纳米回弹抑制剂喷射混凝土在亭子口灌区工程胡家院子隧洞中的应用

随着我国喷射混凝土施工中机械化的不断深入,大型机械手得到了普及及大面积应用,但由于国产设备技术不够成熟的原因,对喷射混凝土性能要求窄,导致现场堵管频繁、设备配件损耗高、粉尘量大、回弹率高、凝结时间长、后期强度损失大等问题;因此急需喷射混凝土配合比技术得到根本性的突破,才能满足现场需要纳米回弹抑制剂喷射混凝土是一种新型的工程材料,在亭子口灌区工程胡家院子隧洞中得到了应用。本研究旨在评估纳米回弹抑制剂对隧洞内混凝土结构的改善效果。通过对比使用纳米回弹抑制剂和传统混凝土的隧洞结构性能,包括强度、耐久性和抗回弹能力等方面的差异。结果表明,在应用纳米回弹抑制剂的隧洞中,混凝土结构的强度和耐久性得到了显著提高,同时抑制了回弹现象的发生。这些发现表明纳米回弹抑制剂喷射混凝土在隧洞工程中具有广阔的应用前景,可为隧洞工程的施工和维护提供有效的技术支持[1]。

喷射混凝土用无碱液体速凝剂的现状与发展趋势

喷射混凝土常用于隧道、矿山井巷、城市地下空间等施工场景,已成为复杂工程施工必不可少的一种混凝土。速凝剂作为喷射混凝土必不可少的外加剂,经历了高碱粉体和低碱粉体的速凝剂时代,目前,无氯低碱液体速凝剂已得到大规模应用。然而,实际工程对速凝剂产品仍在不断提出更高的要求,液体速凝剂正朝着无氟无氯无碱的方向前进,从而继续推出更好的产品。本文回顾速凝剂的历史进程和发展,着重讨论速凝剂的作用机理,硫酸铝型无碱液体速凝剂主要组分的演变及由此带来的产品研制难题和对水泥基材料性能的影响,并论述课题组在无碱液体速凝剂与水泥的适应性研究方面取得的成果。

基于总安全系数法的喷射混凝土支护承载能力的试验研究

为验证总安全系数法中喷层的荷载结构模型及其安全系数计算方法,研制大型隧道结构模型试验系统,采取结构试验的方法,开展毛洞、不同厚度喷层以及二次衬砌的加载破坏试验。通过围岩和细砂材料的三轴试验明确模型试验中各材料的物理与力学参数,模拟毛洞、不同厚度喷层以及二次衬砌的加载破坏全过程,依据破坏状态明确喷层与二次衬砌的设计承载能力,试验中监测围岩应力应变、喷层内外侧应变和喷层位移,结合监测结果分析喷层与二次衬砌在承载过程中的变形特征与受力特征,明晰喷层与二次衬砌的承载机制,并与总安全系数法理论计算结果进行对比分析。结果表明:1)在试验断面条件下喷层受力状态为小偏心受压,喷层与围岩之间的粘结能有效传递剪力,从而减少了喷层的弯矩,有利于充分发挥喷层的抗压强度,同厚度情况下喷层的设计承载力要高于二次衬砌;2)试验得到的厚度为2 cm和4 cm喷层的设计承载力比总安全系数法理论计算结果分别大27.0%和22.9%,表明总安全系数法的喷层承载力计算模型是合理的,并具有合适的安全性。

高岩温环境下矿物掺合料对喷射混凝土强度和抗渗性的影响

针对高岩温隧道环境下喷射混凝土出现后期强度下降及耐久性劣化等问题,研究了80℃干热养护条件下不同矿物掺合料(粉煤灰、矿粉、硅灰)在单掺以及二元、三元复掺情况下对喷射混凝土长期强度稳定性、抗水渗透性能和抗氯离子渗透性能的影响,并通过分析硬化混凝土气泡结构参数揭示其提升机理。结果表明:单掺5%硅灰或复掺10%矿粉+5%硅灰可以明显改善喷射混凝土的长期强度稳定性及抗渗性,56 d抗压强度无倒缩,渗水高度分别降低至78、101 mm。三元复掺体系(10%粉煤灰+10%矿粉+5%硅灰)喷射混凝土的抗氯离子渗透性能最佳,其28、56 d氯离子扩散系数分别降低至6.4×10^(-12)、13.0×10^(-12)m^(2)/s。

喷射混凝土围岩复合体受压力学特性及本构模型

为探究喷射混凝土围岩复合体受压力学特性,结合三维数字图像相关技术,针对4种不同喷射混凝土围岩复合体试件开展了单轴受压试验,探究了纤维和岩石种类对复合体破坏模式和受压性能的影响.基于Weibull统计损伤理论,构建了适用于复合体的受压应力应变本构模型.试验结果表明,不同围岩基复合体破坏模式存在显著差异,但微裂缝均先从喷射混凝土中发展.破坏时,围岩部分表现单一裂纹模式,而喷射混凝土部分呈现多裂纹扩展状态.4种复合体峰值强度均高于单一喷射混凝土破坏强度,且砂岩基复合体的峰值强度均高于花岗岩基复合体,平均高出5.55%.同种围岩条件下,纤维增强喷射混凝土复合体强度会存在轻微降低,较普通喷射混凝土复合体平均下降1.95%.此外,所建本构模型计算结果与试验数据吻合较好.

含钢纤维橡胶喷射混凝土抗压强度特性研究

普通喷射混凝土延展性差、抗压过后易碎且残余强度差,为了增强其延展性及韧性,在5%、10%、15%、20%橡胶掺量的橡胶喷射混凝土中分别添加0.5%、1%、1.5%、2%(体积占比)的钢纤维,设计17组配比,养护28 d进行单轴抗压实验,对抗压强度值、应力—应变曲线特点、试件破坏形态、残余强度进行分析。结果表明:在钢纤维和橡胶协同作用下,普通喷射混凝土的抗压强度得到了提高,在橡胶含量为5%,钢纤维体分数为1%时,其抗压强度最佳。钢纤维—橡胶喷射混凝土应力—应变曲线后延性增加,试件破坏呈明显延性特征且破坏后试件完整度高,破坏后仍有一定强度。

硫酸盐干湿循环作用下煤矸石喷射混凝土劣化机理

为促进高硫酸盐环境下煤矿地区煤矸石大规模利用,本文制备了不同煤矸石取代率的喷射混凝土,研究干湿循环作用下煤矸石对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响规律,从表观形貌、质量损失率、相对动弹性模量、相对抗压强度、硫酸根离子分布演化和侵蚀前后微观形貌变化进行了研究,得到了煤矸石对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响机理。结果表明,在硫酸盐干湿循环作用下,煤矸石喷射混凝土(CGS)的劣化过程分为强化阶段、初始损伤和宏观破坏三个阶段。CGS劣化程度受干湿循环次数和煤矸石取代率协同影响,25%(质量分数)取代率下CGS抗硫酸盐性能提升,当取代率超过25%后,CGS抗硫酸盐侵蚀能力随着取代率的增加而降低。研究成果可为CGS结构在矿下应用提供重要的理论支撑。

基于图像三维重建的隧道喷射混凝土回弹率测定方法研究

针对复杂隧道施工环境下如何快速、准确测量喷射混凝土回弹率的问题,基于机器视觉三维重建技术中的主要理论和算法,提出了一种新的隧道喷射混凝土回弹率测定方法。该方法通过坐标标记版和手持相机快速采集图像,基于运动恢复结构(SFM)算法、基于面片的密集匹配(PMVS)算法与三角剖分原则实现隧道实际开挖轮廓及初支内轮廓的三维曲面网格模型的建立;通过网格射线法,将隧道实际开挖轮廓与初支内轮廓三维网格模型进行空间差值求解,获得初支实际有效的喷射混凝土体积;最后,结合实际喷射混凝土总用量,完成喷射混凝土回弹量的测定,并以郑万高铁巴东隧道为依托进行现场试验与应用。结果表明:所提方法测得的喷射混凝土回弹率比传统现场称重法测试结果更为合理,准确性更高,说明该方法能够较好地实现喷射混凝土回弹率的测试;在现场应用中,结合喷射混凝土回弹率的测试结果提出的降低回弹率的施工质量控制建议,现场采用后施工良好,保证了隧道施工质量;该测定方法简便高效、成本低、不干扰施工,具有较好的工程应用价值。

单线铁路大变形隧道喷射混凝土超耗分析

混凝土用量和成本在隧道工程量及造价中占有重要比重,是隧道工程成本管控的重点。现行适用于常规隧道的预算定额无法全面考虑高地应力大变形隧道的混凝土超耗。论文通过丽香铁路玉龙雪山隧道严重大变形典型区段的现场统计分析,得出喷射混凝土平均超耗率和喷射混凝土平均回弹率,以及单层、双层初期支护在喷射混凝土回弹率、混凝土回填率上的差异,所得结论对单线铁路高地应力大变形隧道的预算定额编制和施工成本管控有一定参考意义。

速凝剂对喷射混凝土水化及强度发展作用机理研究

喷射混凝土是水利建设工程中重要的混凝土类型之一,速凝剂是喷射混凝土施工中重要的材料,对喷射混凝土性能影响显著。为系统研究速凝剂对喷射混凝土水化及强度发展作用机理,通过化学结合水、压汞(MIP)、扫描电镜(SEM-EDS)及强度测试,研究了硫酸铝系列无碱速凝剂(AKF)和有碱速凝剂(ALK)对水泥水化程度、孔结构及强度的影响。结果表明:AKF和ALK均显著提高了水泥早期水化速率,降低了浆体内部总孔隙率和最可几孔径,提高了硬化水泥浆体早期抗压强度,但掺入ALK延缓了水泥尤其是C_(3)S后期水化,阻碍了C-S-H凝胶致密化进程,减缓了硬化水泥浆体孔结构细化的程度,相比之下,AKF在加速C_(3)A水化反应速率的同时往溶液中提供了SO_(4)^(2-)离子,C_(3)A水化速率总体可控,对于C_(3)S后续水化及C-S-H凝胶致密化进程没有阻碍,因此掺有AKF的后期强度稳定增长,并未发生明显倒缩,更有利于喷射混凝土抗压发展。

纤维素-玄武岩混杂纤维喷射混凝土力学性能及能量演化

为研究纤维素纤维和玄武岩纤维掺量对喷射混凝土力学性能的影响,对不同纤维掺量下的喷射混凝土开展工作性能和力学性能试验,根据能量演化曲线对比分析喷射混凝土不同阶段的能量变化,并结合宏观试验和SEM分析纤维对喷射混凝土的增韧阻裂机理。结果表明:掺入纤维素纤维和玄武岩纤维会导致喷射混凝土坍落度降低,喷射混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度随两种纤维掺量增加呈先升高后降低的趋势;在荷载作用下,喷射混凝土能量演化曲线大致经历四个阶段,分别为初始损伤阶段、线弹性阶段、突变损伤阶段和破坏阶段,掺入适量纤维素纤维和玄武岩纤维增强了喷射混凝土的阻裂耗能能力;掺入纤维素纤维后,喷射混凝土界面过渡区水化产物颗粒分布更加均匀,界面结构更加平整致密;纤维与基体间的摩擦为裂缝拓展提供了所需要消耗的能量,增强了喷射混凝土的延性与抗裂性。

钢纤维喷射混凝土结构安全性分析方法

钢纤维喷射混凝土作为隧道喷射混凝土支护的新型材料,具有更优的抗拉、抗裂性能和耐久性,为了研究其用于隧道支护对承载力的影响以及开裂情况,建立了钢纤维喷射混凝土结构安全性分析方法。该分析方法根据钢纤维喷射混凝土构件尺寸,检测在荷载作用下钢纤维喷射混凝土构件是否发生开裂,若未开裂则构件尺寸合理,若开裂则需计算出实际裂缝宽度判别是否满足安全规范要求。根据分析流程对Ⅲ级围岩钢纤维喷射混凝土Ⅰ型和Ⅱ型、Ⅳ级围岩钢纤维喷射混凝土三种支护类型进行工程验证,结果表明:同一级围岩,钢纤维喷射混凝土越厚,越不易开裂,安全性越高;不同级围岩,围岩荷载越大,同一厚度的钢纤维喷射混凝土越易开裂且开裂后裂缝宽度越大;理论计算结果与现场试验结果基本吻合,验证了钢纤维喷射混凝土结构安全性分析方法的实用性和有效性。

考虑喷射混凝土耐热性能的高地温隧道支护结构研究

为获得适用于高地温隧道的支护特征曲线,依托某隧道,模拟高地温环境,通过材料组配设计、室内试验等手段,对喷射混凝土耐热性能进行研究。结果表明:配合比为0.45,使用无碱速凝剂、单掺20%矿粉的喷射混凝土,在35℃养护下性能较好。与标准养护条件相比,28 d抗压强度提高了10%,劈拉强度提高了14%。对岩石表面湿润后的干热环境下,其与岩石的黏结强度较高,较标准条件下,强度提高了44%。单掺矿粉替代水泥可降低水化热,在高温环境中能略微提升混凝土的各项性能。喷射混凝土具有明显的时变特性,考虑其时变特性可有助于合理支护时机的选取。研究成果有助于解决高地温隧道的热害问题,亦可为工程中相似热害环境支护问题提供参考。

不同温度下矿物掺合料对喷射混凝土水化行为及力学性能的影响

不同温度下粉煤灰、矿粉和硅灰对喷射混凝土水化行为及力学性能的影响规律尚不明确。本文通过XRD定量分析、热重分析和SEM测试等手段表征了不同温度和龄期下三种矿物掺合料对喷射混凝土水化行为的影响,并测试了砂浆抗压强度。结果表明,不同温度下,硅灰和矿粉能提高喷射混凝土早期和后期强度,粉煤灰不利于早期强度的发展,20℃时粉煤灰体系砂浆6 h抗压强度低于基准值。6 h和1 d龄期时,温度对试块抗压强度的影响非常显著,60℃时硅灰体系砂浆6 h抗压强度高达13.39 MPa;随着龄期增长,温度对试块强度的增强作用减弱。温度升高会激发矿物掺合料的火山灰效应,生成C-S-H凝胶填充内部孔隙,提高体系砂浆试块抗压强度。同一温度、龄期下,硅灰体系水化产物中C-S-H凝胶含量多,抗压强度最高。矿粉体系水化程度最高,抗压强度较高。粉煤灰体系中AFt含量最高,但C-S-H凝胶含量少,抗压强度最低。本文对特殊环境下矿物掺合料在喷射混凝土中的应用有指导作用。

不同侵蚀环境下喷射混凝土耐久性提升技术及作用机理

为了揭示不同侵蚀环境下喷射混凝土的钙溶蚀行为,并探究羧酸酯型侵蚀抑制剂和硅灰对喷射混凝土抗侵蚀性能的影响,本文通过抗压强度及腐蚀溶液钙离子浓度测试对比了氯化铵溶蚀和复合盐侵蚀作用下喷射混凝土的强度损失率和钙离子溶出率的时变规律,并采用TG分析改性喷射混凝土侵蚀前的孔结构和可溶固相钙含量,最后采用XRD和SEM测试分析混凝土侵蚀后的物相组成和微观形貌。结果表明,复合盐侵蚀作用下较多钙矾石等腐蚀产物填充孔隙,导致混凝土强度损失和钙离子溶出率均低于氯化铵溶蚀。氯化铵溶蚀和复合盐侵蚀作用下,喷射混凝土的强度损失率与钙离子溶出率呈线性相关。4%(质量分数)侵蚀抑制剂+2%(质量分数)硅灰复合的作用效果较佳,可使喷射混凝土复合盐侵蚀28 d后的强度损失率和钙离子溶出率分别较空白组降低46.7%和50.9%。羧酸酯型侵蚀抑制剂和硅灰均可通过细化混凝土孔结构、降低氢氧化钙和钙矾石含量来提升喷射混凝土的耐久性。

凝灰岩粉喷射混凝土的模拟喷射及性能试验研究

开展掺凝灰岩粉喷射混凝土的模拟喷射及性能试验,并对比单掺粉煤灰及复掺粉煤灰与凝灰岩粉的方案。试验结果表明:对比单掺粉煤灰方案,凝灰岩粉的掺入略增加喷射混凝土用水量,但有助于提高拌合物的黏聚性和密实性,降低喷射回弹。喷射混凝土试件满足C25W8F100的设计要求,与岩石的黏结强度在0.89~1.06 MPa,复掺粉煤灰与凝灰岩粉的混凝土强度值略高。研究结果拓展了凝灰岩粉在喷射混凝土中的应用,为新型矿物掺合料的开发与推广应用提供技术支撑。

循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土动力特性研究

新建隧道钻爆施工过程中,邻近既有隧道机制砂喷射混凝土支护结构往往会承受循环冲击荷载。为研究轴压对循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土动力特性的影响,采用改进的大直径分离式霍普金森压杆试验装置,开展4个轴压水平下的机制砂喷射混凝土循环冲击试验,分析循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土的动力特性。研究结果表明:轴压和冲击速度对机制砂喷射混凝土的破坏形态、峰值应力、峰值应变和应变率均有较大影响,轴压的增加能够有效抑制试样的变形;轴压相同时,冲击速度越大试样破坏所需的冲击次数越少,冲击速度相同时,试样破坏所需要的冲击次数随轴压增大而不断增加;冲击速度和轴压均相同时,随着冲击次数的增加,试样峰值应力和动弹性模量不断降低,峰值应变和应变率不断增加,轴压对试样动弹性模量的影响不显著;随着冲击次数增加,试样的累计比能量吸收值呈线性增加趋势,冲击速度相同时,轴压越大,试样破坏时所需累计比能量吸收值越大,亦即轴压的增加可以显著提高试样的耗能能力,从而减缓试样力学性能的劣化进程。

低掺量矿物掺合料对喷射混凝土抗渗性的影响

研究不同矿物掺合料(粉煤灰、矿渣粉、硅灰)在低掺量条件下(5%~10%)单掺和复掺对喷射混凝土抗渗性的改善效果,同时考虑其对掺速凝剂净浆凝结时间和喷射混凝土早后期抗压强度的影响。结果表明:粉煤灰和矿渣粉对掺速凝剂净浆凝结时间影响较小,硅灰可以明显缩短凝结时间;不同矿物掺合料在低掺量条件下单掺或复掺均会一定程度上降低喷射混凝土的1 d抗压强度,但影响较小,矿渣粉和硅灰后期通过火山灰效应和微集料效应明显提高了28 d抗压强度;通过渗水高度、吸水率、电通量、氯离子扩散系数分别表征喷射混凝土的抗水渗透性能和抗氯离子渗透性能,其中硅灰无论单掺还是与粉煤灰或矿渣粉复掺均具有明显的改善效果,而粉煤灰或矿渣粉单掺效果一般。研究成果可为矿物掺合料在喷射混凝土中的应用提供借鉴和参考。

矿山法隧道初期支护中栓钉型钢与喷射混凝土界面黏结滑移本构模型与试验研究

[目的]为探明矿山法隧道初期支护中栓钉型钢与喷射混凝土界面黏结滑移本构关系。[方法]以栓钉长度、直径和布置形式为变化参数,设置4组不同工况,进行腹板带栓钉的型钢-喷射混凝土短柱推出试验,分析其破坏模式、荷载-滑移特性和承载力等。[结果及结论]栓钉试件的破坏模式受栓钉数量和强度影响,分为拉裂破坏和胀裂破坏两类;典型的平均黏结强度-相对滑移曲线可分为无滑移段、曲线上升段、曲线下降段和水平残余段;室内试验证明栓钉直径和布置形式是影响承载能力的主要因素;根据受力机制建立带栓钉的型钢与喷射混凝土界面的黏结滑移本构模型,并经室内试验和数值模拟双重验证,表明提出的黏结滑移本构模型精度较高。研究结果可为矿山法隧道型钢与喷射混凝土支护结构设计提供理论支持。

喷射混凝土回弹料再生混凝土基本力学性能研究

为研究喷射混凝土回弹料再生混凝土(SRM-RFAC)的基本力学性能,以喷射混凝土回弹料再生细骨料(SRM-RFA)取代率和粉煤灰(FA)取代率为变量,进行了立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、立方体劈裂抗拉强度和静弹性模量试验。结果表明:SRM-RFAC的立方体抗压破坏、轴心抗压破坏和劈裂抗拉破坏形态与普通混凝土(NC)基本相似,且混凝土的抗压强度与劈拉强度随着SRM-RFA和FA取代率的增加而逐渐降低,基于规范式,提出棱柱体抗压强度、立方体劈裂抗拉强度和静弹性模量的换算式,计算值与试验结果吻合度较好。