1身份证号码：36220119900518XXXX；2身份证号码：23232419860918XXXX
摘要：随着我国大力开展基础设施建设，岩土工程的建设任务愈加繁重。由于岩土工程中地下结构工作环境的复杂性，因此正确地认识地质环境条件，合理地进行地下结构体系设计和施工，保证支护结构的稳定性就十分关键。喷射混凝土施工法是地下工程中常用的支护形式。由于不同材料组成对喷射混凝土的工作性能影响很大，因此通过改进喷射混凝土材料来提高其支护性能的相关研究有着重要意义。
关键词：岩土工程；硅粉和钢纤维对；喷射混凝土性能
引言
喷射混凝土是利用压缩空气或其他动力，将按一定配合比拌制的混凝土混合料沿管路输送至喷头处，喷射至受喷面所形成的一种混凝土[1，2]。喷射混凝土具有施工速度快、快速凝结硬化、强度发展快、适用性强等特点，在矿业、交通、水利水电工程等领域的防护工程中得到了广泛的应用[3]。如新疆某工程的喷射混凝土设计要求强度等级C30、碱含量不大于3kg/m3、抗渗等级W10、抗冻等级F50、抗硫酸盐侵蚀最高等级KS150。另外，该工程部分标段用骨料为具有潜在碱硅酸反应的活性骨料，要求喷射混凝土具有良好抑制碱骨料反应特性。丁建彤等利用无机粉体纳米材料进行的工艺试验结果表明，掺加10%纳米材料等量替代水泥，喷射混凝土综合回弹率减少52%～72%，一次喷护厚度可达30cm，28d强度提高20%以上。张硕等在白鹤滩水电站洞室内进行的现场喷射混凝土试验结果表明，掺加纳米材料的CF30纳米钢纤维喷射混凝土的工作性较好，且早期强度较高。
1材料与方法
1.1原材料
本文实验所用普通硅酸盐水泥采用云南大理红山水泥有限公司的红山岩P.O42.5水泥；钢纤维采用成都金宇盛世建材有限公司的30mm×0.5mm钢纤维；硅粉采用云南石晶硅业有限公司的硅粉；粗骨料采用花岗岩碎石，石料级配为一级配，最大公称粒径为20mm；细骨料采用天然河砂，其细度模数为2.79，吸水率为0.4％，属于中砂；减水剂采用昆明市百强建筑材料厂生产的早强高效减水剂，减水率为15%～20%；水采用自来水（水灰比0.48）。
1.2试验方法
喷射混凝土参照《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）的规定，在室内采用标准方法拌和、测试拌合物性能，速凝剂在30s内加入并拌匀，初凝前完成装模成型。喷射混凝土抗氯离子扩散能力测试执行《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）中“混凝土氯离子扩散系数试验（RCM法）”。喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀性能测试执行《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GBT50082-2009）中“14抗硫酸盐侵蚀试验”。
2硅灰矿物掺合料提升抗渗性的研究进展
硅灰又称为微硅粉，它是在硅铁合金或工业硅冶炼时收集得到的粉体材料，主要成分为无定形SiO2、且含量一般为85%~92%。硅灰可大幅降低喷射混凝土的电通量，改善其抗渗性[29-30]，性能通常优于粉煤灰。在喷射混凝土中掺入5%和10%硅灰，就将电通量分别降低了77%和91%。Park等[28]所得到硅灰对抗渗性的影响趋势与Paik等相同，并且指出，在喷射混凝土中加入7%硅灰后，电通量降低了60%。硅灰之所以能够改善抗渗性主要体现在三个方面：第一，硅灰颗粒尺寸较小，比表面积为常规水泥颗粒的50倍左右，具有较强的微集料效应。第二，硅灰的主要成分为无定形SiO2，胶凝活性较高，可促进大量钙矾石等晶体生成，具有较强的矿物填充作用。第三，硅灰可增加喷射混凝土的内聚力，提高射流过程中的流体密度，减少流体传输过程中裹挟的气体量。张俊儒等通过孔结构分析验证了硅灰对密实度的贡献，并指出8%硅灰可将喷射混凝土80%的孔径都降低至80nm以内。硅灰虽可改善喷射混凝土的抗渗性，但其合理掺量仍不清楚，Choi等就曾基于抗渗性开展了硅灰的掺量优选研究，发现5%、9%、15%等硅灰掺量下电通量分别降低了73%、90%、94%。由上述文献可知，5%~15%硅灰掺量范围内，抗渗性随硅灰掺量的增加而提高。但当硅灰掺量达到9%以上时，继续提高硅灰掺量对抗渗性的改善增幅减小，例如9%、10%、15%硅灰掺量下的电通量降低幅度分别为90%，91%、94%，极差仅为4%。又考虑到硅灰会降低喷射混凝土的工作性，增加施工过程中的流动阻力和堵管概率，且掺量越高、影响越明显。因此，在以抗渗性作为主要研究对象、并兼顾工作性的前提下，建议喷射混凝土中的硅灰掺量不宜超过10%。硅灰的掺入还会显著降低喷射混凝土的抗裂性，增加初始缺陷形成的机率，不利于混凝土的抗渗性，而如何兼顾抗裂性与抗渗性正是未来的努力方向。此外，硅灰的加密程度（未加密硅灰、半加密硅灰和全加密硅灰）也会对喷射混凝土的抗渗性产生显著影响，Wolsiefer等的研究结果表明，硅灰的加密程度越低，喷射混凝土的电通量越小，电阻率越大，抗渗性越好。加密程度差异主要改变了硅灰的分散性，同掺量硅灰的分散均匀性越好，对密实性的改善作用越强。可见，为提高硅灰的分散均匀性，应加强加密程度减弱和表面改性等相关研究。
3配合比
相关研究结果证明，钢纤维喷射混凝土的最佳掺量范围在1%~1.5%。据此，本实验依照素混凝土基准配比，分别选取0%、5%、10%、15%、20%硅粉以及1%体积率钢纤维，以表1所示的6组不同配合比进行实验。
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4对混凝土配合比的影响
试验以基准配合比C30为基础，采用内掺法（等量替代水泥），分别掺加6%的微硅粉或复合纳米材料，试验编号为C30-1#和C30-2#。单方混凝土用水量减少13kg，保持粉煤灰掺量、减水剂掺量和速凝剂掺量不变，在掺加速凝剂之前测试混凝土拌合物的坍落度、含气量、容重等工作效能。拌合物状态、性能测试结果。保持混凝土胶凝材料不变，掺加微硅粉或复合纳米材料，混凝土用水量降低13kg/m3，拌合物和易性良好，含气量基本一致，坍落度分别增加20mm和降低20mm，复合纳米材料具有较好的减水作用，优于微硅粉。由此可见，微硅粉与复合纳米材料与基准混凝土用抗硫酸盐硅酸盐水泥、粉煤灰、速凝剂和高性能减水剂均具有良好的适应性。
5结束语
综上所述，（1）在喷射混凝土中，钢纤维的掺入降低了混凝土的坍落度，而硅粉对混凝土的坍落度有积极的作用。（2）钢纤维对混凝土拉伸能力的提高更加显著，而硅粉对混凝土压缩能力的提高更加显著。硅粉和钢纤维的复合掺入可以协同增强混凝土的压缩能力和拉伸能力。（3）当硅粉掺量超过10%后，对钢纤维混凝土的抗压强度和劈裂拉伸强度的增强作用不明显。（4）钢纤维和硅粉的掺入对喷射混凝土的抗渗性有很大的提高。当硅粉掺量在10%时，混凝土的抗渗性能最佳，过多的硅粉并不利于混凝土抗渗性能的提高。
参考文献：
[1]宁逢伟，蔡跃波，白银，陈波，丁建彤，张丰.膨胀剂和硅灰改善C50喷射混凝土抗渗性能的研究[J].硅酸盐通报，2019，38（10）：3253-3259.
[2]王建伟.湿喷钢纤维混凝土单层衬砌在公路隧道中的应用[J].江西建材，2019（06）：158-160+162.
[3]林振涛.硅灰掺量对喷射混凝土性能的影响试验研究[J].黑龙江水利科技，2019，47（03）：1-3+8.
[4]罗丰.尾矿砂钢纤维喷射混凝土在铁矿巷道中的研究[D].沈阳工业大学，2018.
[5]王璞东，李远，邵大明，曾祥军.湿法喷射混凝土回弹率控制技术[J].东北水利水电，2018，36（02）：18-19+31.