1 引言
目前，世界各國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，我國在二十世紀(jì)九十年代開始引進(jìn)、研究并使用，但也僅有少例使用在水工及公路，鐵路隧道則無人問津，國內(nèi)也尚未制定統(tǒng)一的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
2 國內(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，國內(nèi)應(yīng)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(chǔ)氣洞室。表1是國內(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濾出來的，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 萬軍迴鐵路雙線隧道的應(yīng)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(lán)田縣境內(nèi)，屬秦嶺中山區(qū)，隧道全長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)較好且對砼無侵蝕性。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(fā)展而來，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，均未見有摻添硅粉的記載。由于國內(nèi)至今仍未見有關(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，采用國外標(biāo)準(zhǔn)。鋼纖維噴砼設(shè)計(jì)技術(shù)要求見表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。通過測試，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)場大板取樣，通過試驗(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)將邊墻和拱部分開進(jìn)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(hù)約80米，效果非常明顯。
現(xiàn)場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
６.１ 微硅粉在國內(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)。在萬軍迴隧道試驗(yàn)過程中，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，測得其抗壓強(qiáng)為31.1MPa,２８天時(shí)測得其抗壓強(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１～２分鐘。
