基于复合胶凝材的喷射混凝土单层衬砌抗渗性能研究

本项目针对普通喷射混凝土单层衬砌抗渗性能及防水技术相对较弱，很难满足结构耐久性需要这一关键问题，开展了基于复合胶凝材的喷射混凝土单层衬砌抗渗性能研究。项目主要以室内试验为研究手段进行了四个方面的研究，按研究计划完成了全部研究内容，并达到预期研究目标，取得以下研究成果： 一、通过对水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的形态及物理试验分析，在弄清复合胶凝材料各组分相互作用机理的基础上，得到了胶凝材料各组分相对比例变化对胶凝体力学性能及其水化热的影响特征。 二、通过对复掺喷射混凝土抗压强度、抗弯拉强度、电通量、抗硫酸盐腐蚀性等试验研究，掌握了复掺胶凝材料对喷射混凝土力学性能及耐久性能的影响规律，在此基础上提出了复掺胶凝材料的高抗渗性能喷射混凝土配合比。 （1）水泥基材中掺入矿粉、粉煤灰以及硅粉后，可一定程度改善喷射混凝土的力学性能；显著改善喷射混凝土的电通量和抗硫酸盐腐蚀性能。 （2）矿粉、粉煤灰的掺入对喷射混凝土的抗冻性能不利，特别复掺喷射混凝土的抗冻性能降低明显，但单掺硅粉可显著改善喷射混凝土的抗冻性； （3）建议实际使用中，根据喷射混凝土单层衬砌所处的环境“因地制宜，对症下药”选择相应的胶凝材配合比。 三、提出以渗水高度作为复掺喷射混凝土的抗渗性能评价指标；并通过试验掌握了复掺喷射混凝土渗水高度与加压时间、承受水压力、混凝土内部应力、混凝土龄期的相关关系。 （1）复掺喷射混凝土与复掺聚丙烯纤维喷射混凝土在持续的恒定水压下，具有较好的抗渗能力；随着水压力增大渗水高度不断增大；但掺加聚丙烯纤维后，喷射混凝土抗渗性有所降低。 （2）复掺喷射混凝土在预加压力后，掺加聚丙烯纤维可提高其抗渗能力；预加压力在5~15MPa之间，随着预加压力的增大抗渗能力提高，预加压力大于15MPa后，渗水高度急剧增大。 （3）随着龄期增长复掺喷射混凝土抗渗性能逐渐提高；14d以前抗渗性能提高迅速，28d抗渗性能提高减缓；56d后抗渗性能达到基本稳定。 四、提出了复掺喷射混凝土单层衬砌结构总体防水设计理念；在对单层衬砌结构承受水压力及其内部应力、以及有压条件下复掺喷射混凝土扩散系数分析的基础上，给出了防水设计计算方法，从而完成喷射混凝土单层衬砌结构的防水设计。 2100433B

喷射单层衬砌是20世纪70年代发展起来的隧道支护技术，在单层衬砌的支护机理、结构设计以及施工技术等方面取得了较为成熟的研究成果，并得到了一定的推广应用。但是通过调研发现，喷射混凝土单层衬砌抗渗性能以及防水技术相对薄弱，这正是阻碍单层衬砌技术推广应用的主要问题之一。通过调研和前期研究发现采用多元复合胶凝材制备喷射混凝土有望大幅提高其抗渗性，本课题即以此为切入点，对基于复合胶凝材的喷射混凝土单层衬砌抗渗性能展开研究。通过室内实验对胶凝材料、纤维等对喷射混凝土的改性机理进行研究，并找出喷射混凝土喷出配合比与附着配合比的关系，测定回弹量、回弹组分；在此基础上进一步对喷射混凝土的密实性、溶蚀性、干缩性、水化热等进行研究，并得到其相应的控制指标，最终提出不同抗渗要求下的喷射混凝土系列配合比，服务于单层衬砌结构的防水设计。

复合胶凝材料与化学外加剂的相容性指混凝土拌合物能在规定时间内保持预定的工作性的能力。高性能混凝土所用胶凝材料的组分多，常易出现相容性不好的问题。对于相容性的本质目前尚不清楚，难于事先预测，制约了混凝土技术发展。混凝土流动性逐渐降低是基于胶凝材料的水化反应进行和浆体微结构形成。其中浆体溶液中的SO3和碱含量及其相对比值，它们的消耗速率，水化产物种类，浆体微结构的形成对于混凝土的工作性具有决定性的影响。本项目着重研究在外加剂存在的条件下，具有不同组成的复合胶凝材料浆体溶液中的碱、SO3含量的经时变化，以及这种变化对于胶凝材料水化速率，水化产物，浆体微结构形成的影响，从而了解复合胶凝材料与外加剂的相容性的影响因素及其变化规律；对相容性的本质作出理论解释；最终建立胶凝材料－外加剂的相容性的预测模型。研究成果可为科学选择胶凝材料组成提供理论指导，促进混凝土技术发展。 2100433B