硅粉在钢纤维喷射混凝土中的应用

1  引言
目前，世界各国的微硅粉多用于高强砼（HSC），一般均在80MPa以上，但如追述其研究及首次应用在工程上，则应归功于隧道（1952年奥斯陆市的Blindtarmen隧道）^[1]。               在二十世纪七、八十年代，随着北欧和北美     等隧道工程大国先后颁布了在混凝土中掺添微硅粉的标准，使得微硅粉的研究和应用在世界范围内迅猛发展。由于砼及喷射砼中掺添微硅粉具备诸多的优越性，我国在二十世纪九十年代开始引进、研究并使用，但也仅有少例使用在水工及公路，铁路隧道则无人问津，国内也尚未制定统一的相关标准。
2  国内外微硅粉的使用情况
从二十世纪八十年代至今，在欧美喷射砼的75%为微硅粉喷射砼，北欧国家挪威、
 
瑞典的喷射砼则100%掺添微硅粉。大量资料显示，微硅粉被广泛用在高层建筑、预制构件、公路路面、桥梁及隧道中的喷射砼等，而绝大部分均为高强砼(80MPa—130Mpa)。
近年来，国内应用比较成功的是山西万家寨引黄工程及广东汕头LPG码头地下储气洞室。表1是国内外隧道施工的部分典型实例。
3  微硅粉的物理特性及化学成份
微硅粉是熔炉气烟中过滤出来的，含有大量细小的非晶体二氧化硅（SiO₂）的颗粒。它是硅铁或金属硅生产过程中由电弧炉中的高纯石英、焦炭和木屑还原产生的副产品。表2可充分说明其物理特性及化学成份。

 
表2  微硅粉、粉煤灰、矿碴和普通水泥的物理特性及化学成分比较

特性及成分	单位	微硅粉	粉煤灰	磨细高炉矿碴	普通水泥
SiO2	％	≥85	50	38	20
Fe2O3	％	0.8	10.4	0.3	2.5
Al2O3	％	0.3	28	11	5
CaO	％	0.4	3	40	65
MgO	％	0.3	2	7.5	0.1
Na2O	％	0.2	0.7	0.4	0.1
K2O	％	0.9	2.5	0.8	0.7
比重	g/cm3	2.2	2.2		3.1
细度(比表面积)	m2/Kg	15000~25000	400~700	350~600	300~400

 

表1  国内外微硅粉应用的典型实例

序号	所 在 国 项目名称	工程简介	喷 射 砼 性 能	微硅粉 掺  量	技 术 标 准	备  注
1	挪威Hvassum 公路隧道	该隧全长 L=3.3Km岩性为花岗岩及片麻岩。挪威法施工(NTM)钢纤维喷砼作永久支护。2000年建成通车。	配合比 水泥：470Kg/m3 骨料:（0~8mm）1670 Kg/m3 减水剂:8Kg/m3 钢纤维:50 Kg/m3 水胶比:0.41 速凝剂:Tcc-765   4％ 性能 坍落度:22~24cm 回弹率:4~5％ 钢纤维回弹率:10~12％ I30           ≥25	38 Kg/m3	挪威标准 NS3420 NBPublication no  7 抗压强度 40MPa 韧度系数： (美国标准： ASTMC) I30    ≥22
2	英国伦敦希思罗机场高速铁路隧道	明挖:双线600 暗挖:5.4Km，5个中间逃生隧道，两个地下车站。部分采用湿喷钢纤维砼作永久支护。1998年建成	配合比 水泥：355 Kg/m3 骨料：1654 Kg/m3 减水剂：8 升/m3 速凝剂：19.5 升/m3 钢纤维：40 Kg/m3 性能 抗压强度7d  40 MPa         28d  55 MPa         120d  61 MPa	84升/ m3 （料浆）	英国标准 BS1881：Pt120 Pt207 美国标准 ASTMC1018
3	中国广东汕头LPG码头地下储气洞室	主要工程包括丙烷和丁烷主储气洞,运营竖井,水幕隧洞、交通隧道各两座.主洞断面18×20m；面积304m2	配合比 水泥：450 Kg/m3 砂：937 Kg/m3 石：637 Kg/m3 钢纤维：40 Kg/m3 水：206 Kg/m3 速凝剂：24 Kg/m3	30 Kg/m3	抗压强度 ≥25 MPa	Meyco Mobile 湿喷机，遥控机械手。 中铁隧道局施工。
4	中国山西万家寨引黄工程	引黄工程首部，主要工程包括2座地下泵房及相关地下洞群。2个地下泵房的结构尺寸为：148.8m×19.2m×32.2m。Ⅱ、Ⅲ类围岩。采用钢纤维喷射砼作永久护，共2100 m3。	配合比 水泥：473 Kg/m3 砂子：886 Kg/m3 粗骨料：611 Kg/m3 钢纤维：60 Kg/m3 坍落度：8~10cm 水：219 Kg/m3 水胶比：0.43 性能 抗压强度：46.0 MPa	35 Kg/m3	钢纤维掺量 ≥60 Kg/m3 抗压强度： 7d ≥30MPa 28d≥40MPa	麦斯特—苏伯瑞玛湿喷机和麦斯特—罗伯特机械手（泵送）。

                                                                                            

从3.1 表中细度一项可以看出，微硅粉细度均比其它三种物质小20-50倍，约为水泥的1/50。挪威埃肯（EIKem）硅粉颗粒的平均粒径为0.15微米，比普通水泥粒径小                                       

100倍，对水泥而言具有良好的充填效应。而微硅粉中大量的高活性的SiO₂与水泥溶液中的Ca(OH)₂结合，生成水化硅酸钙(C-S-H)^[2]，使砼具有较高的强度与耐久性,并同时增加砼粘性,从而降低其回弹量。
4  万军迴铁路双线隧道的应用
4．1 工程概况
万军迴隧道是新建西安南京铁路西安南阳段的一座双线铁路隧道，位于陕西省蓝田县境内，属秦岭中山区，隧道全长750米。该隧道地层结构单一，主要由片麻岩夹片岩构成，无不良地质影响。隧道地下水主要为基岩裂隙水，水量较小，水质较好且对砼无侵蚀性。全隧除进口145米、出口35米为Ⅲ类围岩洞口加强段（施工支护加二次模筑衬砌）外，其余均为Ⅳ类围岩钢纤维喷砼作永久支护，共计长度570米，喷射量为2800 立方米。
我国采用钢纤维喷砼作永久衬砌的铁路隧道，是从西康线发展而来，当时设计采用的3座隧道（秦岭隧道部分地段、椅子山隧道及高碥沟隧道）尚属首次试验阶段，从试验到实际应用，均未见有掺添硅粉的记载。由于国内至今仍未见有关钢纤维喷射砼的规范和标准，西安南京铁路设计所采用的钢纤维喷射砼仍按试验段考虑，采用国外标准。
 钢纤维喷砼设计技术要求见表3

 
表3   钢纤维喷砼设计技术指标

项     目	抗压强度 (28d)	抗弯强度 (28d)fe	韧度系数(28d)R30/10	厚     度 (cm)	钢纤维掺量 （Kg/M3）
指     标	30MPa	>2.5MPa	60	15～20	40～60
采用标准及方法	CECS38-92	JSCE-SE4	ASTCM1018-89	钻孔检查	含用量吸石检查

4.2  设计推荐参考配合比
参照西康铁路三座隧道的经验,设计给出了不掺硅粉时的参考配合比.表（4）

 
表4     设计参考配合比

骨料最大尺寸	坍落度	水灰比	砂率	水泥	细骨料	粗骨料	钢纤维	速凝剂	减水剂
（mm）	(cm)	(％)	(％)	(Kg/m3)	(Kg/m3)	(Kg/m3)	(Kg)	(％)	(％)
10	10~12	50	64	450	1099	630	40~50	2~7	1

4.3  理论配合比确定
参照设计参考配合比，结合现场情况，细骨料采用霸桥河砂（Ⅱ区），级配为1mm~5mm，细度模数为Mx=2.9。粗骨料分为0~10mm及0~15mm两种，分别用于拱部和边墙喷射砼。下表列出了几组室内试验情况 (见表5)。
从表中看出，不掺速凝剂时各龄期抗压强度均大幅整体提高，而速凝剂掺量增加时，各龄期抗压强度随之减小。
4.4  现场试喷
采用中铁西南研究分院生产的TK961湿喷机，人工进料及喷射，不掺速凝剂时，水胶比0.47，微硅粉掺量38Kg/m³，钢纤维掺量50 Kg/m³。通过测试，设计为15cm~20cm厚度的钢纤维喷射砼，边墙一次喷射完成，拱部因回弹量较大，可分二次完成。为减少拱部回弹量，增加一次喷射厚度，喷射拱部时掺2％的速凝剂可提高工作效率，并降低实际工程成本。经现场大板取样，通过试验，各项指标均满足设计要求（表7）。
 
4.5  现场实喷
4.5.1  每立方米各项材料用量(表9)。
4.5.2  喷射顺序
                             
 
 
 
根据隧道工序安排和拱部喷射回弹量
稍大的特点，钢纤维喷射砼时将边墙和拱部分开进行，这样可收到满意的效果。目前，万军回隧道已完成钢纤维喷射砼永久支护约80米，效果非常明显。
4.5.3  硅粉的掺加
现场使用的微硅粉均为埃肯集团生产，分大包装（1000Kg）和小包装（25Kg）两
种,型号分别为920Ｄ和９４０Ｕ。据两种型

                                                号的硅粉使用情况看，９２０Ｄ型硅粉经过
                                                特殊增密处理使用起来几乎无损失，但

 
                                              
                                              
                                              
                                            
                                                                                            
SiO₂含量(９１％)低于９４０Ｕ；９４０
Ｕ型硅粉经过半增密处理，扬尘稍大，使用 
起来有微量损失，但SiO₂含量（９３％）高
于９２０Ｄ，对喷射砼的品质更加有利。另
外，９２０Ｄ硅粉拌合时间要比９４０Ｕ硅
粉稍长。

    分部喷射示意图 
 
 
    
表5  几组室内试验列表

编号	水胶比	砂率	坍落度	水泥用量	硅粉掺量	抗压强度			减水剂	速凝剂	钢纤维	用水量
						3d	7d	28d	％	％	Kg	Kg
硅-31	0.5	55	150	435	36	23.5	34.6	47.1	0.6	0	50	235
硅-23	0.5	55	180	462	38	20.7	31.4	43.6	0.65	2.0	45	250
硅-24	0.5	55	180	453	37	20.7	31.3	42.7	0.65	2.0	45	245
硅-25	0.5	55	180	453	37	19.4	29.1	42.1	0.65	2.5	45	245
硅-26	0.5	55	180	453	37	19.8	29.3	38.5	0.65	3.0	45	245
硅-30	0.47	55	160	462	38	24.3	34.6	48.1	0.6	0	50	235

注: 硅-30为选定配合比

 
表6  不掺速凝剂时不同部位的喷射厚度及回弹量值

墙部一次喷射厚度	拱部一次喷射厚度	墙部回弹率	拱部回弹率
15cm~20cm	8cm~10cm	8％~10％	15％~20％

 
表7 大板取样试验结果

龄期(天)	抗压强度(MPa)	抗弯强度(MPa)	韧度系数(R30/10)
7	34.6
28	49.0	3.5	63

 

现场将原装微硅粉拆装为７.５Kg～
８.０Kg的小袋，在投入骨料同时投入微硅粉并加入水泥干拌约１０秒再加水及外加剂．强制式拌合机搅拌时间控制在５～６分钟。

表8每立方钢纤维喷射砼用料量

部 位	水胶比	坍落度 (cm)	水 泥 (Kg)	硅 粉 (Kg)	减水剂 ％	速凝剂 ％	钢纤维 (Kg/ m3)	水 (Kg)
拱 部	0.5	140	435	35	0.60	2.0	50	235
边 墙	0.47	160	462	38	0.60	0	50	235

                                                                                              

５  成本比较
掺添一定量的微硅粉对钢纤维喷射砼起到增粘作用，从而降低回弹量和提高一次喷层厚度，提高了工作效率。另外，由于掺添微硅粉后减少甚致不用液态速凝剂，使得在喷射边墙时这项昂贵（６０００元／t）的材料费用为零，大大降低了工程成本。通过计算，在同等条件下，掺微硅粉时喷射拱部每立方米钢纤维砼比不掺时可减少材料费用44元；而在喷射边墙时则可减少材料费用达８８元（表10所述）。

 
表9  不同部位喷射时可变项目费用计算(m³)

部     位		水泥(Kg)	硅粉(Kg)	速凝剂(Kg)	回弹量(％)	费用计算（元）
不掺硅粉	拱部	500	0	17.5	25	0.5×390+17.5×6+0.25× 1100=575
	边墙	500	0	17.5	15	0.5×390+17.5×6+0.15× 1100=465
掺 添 硅粉	拱部	435	37	9.0	20	0.435×390+37×2.3+9.4×6+ 0.2×1100=531
	边墙	462	38	0	10	0.462×390+38×2.3+ 0.1×1100=377

注:微硅粉从上海运至西安的全部费用为2300元/t。

６  结束语
６.１  微硅粉在国内作为一种较为新型的添加剂已经得到推广运用，虽然也多用于高强砼，但在挪威法（ＮＴＭ）设计施工的隧道工程也逐渐使用。笔者认为不局限于挪威法（ＮＴＭ）设计施工的隧道，而应广泛用于普通喷射砼，尤其是初期支护，如不是地震多发带或无爆破振动的软弱围岩隧道施工，均可少用或不用速凝剂而采用微硅粉取代之．这样既能保证喷射砼的品质，又能降低工程成本。
６.２  从大量的国外使用资料看，一般均使用机械手喷射作业，泵送形式的湿喷机较多，而掺添微硅粉后砼泵送性极强，因此，一次喷层厚度较大而回弹量却很低（约４％－８％）．我们所采用的ＴＫ９６１型湿喷机则为稀薄流形式，人为控制因素较多，回弹量一次喷层厚度等远不如机械手。
６.３  养护对掺添微硅粉后的喷射砼致关重要，即便是隧道，也应区别于不掺微硅粉砼的隧道而进行养护。也就是说常规的洞内自然养护难以达到喷射微硅粉砼龄期各项指标。在万军迴隧道试验过程中，我们让一组大板喷射砼试件在取样后不作任何养护（设计２８天强度为３０MPa　），测得
２３天抗压强度为２１MPa，然后将这组试件进行三天标准养护后，测得其抗压强为31.1MPa,２８天时测得其抗压强度为３５.１MPa。因此，不及时进行养护的喷射砼极有可能抗压强度等均达不到设计要求，并且养护期应在７天以上，这是施工中应特别注意的。
６．４  微硅粉由于颗粒细小而引起扬尘较大，故厂商在生产时为便于运输和考虑到施工需要，一般都作了特殊的增密处理，以减少损失和对环境的污染。因此，在拌合时为使增密后的微硅粉恢复原状，均匀地分散在喷射砼中，搅拌时间应比普通喷射砼长１～２分钟。
6.5  目前国内有部分生产硅铁等厂家作为附带产品生产微硅粉,其产品中SiO₂含量等指标大都达不到国际标准,在使用前需严格试验,以确定各种参数。
 
参考文献
［１］   应用微硅粉配制高强高性能混凝土和低回弹喷射砼.挪威埃肯集团公司（１９９９年）
［２］   硅粉砼及其应用，中国铁道出版社(１９９５年)
<作者简介>   吴建和  男  工程师
柳昆泉  男  工程师