超细改性硅微粉（ST粉）在隧道喷射混凝土中的运用

超细改性硅微粉（ST粉）在隧道喷射混凝土中的运用

叶浓华

中铁七局集团第四工程有限公司    湖北武汉  430074

摘要：在高速公路隧道施工过程中，一直以来隧道喷射混凝土超耗严重，其中因喷射混凝土施工时回弹造成的超耗占比达到20-25%。本文依托勐绿高速公路工程项目，通过对喷射混凝土中掺加矿物外掺ST粉进行应用研究，从施工配合比设计、工艺性试验、经济效益到施工质量、进度、环水保及职业健康等方面进行试验分析总结，并在实践中推广运用，有效的降低了喷射混凝土施工的回弹损失。

关键词：ST粉；隧道喷射混凝土；运用；降低回弹损失

1、工程概况

勐绿高速公路起于云南省西双版纳傣族自治州勐腊县，经普洱市江城县，止于红河州绿春县城，是云南省高速公路网的重要组成部分。主路线全长214.15公里，双向四车道，设计行车速度80公里/小时。由我单位承建的倮德隧道设计为左、右线分离式隧道，左线长1930米，右线长1825米，属长隧道，为我项目重点控制性工程。隧道围岩等级分别为Ⅳ级和Ⅴ级，地质主要以粉质黏土、泥岩、泥质粉砂岩为主，围岩松散破碎，富水性强，泥岩遇水易软化。倮德隧道采用进出口对向掘进，前期施工时喷射混凝土回弹量大，洞内粉尘大，初支表面渗水严重，初支强度上升较慢。为降低隧道喷射混凝土的回弹损失，提高初支质量，加快施工进度，本项目部特采用一种新型混凝土矿物掺合料——超细改性硅微粉（ST粉）。

2、超细改性硅微粉（ST粉）简介

超细改性硅微粉（简称ST粉）是攀枝花锐歌新材料科技有限公司依托攀枝花当地独特资源优势，甄选含活性SiO2、CaO、Al2O3及TiO2等元素多种原材料，生产而成的一种新型硅钛复合混凝土矿物掺合料。SiO2含量85%以上、TiO2含量5%以上，3d活性指数大于75%，28d活性指数大于95%，粒径1250目～6000目，比表面积≥1200m2/kg，需水比≤105%。较普通的硅灰产品，该产品具有以下优势：①粒径跨度较大，级配优良；②分散性好；③需水比明显降低；④有效降低混凝土干缩率；⑤显著增强混凝土密实性；⑥可散装罐车运输。

3、混凝土配合比设计验证

本项目隧道设计喷射混凝土强度等级为C25，喷射工艺为湿喷，喷射机具为湿喷机械手。进场原材料情况：水泥P.O42.5,机制砂细度模数3.0、石粉含量15%、亚甲蓝值0.8，碎石粒级5-10mm。根据进场机制砂和碎石质量情况，通过不断调整优化喷射混凝土配合比，进行试配验证，采集各项性能指标和现场试喷效果，分析总结后最终确定ST粉掺量为总胶材的5.5%。在该配合比下，混凝土和易性、工作性、强度、耐久性等指标均满足设计和规范要求，且经济性较好。以下是掺前和掺后配合比设计和拌和物性能情况：

表1：配合比设计

表2：拌和物性能及强度

4、喷射混凝土工艺性试验

4.1 采用基准配合比（不掺ST粉）进行拱顶和边墙喷射施工，收集回弹料，结果如下：

表3：基准配合比回弹率

4.2 采用掺5.5% ST粉的配合比进行拱顶和边墙喷射施工，收集回弹料，结果如下：

表4：掺ST粉配合比回弹率

4.3 钻取喷射混凝土芯样

喷射混凝土施工后，自然养护7天，在边墙部位分别钻取两个不同配合比的芯样各三个，进行外观检查和力学性能试验，结果如下表：

表5：芯样外观质量和强度试验

5、ST粉运用技术分析

5.1 经济效益分析

表6：C25喷射混凝土基准配合比成本

注：上表中材料单价均为不含税单价。

表7：C25喷射混凝土掺ST粉配合比成本

注：上表中材料单价均为不含税单价。

从表6和表7可以看出，在不计加工费和施工费及其他费用的情况下，单是材料成本每方混凝土就可节约：587.9－551.6＝36.3（元/m3）。

以本项目为例，隧道预计使用喷射混凝土约16万立方米，使用超细改性硅微粉（ST粉）的喷射混凝土可节约成本约580万元，经济效益显著。

5.2 施工质量方面

通过在喷射混凝土配合比中掺入ST粉，ST粉良好的分散性能有利于其在胶凝材料中的均匀分散，可与水泥颗粒充分混合填充，快速形成Si/Ti-O-Al系的溶胶—凝胶水化物，有效促进水泥和硅灰的水化进程，增强了拌合物和易性和粘聚性，增加喷射混凝土与围岩之间的粘接力和密实性。同时，掺入ST粉后可大大降低水泥用量，有效降低水化热引起的干缩裂缝，增强了隧道喷射混凝土的抗渗性能。现场通过钻取芯样检查，芯样完整、密实，孔洞气泡等缺陷较少，实测喷射混凝土28天抗压强度均在30MPa～35MPa之间，有效地保证了喷射混凝土实体质量。

5.3 施工进度方面

掺入ST粉后，1天龄期混凝土抗压强度比普通喷射混凝土增长10-15%。早期强度的提高，提升了隧道施工安全系数、节约了循环时间。以本工程Ⅳ级围岩为例，采用台阶法施工，上台阶每循环进尺2榀钢架间距，在喷射混凝土供应正常的情况下，每循环喷射混凝土可节约30-50分钟，有效的缓解了长大隧道工期压力。

5.4 环水保及职业健康方面

现场作业采用湿喷工艺，喷射回弹量小，施工过程中洞内粉尘浓度低，有效的改善了施工作业环境，降低了职业病危害。对于本就地材稀缺的地区，加上雨季影响，道路运输情况差，现场临建仓储能力有限，回弹率的降低，不仅可以节约材料，减少施工废渣的排放，同时也在一定程度上减少了砂石料开采对植被和水体的破坏，实现保护环境，节能减排，绿色发展。

6、运用前景展望

当前我国正值十四五规划发展时期，未来有更多的交通基础设施项目开工建设，尤其是在滇西南地区，高速公路建设规模大，隧道工程占比高，运用前景广泛。本文通过ST粉在隧道喷射混凝土中的运用研究，可在未来隧道施工中大幅降低喷射混凝土回弹率，同时提高混凝土早期强度和抗渗性能，改善施工作业环境，降低隧道安全质量风险，切实降低了隧道施工成本，提升了项目创效水平，推动项目高质量发展。

参考文献：

[1].中华人民共和国行业推荐性标准.公路隧道施工技术规范（JTG/T 3660-2020）[S]北京:人民交通出版社.

[2]. 中华人民共和国行业标准.普通混凝土配合比设计规程（JGJ 55-2011）[S]北京:中国建筑工业出版社.