l k ali - f r e e s a mp l e f a i l s b e h ind the a lka l i n e s a mp l e i n t e r ms o f c on tra c ti o n r a t e a t e ve r y s t a g e o f th e e xp e r im e nt The a l k a l i - fre e l i q ui d a c c e l e r a t i ng a g e n t e l e va t e s the f r e e z ing r e s i s t a nc e o f th e s hot c r e t e b y a l a r g e ma r g i n， whi c h m a na g e s t o wi ths t a nd 3 0 0 f r e e z e tha w c yc l e s ， whil e th e o th e r s a m p l e f a i l s a t c y c l e 1 2 5 Ke y wo r d s ： Alka l i - f r e e l i q u i d a c c e l e r a t i n g a g e n t ； S h o t c r e t e ； Co mp r e s s i v e s t r e n g t h； Du r a b i l i ty ( 责任 审编 周彦彦) 作者投稿请使用在线投稿系统， 网址h t t p ： w w w t d j z o r g 。本 刊 自2 0 1 5年 1月 1日起一般不再受理邮箱投 稿 。如遇网络或系统故 障， 作者可继续通过 电子信箱 t d j z b j b 1 2 6 c o m或 t d j z r a i l s c n投稿 ， 并 电话通知编 辑 部 。 铁道建筑 编辑部