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                微硅粉在萬軍迴鐵路隧道施工中的應用

                1  引言 
                目前,世界各國的微硅粉多用于高強砼(HSC),一般均在80MPa以上,但如追述其研究及首次應用在工程上,則應歸功于隧道(1952年奧斯陸市的Blindtarmen隧道)在二十世紀七、八十年代,隨著北歐和北美等隧道工程大國先后頒布了在混凝土中摻添微硅粉的標準,使得微硅粉的研究和應用在世界范圍內迅猛發展。
                由于砼及噴射砼中摻添微硅粉具備諸多的優越性,我國在二十世紀九十年代開始引進、研究并使用,但也僅有少例使用在水工及公路,鐵路隧道則無人問津,國內也尚未制定統一的相關標準。

                2  國內外微硅粉的使用情況 
                從二十世紀八十年代至今,在歐美噴射砼的75%為微硅粉噴射砼,北歐國家挪威、 瑞典的噴射砼則100%摻添微硅粉。大量資料顯示,微硅粉被廣泛用在高層建筑、預制構件、公路路面、橋梁及隧道中的噴射砼等,而絕大部分均為高強砼(80MPa—130Mpa)。 近年來,國內應用比較成功的是山西萬家寨引黃工程及廣東汕頭LPG碼頭地下儲氣洞室。表1是國內外隧道施工的部分典型實例。

                3  微硅粉的物理特性及化學成份 
                微硅粉是熔爐氣煙中過濾出來的,含有大量細小的非晶體二氧化硅(SiO2)的顆粒。它是硅鐵或金屬硅生產過程中由電弧爐中的高純石英、焦炭和木屑還原產生的副產品。表2可充分說明其物理特性及化學成份。

                表2  微硅粉、粉煤灰、礦碴和普通水泥的物理特性及化學成分比較
                Image 1.png


                從表2中細度一項可以看出,微硅粉細度均比其它三種物質小20-50倍,約為水泥的1/50。挪威?希‥IKem)硅粉顆粒的平均粒徑為0.15微米,比普通水泥粒徑小100倍,對水泥而言具有良好的充填效應。而微硅粉中大量的高活性的SiO2與水泥溶液中的Ca(OH)2結合,生成水化硅酸鈣(C-S-H),使砼具有較高的強度與耐久性,并同時增加砼粘性,從而降低其回彈量。 

                4  萬軍迴鐵路雙線隧道的應用 

                4.1 工程概況 
                萬軍迴隧道是新建西安南京鐵路西安南陽段的一座雙線鐵路隧道,位于陜西省藍田縣境內,屬秦嶺中山區,隧道全長750米。該隧道地層結構單一,主要由片麻巖夾片巖構成,無不良地質影響。隧道地下水主要為基巖裂隙水,水量較小,水質較好且對砼無侵蝕性。全隧除進口145米、出口35米為Ⅲ類圍巖洞口加強段(施工支護加二次模筑襯砌)外,其余均為Ⅳ類圍巖鋼纖維噴砼作永久支護,共計長度570米,噴射量為2800 立方米。 
                我國采用鋼纖維噴砼作永久襯砌的鐵路隧道,是從西康線發展而來,當時設計采用的3座隧道(秦嶺隧道部分地段、椅子山隧道及高碥溝隧道)尚屬首次試驗階段,從試驗到實際應用,均未見有摻添硅粉的記載。由于國內至今仍未見有關鋼纖維噴射砼的規范和標準,西安南京鐵路設計所采用的鋼纖維噴射砼仍按試驗段考慮,采用國外標準。鋼纖維噴砼設計技術要求見表3

                Image 5.jpg

                4.2  設計推薦參考配合比 
                參照西康鐵路三座隧道的經驗,設計給出了不摻硅粉時的參考配合比.表(4)

                Image 6.jpg

                4.3  理論配合比確定 
                參照設計參考配合比,結合現場情況,細骨料采用霸橋河砂(Ⅱ區),級配為1mm~5mm,細度模數為Mx=2.9。粗骨料分為0~10mm及0~15mm兩種,分別用于拱部和邊墻噴射砼。下表列出了幾組室內試驗情況 (見表5)。 
                從表中看出,不摻速凝劑時各齡期抗壓強度均大幅整體提高,而速凝劑摻量增加時,各齡期抗壓強度隨之減小。

                4.4  現場試噴 
                采用中鐵西南研究分院生產的TK961濕噴機,人工進料及噴射,不摻速凝劑時,水膠比0.47,微硅粉摻量38Kg/m3,鋼纖維摻量50 Kg/m3。通過測試,設計為15cm~20cm厚度的鋼纖維噴射砼,邊墻一次噴射完成,拱部因回彈量較大,可分二次完成。為減少拱部回彈量,增加一次噴射厚度,噴射拱部時摻2%的速凝劑可提高工作效率,并降低實際工程成本。經現場大板取樣,通過試驗,各項指標均滿足設計要求(表7)。


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                4.5  現場實噴 
                4.5.1  每立方米各項材料用量(表9)。 4.5.2  噴射順序根據隧道工序安排和拱部噴射回彈量 稍大的特點,鋼纖維噴射砼時將邊墻和拱部分開進行,這樣可收到滿意的效果。目前,萬軍回隧道已完成鋼纖維噴射砼永久支護約80米,效果非常明顯。
                現場將原裝微硅粉拆裝為7.5Kg~ 8.0Kg的小袋,在投入骨料同時投入微硅粉并加入水泥干拌約10秒再加水及外加劑.強制式拌合機攪拌時間控制在5~6分鐘。

                Image 9.jpg

                5  成本比較 
                摻添一定量的微硅粉對鋼纖維噴射砼起到增粘作用,從而降低回彈量和提高一次噴層厚度,提高了工作效率。另外,由于摻添微硅粉后減少甚致不用液態速凝劑,使得在噴射邊墻時這項昂貴(6000元/t)的材料費用為零,大大降低了工程成本。通過計算,在同等條件下,摻微硅粉時噴射拱部每立方米鋼纖維砼比不摻時可減少材料費用44元;而在噴射邊墻時則可減少材料費用達88元(表10所述)

                Image 10.jpg

                6  結束語 
                6.1  微硅粉在國內作為一種較為新型的添加劑已經得到推廣運用,雖然也多用于高強砼,但在挪威法(NTM)設計施工的隧道工程也逐漸使用。筆者認為不局限于挪威法(NTM)設計施工的隧道,而應廣泛用于普通噴射砼,尤其是初期支護,如不是地震多發帶或無爆破振動的軟弱圍巖隧道施工,均可少用或不用速凝劑而采用微硅粉取代之.這樣既能保證噴射砼的品質,又能降低工程成本。 
                6.2  從大量的國外使用資料看,一般均使用機械手噴射作業,泵送形式的濕噴機較多,而摻添微硅粉后砼泵送性極強,因此,一次噴層厚度較大而回彈量卻很低(約4%-8%).我們所采用的TK961型濕噴機則為稀薄流形式,人為控制因素較多,回彈量一次噴層厚度等遠不如機械手。 
                6.3  養護對摻添微硅粉后的噴射砼致關重要,即便是隧道,也應區別于不摻微硅粉砼的隧道而進行養護。也就是說常規的洞內自然養護難以達到噴射微硅粉砼齡期各項指標。在萬軍迴隧道試驗過程中,我們讓一組大板噴射砼試件在取樣后不作任何養護(設計28天強度為30MPa ),測得 23天抗壓強度為21MPa,然后將這組試件進行三天標準養護后,測得其抗壓強為31.1MPa,28天時測得其抗壓強度為35.1MPa。因此,不及時進行養護的噴射砼極有可能抗壓強度等均達不到設計要求,并且養護期應在7天以上,這是施工中應特別注意的。 
                6.4  微硅粉由于顆粒細小而引起揚塵較大,故廠商在生產時為便于運輸和考慮到施工需要,一般都作了特殊的增密處理,以減少損失和對環境的污染。因此,在拌合時為使增密后的微硅粉恢復原狀,均勻地分散在噴射砼中,攪拌時間應比普通噴射砼長1~2分鐘。

                常見問題:

              1. 微硅粉在耐火材料中增強增壽作用
              2. 微硅粉的回收如何進行品質控制
              3. 使用微硅粉過程中出出現問題的總結
              4. 白色微硅粉,高純鋯硅微粉
              5. 硅灰在市場上的作用有哪些?
              6. 微硅粉是什么,在哪里領域會使用到嗎?
              7. 微硅粉在混凝土領域,它可以有哪些作用?
              8. 微硅粉,硅灰如何選取,和我一起看一下吧
              9. 微硅粉的使用領域問題,一起來分析一下吧
              10. 微硅粉的好處這么多,這些你都了解清楚了
              11. 微硅粉大家有沒有了解過?我來告訴你
              12. 什么是加密硅灰?如何生產?
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              14. 澆筑料加入硅灰有什么作用?有什么要求
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