1 引言
目前，世界各國(guó)的微硅粉多用于高強(qiáng)砼（HSC），一般均在80MPa以上，但如追述其研究及首次應(yīng)用在工程上，則應(yīng)歸功于隧道（1952年奧斯陸市的Blindtarmen隧道）在二十世紀(jì)七、八十年代，隨著北歐和北美等隧道工程大國(guó)先后頒布了在混凝土中摻添微硅粉的標(biāo)準(zhǔn)，使得微硅粉的研究和應(yīng)用在世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展。
由于砼及噴射砼中摻添微硅粉具備諸多的優(yōu)越性，我國(guó)在二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始引進(jìn)、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(wú)人問(wèn)津，國(guó)內(nèi)也尚未制定統(tǒng)一的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
2 國(guó)內(nèi)外微硅粉的使用情況
從二十世紀(jì)八十年代至今，在歐美噴射砼的75%為微硅粉噴射砼，北歐國(guó)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(yù)制構(gòu)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(qiáng)砼(80MPa—130Mpa)。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較成功的是山西萬(wàn)家寨引黃工程及廣東汕頭LPG碼頭地下儲(chǔ)氣洞室。表1是國(guó)內(nèi)外隧道施工的部分典型實(shí)例。
3 微硅粉的物理特性及化學(xué)成份
微硅粉是熔爐氣煙中過(guò)濾出來(lái)的，含有大量細(xì)小的非晶體二氧化硅（SiO2）的顆粒。它是硅鐵或金屬硅生產(chǎn)過(guò)程中由電弧爐中的高純石英、焦炭和木屑還原產(chǎn)生的副產(chǎn)品。表2可充分說(shuō)明其物理特性及化學(xué)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(xué)成分比較
從表2中細(xì)度一項(xiàng)可以看出，微硅粉細(xì)度均比其它三種物質(zhì)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(duì)水泥而言具有良好的充填效應(yīng)。而微硅粉中大量的高活性的SiO2與水泥溶液中的Ca(OH)2結(jié)合，生成水化硅酸鈣(C-S-H)，使砼具有較高的強(qiáng)度與耐久性,并同時(shí)增加砼粘性,從而降低其回彈量。
4 萬(wàn)軍迴鐵路雙線隧道的應(yīng)用
4．1 工程概況
萬(wàn)軍迴隧道是新建西安南京鐵路西安南陽(yáng)段的一座雙線鐵路隧道，位于陜西省藍(lán)田縣境內(nèi)，屬秦嶺中山區(qū)，隧道全長(zhǎng)750米。該隧道地層結(jié)構(gòu)單一，主要由片麻巖夾片巖構(gòu)成，無(wú)不良地質(zhì)影響。隧道地下水主要為基巖裂隙水，水量較小，水質(zhì)較好且對(duì)砼無(wú)侵蝕性。全隧除進(jìn)口145米、出口35米為Ⅲ類圍巖洞口加強(qiáng)段（施工支護(hù)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(hù)，共計(jì)長(zhǎng)度570米，噴射量為2800 立方米。
我國(guó)采用鋼纖維噴砼作永久襯砌的鐵路隧道，是從西康線發(fā)展而來(lái)，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)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(yàn)階段，從試驗(yàn)到實(shí)際應(yīng)用，均未見(jiàn)有摻添硅粉的記載。由于國(guó)內(nèi)至今仍未見(jiàn)有關(guān)鋼纖維噴射砼的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，西安南京鐵路設(shè)計(jì)所采用的鋼纖維噴射砼仍按試驗(yàn)段考慮，采用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。鋼纖維噴砼設(shè)計(jì)技術(shù)要求見(jiàn)表3
4.2 設(shè)計(jì)推薦參考配合比
參照西康鐵路三座隧道的經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)給出了不摻硅粉時(shí)的參考配合比.表（4）
4.3 理論配合比確定
參照設(shè)計(jì)參考配合比，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，細(xì)骨料采用霸橋河砂（Ⅱ區(qū)），級(jí)配為1mm~5mm，細(xì)度模數(shù)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(nèi)試驗(yàn)情況 (見(jiàn)表5)。
從表中看出，不摻速凝劑時(shí)各齡期抗壓強(qiáng)度均大幅整體提高，而速凝劑摻量增加時(shí)，各齡期抗壓強(qiáng)度隨之減小。
4.4 現(xiàn)場(chǎng)試噴
采用中鐵西南研究分院生產(chǎn)的TK961濕噴機(jī)，人工進(jìn)料及噴射，不摻速凝劑時(shí)，水膠比0.47，微硅粉摻量38Kg/m3，鋼纖維摻量50 Kg/m3。通過(guò)測(cè)試，設(shè)計(jì)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(shí)摻2％的速凝劑可提高工作效率，并降低實(shí)際工程成本。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)大板取樣，通過(guò)試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求（表7）。
4.5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)噴
4.5.1 每立方米各項(xiàng)材料用量(表9)。 4.5.2 噴射順序根據(jù)隧道工序安排和拱部噴射回彈量 稍大的特點(diǎn)，鋼纖維噴射砼時(shí)將邊墻和拱部分開(kāi)進(jìn)行，這樣可收到滿意的效果。目前，萬(wàn)軍回隧道已完成鋼纖維噴射砼永久支護(hù)約80米，效果非常明顯。
現(xiàn)場(chǎng)將原裝微硅粉拆裝為７.５Kg～ ８.０Kg的小袋，在投入骨料同時(shí)投入微硅粉并加入水泥干拌約１０秒再加水及外加劑．強(qiáng)制式拌合機(jī)攪拌時(shí)間控制在５～６分鐘。
５ 成本比較
摻添一定量的微硅粉對(duì)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(tài)速凝劑，使得在噴射邊墻時(shí)這項(xiàng)昂貴（６０００元／t）的材料費(fèi)用為零，大大降低了工程成本。通過(guò)計(jì)算，在同等條件下，摻微硅粉時(shí)噴射拱部每立方米鋼纖維砼比不摻時(shí)可減少材料費(fèi)用44元；而在噴射邊墻時(shí)則可減少材料費(fèi)用達(dá)８８元（表10所述）
６ 結(jié)束語(yǔ)
６.１ 微硅粉在國(guó)內(nèi)作為一種較為新型的添加劑已經(jīng)得到推廣運(yùn)用，雖然也多用于高強(qiáng)砼，但在挪威法（ＮＴＭ）設(shè)計(jì)施工的隧道工程也逐漸使用。筆者認(rèn)為不局限于挪威法（ＮＴＭ）設(shè)計(jì)施工的隧道，而應(yīng)廣泛用于普通噴射砼，尤其是初期支護(hù)，如不是地震多發(fā)帶或無(wú)爆破振動(dòng)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(zhì)，又能降低工程成本。
６.２ 從大量的國(guó)外使用資料看，一般均使用機(jī)械手噴射作業(yè)，泵送形式的濕噴機(jī)較多，而摻添微硅粉后砼泵送性極強(qiáng)，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(jī)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(yuǎn)不如機(jī)械手。
６.３ 養(yǎng)護(hù)對(duì)摻添微硅粉后的噴射砼致關(guān)重要，即便是隧道，也應(yīng)區(qū)別于不摻微硅粉砼的隧道而進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。也就是說(shuō)常規(guī)的洞內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)難以達(dá)到噴射微硅粉砼齡期各項(xiàng)指標(biāo)。在萬(wàn)軍迴隧道試驗(yàn)過(guò)程中，我們讓一組大板噴射砼試件在取樣后不作任何養(yǎng)護(hù)（設(shè)計(jì)２８天強(qiáng)度為３０MPa ），測(cè)得 ２３天抗壓強(qiáng)度為２１MPa，然后將這組試件進(jìn)行三天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，測(cè)得其抗壓強(qiáng)為31.1MPa,２８天時(shí)測(cè)得其抗壓強(qiáng)度為３５.１MPa。因此，不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的噴射砼極有可能抗壓強(qiáng)度等均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，并且養(yǎng)護(hù)期應(yīng)在７天以上，這是施工中應(yīng)特別注意的。
６．４ 微硅粉由于顆粒細(xì)小而引起揚(yáng)塵較大，故廠商在生產(chǎn)時(shí)為便于運(yùn)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(duì)環(huán)境的污染。因此，在拌合時(shí)為使增密后的微硅粉恢復(fù)原狀，均勻地分散在噴射砼中，攪拌時(shí)間應(yīng)比普通噴射砼長(zhǎng)１～２分鐘。
