液体速凝剂在铁路隧道喷射混凝土中的应用研究_杨富民

表 1 速凝剂性能指标
速凝剂 名称
TK-Sபைடு நூலகம்JVS
凝结时间
强度
碱含量 /
% 初凝时间 / 终凝时间 / 1 d 强度 / 28 d 抗压
min
min
MPa
强度比 /%
0. 05
1. 92
3. 12
7. 3
112
3. 09
4. 63
9. 37
7. 7
77
收稿日期： 2015-01-12； 修回日期： 2015-03-19 基金项目： 中国铁道科学研究院基金项目（ 2013YJ026） 作者简介： 杨富民（ 1976— ） ，男，黑龙江佳木斯人，副研究员，硕士。
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 28 d 抗压强度，保有率达到 106. 8% ，而掺加碱性液体速凝剂的混凝土 28 d 抗压强度比仅为 57. 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 300 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 125 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： U214. 1 + 8 文献标识码： A DOI： 10． 3969 / j． issn． 1003-1995． 2015． 09． 22
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 TK600A 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 1 所示。
试。各组喷射混凝土抗压强度与龄期的关系如图 2 所示。
2015 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
77
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，2002（ 9） ： 36-37．
［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，2009，33 （ 4） ： 1822．
组别 基准组 TK-S
JVS
水泥 438 438 438
粉煤灰 49 49 49
表 2 C25 喷射混凝土配合比
细骨料
粗骨料
水
1 035
551
190
1 035
551
190
1 035
551
190
减水剂 3. 89 3. 89 3. 89
防腐剂 26. 3 26. 3 26. 3
kg / m3 速凝剂
38. 9 29. 2
喷射混凝土抗压强度低于基准混凝土。 由此可见，掺加 TK-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 10 MPa 的要求，并且 28 d 抗压强度不损失，甚至有所提高。因此，TK-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 JVS 碱性液体速凝剂。 5. 2 体积稳定性试验
September，2015
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： JVS ＞ TK-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 ＞ JVS ＞ TK-S。 3） 在整个试验过程中，掺加 JVS 碱性液体速凝剂 的喷射混凝土收缩率均大于掺加 TK-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 TKS 和 JVS 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 TK-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 JVS 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 TK-S 无碱液体速凝剂的混凝土在 冻 融 300 次 后，相 对 动 弹 性 模 量 为 94. 3% ，质 量 损 失 为 0. 82% ； 而掺加 JVS 碱性液体速凝剂的混凝土在冻融 125 次后，相对动弹性模量降低至 57. 5% ，质量损失达
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 20 种液体速凝剂进行 匀质性检测，速凝剂总碱含量均在 10% ～ 20% ，pH 值 接近 14，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。
3 试验设计
选取 TK-S 无碱液体速凝剂和 JVS 碱性液体速凝
2015 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
75
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 C25，混凝土配合比如表 2 所示。
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 TK-S 无碱液体速凝剂的喷射混 凝土收缩率小于掺加 JVS 碱性液体速凝剂的喷射混凝 土收缩率。
3） 掺加 TK-S 无碱液体速凝剂的混凝土在 冻 融 300 次 后，相 对 动 弹 性 模 量 为 94. 3% ，质 量 损 失 为 0. 82% ，掺加 TK-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 JVS 碱性液体速凝剂则大大降 低了混凝土的抗冻性能。
铁道建筑
74
Ｒailway Engineering
September，2015
文章编号： 1003-1995（ 2015） 09-0074-04
液体速凝剂在铁路隧道喷射混凝土中的应用研究
杨富民1 ，孙成晓2 ，仇 鹏1 ，张 雯1 ，何军利2 ，闫俊洁2 ，李 晨2
（ 1． 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081； 2． 北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 102206）
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 （ 《 European Specification for Sprayed Concrete Guidelines》） 对速凝剂的定义，Na2 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。
混凝土体积稳定性试验采用 100 mm × 100 mm × 515 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 100 mm × 100 mm × 400 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。
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。
1 工程背景
壁板坡隧道为沪昆客专第一长隧道，全长14 756 m， 最大埋深 735 m，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。
图 2 各组喷射混凝土抗压强度与龄期关系
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 100 mm × 100 mm ×
100 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》（ GB / T 50081） 关于抗压强度试验的 规定。 4. 3 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
76
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 1，3，7，14，28，56 和 90 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。
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，12 h，1 d，3 d，
7 d，28 d，56 d 和 90 d 共 8 个养护龄期的抗压强度测
从图 2 可以看出： 1） 相同条件下，TK-S 无碱液体速凝剂对混凝土抗 压强度的增加效果优于 JVS 碱性液体速凝剂。 2） 掺加 TK-S 无碱液体速凝剂的喷射混凝土 1 d 抗压强度为 10. 5 MPa； 28 d 抗压强度为 39. 0 MPa，为 基准混凝土抗压强度的 106. 8% 。而掺加 JVS 碱性液 体速凝剂的喷射混凝土 1 d 抗压强度为 9. 5 MPa； 28 d 抗压强度为 21. 0 MPa，仅为基准混凝土的 57. 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 TK-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 JVS 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 JVS 碱性液体速凝剂的
［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，2008，32（ 1） ： 1-6．
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 TK-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 JVS 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 TK-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 10 MPa 的要求，并且 28 d 抗压强 度不损失，甚至有所提高。因此，TK-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 JVS 碱性液 体速凝剂。
2 原材料
水泥为云 南 远 东 P． O 42. 5 水 泥，比 表 面 积 344 m2 / kg，28 d 抗压强度 51. 3 MPa； 粉煤灰为Ⅱ级粉煤 灰，需水量比 100% ，烧失量 4. 23% ； 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 19% ； 粗骨料为 5 ～ 10 mm 单粒级配碎石，含泥量 0. 7% ，石粉含量 5. 6% ，表观密度2 670 kg / m3 ； 水为普 通自来水，符合《混凝土拌合用水标准》（ JGJ 63—89） 要求； 减水剂为聚羧 酸 减 水 剂，减 水 率 26% ，含 气 量 2. 9% ； 速凝剂分两种： ①TK-S 无碱液体速凝剂，②JVS 碱性液体速凝剂。两种速凝剂性能指标如表 1 所示。