CN118955060A - 隧道二次衬砌混凝土材料、制备及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种隧道二次衬砌混凝土材料、制备及应用。该混凝土材料包括玄武岩纤维和混凝土基体材料，混凝土基体材料以质量份计，包括：324~364份水泥，28~32份粉煤灰，755~775份细集料，1000~1300份粗集料，150~170份水和5.10~5.30份减水剂；玄武岩纤维占混凝土基体材料总质量的0.09~0.12%；玄武岩纤维的长度为12mm~18mm。本发明合理设置玄武岩纤维的长度和掺量，以及混凝土基体材料的种类和含量，使得本发明混凝土材料相较于传统混凝土材料在抗压、抗折、抗拉方面等性能得到明显提升，且相较于其他的纤维增强复合材料，本材料成本更低，可在隧道衬砌领域推广应用。

Description

隧道二次衬砌混凝土材料、制备及应用
技术领域
本发明涉及混凝土领域，尤其涉及隧道二次衬砌混凝土材料、制备及应用。
背景技术
混凝土至今仍是全世界用量最大、应用最广泛的建筑材料，但其存在抗拉强度低、脆性大和易开裂的缺点。一般情况下在混凝土中掺加纤维有助于克服混凝土材料的先天缺陷。
目前的一些玄武岩纤维水泥基复合材料是以水泥为基体，加入玄武岩纤维增强的复合材料。这种玄武岩纤维水泥基复合材料造价昂贵，因此多停留在理论研究，或在高性能化和特殊环境下的应用，在实际隧道工程的应用中并不广泛。
现有技术（如 CN111439977A，CN112159168B）存在将玄武岩纤维应用于混凝土中，以改善其性能，并应用于相关工程结构中的技术方案。然而上述常规具有玄武岩纤维的混凝土材料在较低的玄武岩纤维掺量的条件下，混凝土材料的抗压强度、抗折强度、劈裂强度的提升幅度有限。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种隧道二次衬砌混凝土、制备及应用，以解决现有的具有玄武岩纤维的混凝土材料在较低的玄武岩纤维掺量的条件下，混凝土材料的抗压强度、抗折强度、劈裂强度的提升幅度有限的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了隧道二次衬砌混凝土材料，包括玄武岩纤维和混凝土基体材料，所述混凝土基体材料以质量份计，包括：324~364份水泥，28~32份粉煤灰，755~775份细集料，1000~1300份粗集料，150~170份水和5.10~5.30份减水剂；其中，所述玄武岩纤维的体积为所述混凝土基体材料总体积的0.09~0.12%；所述玄武岩纤维的长度为12mm。
所述粗集料包括三档连续级配的碎石；
其中，一档碎石的粒径范围为4.75-9.5mm，表观密度为2804kg/m3、堆积密度1630kg/m3、空隙率41.5%，含泥量0.8%，针片状含量为5.5%；
二档碎石的粒径范围为9.5-19mm，表观密度为2796kg/m3、堆积密度1670kg/m3、空隙率40.3%，含泥量0.3%，针片状含量为4.5%；
三档碎石的粒径范围为19-31.5mm，表观密度为2801kg/m3、堆积密度1630kg/m3、空隙率41.8%，含泥量0.3%，针片状含量为5.9%；
所述一档碎石、所述二档碎石和所述三档碎石的质量比为1:3:1。
根据本申请的实施方式，所述混凝土基体材料以质量份计，包括：344份水泥，30份粉煤灰，765份细集料、1100份粗集料，161份水和5.23份减水剂；所述玄武岩纤维的体积为所述混凝土基体材料总体积的0.1%；所述玄武岩纤维的长度为12mm。
根据本申请的实施方式，所述玄武岩纤维的直径为16.1μm，密度为2650kg/m3，断裂强度为1723MPa，断裂延伸率为2.7%，弹性模量为8100GPa，含水率为0.02%。
根据本申请的实施方式，所述细集料为砂子，所述砂子的表观密度为2784kg/m3、堆积密度1660kg/m3、空隙率40.4%，泥块含量0.2%，含泥量1.1%，细度模数为2.88Mx。
根据本申请的实施方式，所述砂子的粒径满足：在4.75mm的筛孔下的累计筛余率为8.4%，在2.36mm的筛孔下的累计筛余率为28.4%，在1.18mm的筛孔下的累计筛余率为35.8%，在0.6mm的筛孔下的累计筛余率为60.5%，在0.3mm的筛孔下的累计筛余率为82.1%，在0.15mm的筛孔下的累计筛余率为98.8%。
本申请还提供了一种上述的隧道二次衬砌混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
将对应质量份的水泥、粉煤灰、细集料、粗集料经第一干拌搅拌均匀后，再加入对应体积的玄武岩纤维经第二干拌搅拌均匀；
在第二干拌得到混合物后，加入对应质量份的水和减水剂，经第三搅拌搅拌均匀，得到隧道二次衬砌混凝土材料。
根据本申请的实施方式，在所述第一干拌的步骤中，搅拌时长为28~32s。
在所述第二干拌的步骤中，搅拌时长为28~32s。
在所述第三搅拌的步骤中，搅拌时长为55~65s。
本申请还提供了一种上述的隧道二次衬砌混凝土材料在隧道二次衬砌中的应用，包括将所述隧道二次衬砌混凝土材料施作形成隧道二次衬砌。
根据本申请的实施方式，在施作之后还包括进行振捣，所述振捣时长为40s。
上述的隧道二次衬砌混凝土中，合理设置了玄武岩纤维的掺入量、长度，并对混凝土基体材料的种类、含量，如粗集料的级配、减水剂的含量进行了优化。上述的隧道二次衬砌混凝土在玄武岩纤维的掺量为0.09~0.12%的条件下，抗压强度、抗折强度、劈裂强度均得到明显提升。并且由于隧道二次衬砌混凝土包括了相对较多组成的粗集料，相较于玄武岩纤维水泥基复合材料，大幅降低了成本，可以在隧道衬砌领域推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本申请一实施方式的玄武岩纤维混凝土的制备方法的流程图；
图2是本申请一实施方式的不加纤维混凝土的状态图；
图3是本申请一实施方式的掺入12mm纤维混凝土状态图；
图4是本申请一实施方式的不加纤维混凝土的坍落度实物图；
图5是本申请一实施方式纤维度掺量为0.3%的隧道二次衬砌混凝土的坍落度实物图；
图6是本申请一实施方式的7d龄期不同长度纤维混凝土的抗压强度图；
图7是本申请一实施方式的28d龄期不同长度纤维混凝土的抗压强度图；
图8是本申请一实施方式的7d龄期不同长度纤维混凝土的抗折强度图；
图9是本申请一实施方式的28d龄期不同长度纤维混凝土的抗折强度图；
图10是本申请一实施方式的7d龄期不同长度纤维混凝土的劈裂强度图；
图11是本申请一实施方式的28d龄期不同长度纤维混凝土的劈裂强度图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示（诸如上、下……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供了隧道二次衬砌混凝土材料，包括玄武岩纤维和混凝土基体材料，所述混凝土基体材料以质量份计，包括：324~364份水泥，28~32份粉煤灰，755~775份细集料，1000~1300份粗集料，150~170份水和5.10~5.30份减水剂；其中，所述玄武岩纤维的体积为所述混凝土基体材料总体积的0.09~0.12%；所述玄武岩纤维的长度为12mm。
所述粗集料包括三档连续级配的碎石；
其中，一档碎石的粒径范围为4.75-9.5mm，表观密度为2804kg/m3、堆积密度1630kg/m3、空隙率41.5%，含泥量0.8%，针片状含量为5.5%；
二档碎石的粒径范围为9.5-19mm，表观密度为2796kg/m3、堆积密度1670kg/m3、空隙率40.3%，含泥量0.3%，针片状含量为4.5%；
三档碎石的粒径范围为19-31.5mm，表观密度为2801kg/m3、堆积密度1630kg/m3、空隙率41.8%，含泥量0.3%，针片状含量为5.9%；
所述一档碎石、所述二档碎石和所述三档碎石的质量比为1:3:1。
需要说明的是，混凝土基体材料的作用主要是便于描述隧道二次衬砌混凝土材料中各物料的组成，并非限定隧道二次衬砌混凝土材料中必须包括一个如混凝土基体材料组成的混凝土，在此基础上加入玄武岩纤维。
水泥是混凝土中重要的胶凝材料的组成部分，水泥的品质，强度等方面会影响到混凝土的性能。本次试验中混凝土的等级为C30，水泥选择为全椒海螺水泥有限责任公司生产的普通硅酸盐水泥（P•O42.5），并且对水泥有着一定的要求：
①选用42.5等级的普通硅酸盐水泥；
②水泥的强度要达标且高于标准且水泥的性能指标要满足国家标准；
水泥的组成成分和性能指标如表1.1所示。
表1水泥性能指标
粗集料的选择对于混凝土来说，也是十分的重要，因为它将直接影响混凝土的力学性能，试验选取的粗集料要求质量符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》规定，洁净，针片状颗粒相对较少，颗粒形状接近立方体最好；要有良好的颗粒级配，最好是连续级配，并且在此基础上要求含水量低，粗集料本身的强度也要高于混凝土的强度。
粗集料包括三档连续级配的碎石。其中，一档碎石的粒径范围为4.75-9.5mm，表观密度为2804kg/m3、堆积密度1630kg/m3、空隙率41.5%，含泥量0.8%，针片状含量为5.5%。二档碎石的粒径范围为9.5-19mm，表观密度为2796kg/m3、堆积密度1670kg/m3、空隙率40.3%，含泥量0.3%，针片状含量为4.5%。三档碎石的粒径范围为19-31.5mm，表观密度为2801kg/m3、堆积密度1630kg/m3、空隙率41.8%，含泥量0.3%，针片状含量为5.9%。所述一档碎石、所述二档碎石和所述三档碎石的质量比为1:3:1。
相应地，在混凝土基体材料中，1100质量份碎石包括220份一档碎石、660二档碎石、220份三档碎石。示例性地，本申请选择的是和县横山（和县横山矿业有限公司）的三档连续级配的碎石，其性能指标如下表2、表3。
表2粗集料性能指标
表3粗集料筛分结果
本申请对玄武岩纤维的具体长度、外加剂、粗集料的集配等因素进行了研究，充分利用上述原料之间的协调关系。具体如下：
本申请的隧道二次衬砌混凝土材料还包括减水剂。一方面，减水剂可以增加混凝土的流动性，使得其中的玄武岩纤维不容易团聚，与混凝土基体材料混合均匀，形成致密的材料，孔隙低，从而降低玄武岩纤维对混凝土流动性的影响，提升混凝土材料各方面的性能。
另一方面，在保持混凝土强度不变的情况下，减水剂可以减少混凝土中水泥的用量，从而减少用水量。这有助于提高混凝土的耐久性和抗渗性。
本申请的隧道二次衬砌混凝土材料还对粗集料进行了优化。本申请提出的三档连续级配碎石有利于混凝土形成均匀致密的结构，在本申请的级配下，提高隧道二次衬砌混凝土材料的流动性和可塑性，使得其中的玄武岩纤维不容易团聚，与混凝土基体材料混合均匀，从而降低玄武岩纤维对流动性的影响，提升混凝土材料各方面的性能。
而且在该级配下，可以减少混凝土中的孔隙率，从而提高隧道二次衬砌混凝土材料的密实度和强度。
在对上述因素综合考虑并进行优化之后，在玄武岩纤维的掺量为0.09~0.12%的条件下，得到了抗压强度、抗折强度、劈拉强度更高的隧道二次衬砌混凝土材料，获得预料不到的有益效果。
上述的隧道二次衬砌混凝土中，合理设置了玄武岩纤维的掺入量、长度，并对混凝土基体材料的种类、含量，如粗集料的级配、减水剂的含量进行了优化。上述的隧道二次衬砌混凝土在玄武岩纤维的掺量为0.09~0.12%的条件下，抗压强度、抗折强度、劈裂强度均得到明显提升。并且由于隧道二次衬砌混凝土包括了相对较多组成的粗集料，相较于玄武岩纤维水泥基复合材料，大幅降低了成本，可以在隧道衬砌领域推广应用。
细集料在混凝土中也发挥着重要作用，根据砂石级配原理，砂子等细骨料的作用是填充砾石、卵石等粗骨料之间的缝隙，增加混凝土的强度。所以选择合适的砂子（如河砂）也对试验有着重要的影响。此次试验对砂子也有一系列的规范要求，首先是砂子一定要符合技术标准，表面洁净，达到规范要求。其次就是采用的C30配比的混凝土，所采用的必须为中砂，而且模度系数控制在2.3-3.0之间，砂率也要达到要求。
在一些实施例中，本申请中的河砂满足以下条件：其性能指标如下表4，表5。试验采用的是江西福赣砂石贸易公司河砂。
表4细集料的性能指标
表5细集料筛分结果
混凝土中掺入外加剂，在不改变各种原材料配比的情况下，添加混凝土高效减水剂，不会改变混凝土强度，同时可以大幅度提高混凝土的流变性及可塑性，在不改变各种原材料配比（除水泥）及混凝土强度的情况下，可以减少水泥的用量，掺加水泥质量0.2%~0.5%的混凝土减水剂，可以节省水泥量的15~30%以上。并且同时掺加混凝土减水剂，可以提高混凝土的寿命一倍以上。本次试验采用安徽金石混凝土外加剂有限公司JSPC-2外加剂。
通常在混凝土的配比中还会掺入适量的粉煤灰，因为粉煤灰在混凝土中能够起到活性的作用，能够使水泥和煤灰之间的缝隙变得更小。其次它也能够起到填充的作用，能够使结构密度得以提高。
本次试验采用的是淮南常华电力实业总公司F类Ⅱ级粉煤灰，其物理性质如表6。
表6粉煤灰物理性质
本次试验加入的纤维便是玄武岩纤维，玄武岩纤维相比较于其他纤维有着以下优势；玄武岩纤维的弹性模量与混凝土的基体材料的弹性模量亦处于同一数量级，两者具有良好的变形协调能力，而玄武岩纤维的抗拉强度与混凝土基体相比至少高出两个数量级，因此具有较高的抗拉能力。另外，玄武岩纤维的价格低于碳纤维、玻璃纤维等，在混凝土工程中应用具有性价比优势。尤其是玄武岩纤维本身无任何毒副作用，在施工使用过程中不会对人体造成任何危害，所以本次试验重点研究玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响。
在一些实施例中，所述玄武岩纤维的直径为16.1μm，密度为2650kg/m3，断裂强度为1723MPa，断裂延伸率为2.7%，弹性模量为8100GPa，含水率为0.02%。
示例性地，本申请试验采用的是江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司生产的玄武岩纤维，其物理、力学性能如下表7。
表7玄武岩纤维物理、力学性能
在配制玄武岩纤维混凝土时，通过多次试配未加纤维的混凝土的配合比。但随着纤维的加入，纤维会吸附混凝土内部的拌合水分，此时基于配合比和水胶比不变的情况下，适当改变外加剂的使用量来保证混凝土的性能。外加剂的加入，对混凝土强度的基本上没有什么影响，但同时也要保证外加剂的加入量，控制在合适的范围之内。防止其产生泌水和离析现象，从而影响试验数据。
本申请还提供了一种上述的隧道二次衬砌混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
将对应质量份的水泥、粉煤灰、细集料、粗集料经第一干拌搅拌均匀后，再加入对应体积的玄武岩纤维经第二干拌搅拌均匀；
在第二干拌得到混合物后，加入对应质量份的水和减水剂，经第三搅拌搅拌均匀，得到隧道二次衬砌混凝土材料。
在一些实施例中，在所述第一干拌的步骤中，搅拌时长为28~32s。
在所述第二干拌的步骤中，搅拌时长为28~32s。
在所述第三搅拌的步骤中，搅拌时长为55~65s。
示例性地，提前准备好的粗骨料，细骨料，水泥，粉煤灰依次称量完毕并倒入混凝土搅拌机里，然后开动搅拌机行进干拌，干拌30s后先加入称好的玄武岩纤维均匀的撒入（目的是防止纤维结团分布不均），然后再干拌30s；之后再加入水和称好的外加剂进行充分的搅拌，搅拌时间60s。得到制备好的隧道二次衬砌混凝土材料。具体而言，搅拌转速与搅拌机的类型有关，如，自落式搅拌机的转速一般为14-~33r/min;强制式搅拌机一般为20~36r/min，转速不做强制规定。
申请人在一些实验中采用了其他的混合方式，玄武岩纤维是在水泥、粉煤灰、细集料、粗集料混合均匀之后，再加入水和外加剂后进行投放，此时混凝土搅拌机中已经完全处于湿润有水的状态，纤维加入之后与骨料接触时，因为有水的原因，不能让纤维充分的展开，并且因为水的原因也可能让纤维结团，不能够均匀分布。
本申请还提供了一种上述的隧道二次衬砌混凝土材料在隧道二次衬砌中的应用，包括将所述隧道二次衬砌混凝土材料施作形成隧道二次衬砌。
基于所述玄武岩纤维混凝土的山岭隧道复合式衬砌结构主要包括S5a、S5b、S5c、S4a、S4b、S4c、S3a、S3b八种类型，按隧道所述地质情况的不同来选择不同类型的衬砌结构。
所述S5a衬砌主要用于隧道洞口Ⅴ级围岩浅埋段及对洞身稳定影响较大的构造破碎带。所述S5a衬砌沿隧道径向由外向内主要包括初期支护、预留变形量、防水层、二次衬砌。所述初期支护沿隧道径向由外向内主要包括26cm厚C25喷射混凝土、钢筋网（间距20cm×20cm单层）、20a工字钢（纵距60cm）。所述预留变形量为沿隧道环向设置的厚度为12cm的预留变形量。所述防水层沿隧道径向由外向内主要包括400g/m2无纺布、1.5mm厚EVA防水卷材。所述二次衬砌为45cm厚所述玄武岩纤维钢筋混凝土，相较于传统的50cm厚C30钢筋混凝土二衬而言，节省了混凝土用量，且提升了衬砌抗裂性能和耐久性。
所述S5b衬砌主要用于隧道洞身Ⅴ级围岩洞身浅埋段、深埋软质岩段及对洞身稳定影响较小的局部构造破碎带。所述S5b衬砌沿隧道径向由外向内主要包括初期支护、预留变形量、防水层、二次衬砌。所述初期支护沿隧道径向由外向内主要包括24cm厚C25喷射混凝土、钢筋网（间距20cm×20cm单层）、18工字钢（纵距75cm）。所述预留变形量为沿隧道环向设置的厚度为10cm的预留变形量。所述防水层沿隧道径向由外向内主要包括400g/m2无纺布、1.5mm厚EVA防水卷材。所述二次衬砌为45cm厚所述玄武岩纤维钢筋混凝土。
所述S5c衬砌主要用于隧道洞身Ⅴ级围岩深埋硬质岩段。所述S5c衬砌沿隧道径向由外向内主要包括初期支护、预留变形量、防水层、二次衬砌。所述初期支护沿隧道径向由外向内主要包括24cm厚C25喷射混凝土、钢筋网（间距20cm×20cm单层）、18工字钢（纵距80cm）。所述预留变形量为沿隧道环向设置的厚度为10cm的预留变形量。所述防水层沿隧道径向由外向内主要包括400g/m2无纺布、1.5mm厚EVA防水卷材。所述二次衬砌为40cm厚所述玄武岩纤维钢筋混凝土，相较于传统的45cm厚C30钢筋混凝土二衬而言，节省了混凝土用量，且提升了衬砌抗裂性能和耐久性。
所述S4a衬砌主要用于隧道Ⅳ级围岩洞口浅埋段及洞身破碎带。所述S4a衬砌沿隧道径向由外向内主要包括初期支护、预留变形量、防水层、二次衬砌。所述初期支护沿隧道径向由外向内主要包括22cm厚C25喷射混凝土、钢筋网（间距25cm×25cm单层）、16工字钢（纵距100cm）。所述预留变形量为沿隧道环向设置的厚度为8cm的预留变形量。所述防水层沿隧道径向由外向内主要包括400g/m2无纺布、1.5mm厚EVA防水卷材。所述二次衬砌为35cm厚所述玄武岩纤维混凝土，相较于传统的40cm厚C30模筑混凝土而言，节省了混凝土用量，且提升了衬砌抗裂性能和耐久性。
所述S4b衬砌主要用于隧道Ⅳ级围岩深埋软质岩段。所述S4b衬砌沿隧道径向由外向内主要包括初期支护、预留变形量、防水层、二次衬砌。所述初期支护沿隧道径向由外向内主要包括20cm厚C25喷射混凝土、钢筋网（间距25cm×25cm单层）、14工字钢（纵距100cm）。所述预留变形量为沿隧道环向设置的厚度为7cm的预留变形量。所述防水层沿隧道径向由外向内主要包括400g/m2无纺布、1.5mm厚EVA防水卷材。所述二次衬砌为35cm厚所述玄武岩纤维混凝土，相较于传统的40cm厚C30模筑混凝土而言，节省了混凝土用量，且提升了衬砌抗裂性能和耐久性。
所述S4c衬砌主要用于隧道Ⅳ级围岩深埋硬质岩段。所述S4c衬砌沿隧道径向由外向内主要包括初期支护、预留变形量、防水层、二次衬砌。所述初期支护沿隧道径向由外向内主要包括20cm厚C25喷射混凝土、钢筋网（间距25cm×25cm单层）、14工字钢（纵距120cm）。所述预留变形量为沿隧道环向设置的厚度为7cm的预留变形量。所述防水层沿隧道径向由外向内主要包括400g/m2无纺布、1.5mm厚EVA防水卷材。所述二次衬砌为35cm厚所述玄武岩纤维混凝土，相较于传统的40cm厚C30模筑混凝土而言，节省了混凝土用量，且提升了衬砌抗裂性能和耐久性。
所述S3a衬砌主要用于Ⅲ级围岩紧急停车带前后各10m范围衬砌加强，也用于实际施工过程中，层状结构分层明显的Ⅲ级围岩，围岩强度、硬度较高，但部分段落拱部较长距离竖向节理裂隙发育，潜在掉块、小坍塌风险较大的地段。所述S3a衬砌沿隧道径向由外向内主要包括初期支护、预留变形量、防水层、二次衬砌。所述初期支护沿隧道径向由外向内主要包括20cm厚C25喷射混凝土、钢筋网（间距25cm×25cm单层）、格栅钢拱架（纵距120cm）。所述预留变形量为沿隧道环向设置的厚度为5cm的预留变形量。所述防水层沿隧道径向由外向内主要包括400g/m2无纺布、1.5mm厚EVA防水卷材。所述二次衬砌为30cm厚所述玄武岩纤维混凝土，相较于传统的35cm厚C30模筑混凝土而言，节省了混凝土用量，且提升了衬砌抗裂性能和耐久性。
所述S3b衬砌主要用于Ⅲ级围岩一般地段。所述S3b衬砌沿隧道径向由外向内主要包括初期支护、预留变形量、防水层、二次衬砌。所述初期支护沿隧道径向由外向内主要包括10cm厚C25喷射混凝土、钢筋网（间距25cm×25cm单层）。所述预留变形量为沿隧道环向设置的厚度为5cm的预留变形量。所述防水层沿隧道径向由外向内主要包括400g/m2无纺布、1.5mm厚EVA防水卷材。所述二次衬砌为30cm厚所述玄武岩纤维混凝土，相较于传统的35cm厚C30模筑混凝土而言，节省了混凝土用量，且提升了衬砌抗裂性能和耐久性。
本申请所述的隧道复合式衬砌结构基于新奥法原理。初期支护由系统锚杆、单层钢筋网、喷射混凝土、工字钢钢拱架（若有）组成，结合管棚、双层小导管或超前小导管等超前加固手段作为辅助施工措施，二次衬砌采用模筑玄武岩纤维钢筋混凝土，初期支护与二次衬砌之间铺设防水层。支护参数可根据量测信息适当调整。施工过程中应严格遵循"管超前、浆严注、短进尺、弱爆破、强支护、早成环、勤量测"的原则，严格工序控制，保证施工安全与结构稳定。
在一些实施例中，在施作之后还包括进行振捣，所述振捣时长为40s。
在制作试件的过程中，搅拌完毕后倒出装模，装模完毕后，把模具放在振动台上进行振动40s（经过多次试验所选取的最佳时间）。最后就是抹面收面，放入养护室，温度为20±2℃，相对湿度为95%左右，龄期分别为7d，28d进行养护。
优选地，采用振动台进行振捣。人工的插捣效果不如振动台的效果好。人工振捣，通过这种方法制作出来的混凝土试件里会有大量的气泡，严重影响混凝土试件的强度。出现这种现象的原因是混凝土加入了纤维，纤维与混凝土粘结在一起增加了振捣的阻力，同时也会产生一定的空隙，导致振捣完之后混凝土内部还有很多气泡没有被排出，这样使得混凝土内部不能够很好的相互粘结，从而影响混凝土的强度。
以下结合具体的实施例对本申请的技术方案进行说明。
实施例1
按照表8配置多组混凝土，其具体的制备方法包括：提前准备好的粗骨料，细骨料，砂，水泥，粉煤灰依次称量完毕并倒入混凝土搅拌机里，然后开动搅拌机行进干拌，干拌30s后先加入称好的玄武岩纤维均匀的撒入（目的是防止纤维结团分布不均），然后再干拌30s；之后再加入水和称好的外加剂进行充分的搅拌，搅拌时间60s。搅拌完毕后倒出装模，装模完毕后，把模具放在振动台上进行振动40s（经过多次试验所选取的最佳时间）。最后就是抹面收面，放入养护室，温度为20±2℃，相对湿度为95%左右，龄期分别为7d，28d进行养护。其中B1-12为本申请的配合比符合本申请的隧道二次衬砌混凝土材料配比。
表8玄武岩纤维混凝土配合比
注释：B0代表无玄武岩纤维，B1-12代表纤维掺量为0.1%，长度为12mm以此类推。
对各组混凝土及得到的试件进行测试。
坍落度
坍落度是混凝土和易性的测定方法与指标，工地与实验室中，通常是做坍落度试验测定拌合物的流动性，并以直观经验评定粘聚性和保水性。坍落度是用一个量化指标来衡量其程度的高低，用于判断施工能否正常进行。
流动性是评价混凝土工作性能的一项重要指标，试验主要参考《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2002）的方法进行，试验所用试样为新拌玄武岩纤维混凝土，试验步骤如下：
（1）为防止仪器设备带走混凝土的一部分水分，在测试之前坍落度筒内壁及其他用具应用湿布抹湿，将筒置于湿润且不吸水的钢板上，双脚踩住筒两边的踏板，防止装料时筒发生移动。
（2）按筒高的1/3分层装料，每层用捣棒沿螺旋方向由外向内均匀插捣25次，捣棒应插透本层。沿筒边插捣时，捣棒应稍向内倾斜。最后一层在装料捣实之后让混凝土略高出筒口，然后用抹刀刮去后抹平。
（3）清除筒边的混凝土后，在5~10s内平稳、垂直平稳地提起坍落度筒。从装料到提桶应在150s内完成。
（4）测量坍落后混凝土拌合物的最高点与筒高之间的距离，即为该混凝土拌合物的坍落度值，单位为毫米。对不同掺量的纤维混凝土均进行坍落度试验。所测试的坍落度试验结果如表3.9所示：
表9玄武岩纤维混凝土坍落度结果
注释：B0代表无玄武岩纤维，B1-12代表纤维掺量为0.1%，长度为12mm以此类推。
参见图2和3，纤维混凝土的状态和不加纤维的混凝土的状态如图2和图3所示。从表9可以看出，纤维的加入对混凝土的坍落度有着明显的影响。随着纤维掺量的增加，其混凝土的坍落度逐渐减小。原因是在混凝土中逐渐加入纤维会导致部分纤维存在搅拌不均匀，成团，缠绕在一起，会阻碍混凝土骨料的流动；同时当玄武岩纤维投入混合物后，随即被搅拌分散成极细的絮状纤维丝，而原来包裹骨料的水泥浆有一部分转移用于包裹纤维丝，纤维水泥浆之间会吸附一定的拌合水，从而导致混凝土的流动性变差。不加纤维的混凝土坍落度到达190mm，如图4所示，掺量越高对混凝土的坍落度影响越大，综合试验研究成果来说，掺量在0.1%左右最为合适。此掺量下混凝土在成型硬化之后，表面光滑，纤维分布用肉眼看不是很明显；掺量在0.3%时，成型试件的表面粗糙，很明显的看见表面分布的少许纤维，其坍落度到达170mm，如图5所示。
抗压强度试验
混凝土抗压强度试验依据《普通混凝土力学性能试验标准》（GB/T50081-2002），同时试件采用试件为150mm×150mm×150mm。
试验所采用的为数字压力机，最大负载约为2000kN，试验步骤如下：
（1）从养护室取出试件，擦净试件及试验机上下承压板；
（2）试件中心对准试验机的下压板中心安放，以试件成形时的侧面作为承压面，开动试验机，当上压板接近试件时，调整球座，使试件与上压板均衡接触；
（3）连续均匀加荷，加荷速度为0.5—0.8MPa/s，试件接近破坏时停止调整油门，直到试件破坏，记录最大荷载，精确至0.1MPa。
（4）混凝土立方体抗压强度计算：式中：
f cu —混凝土立方体抗压强度（MPa）
F—受压极限荷载（N）
A—试件受压面积（mm²）
本试验研究了纤维掺量分别为0.1%，0.2%，0.3%，长度12mm，18mm，24mm的玄武岩纤维混凝土的7d和28d不同龄期试件的抗压强度，试验的数据如下。
表10玄武岩纤维混凝土各龄期抗压强度
由表10可知玄武岩纤维的加入对于混凝土抗压强度有着显著的提升，对于不同掺量和不同长度的纤维对于混凝土强度改变也有所不同。从表中我们可以看出，纤维体积掺量为0.1%时，混凝土强度提升高于其他掺量，同时也高于不加纤维的混凝土，当纤维长度为12mm，体积掺量为0.1%时表现的效果最优。7d，28d的抗压强度达到了38.35MPa和47.01MPa分别提高了11%和16%。但从随着纤维掺量的增加，三种长度的纤维对混凝土的抗压强度改善不明显甚至呈下降趋势，由此可知适量的纤维能够对抗压强度有增强作用，而纤维过量会适得其反。
从图6和图7可知，体积掺量为0.1%，长度为12mm的纤维混凝土强度最高，高于其他的掺量，长度为12mm的纤维较短，易于分散，在搅拌时能直观的看出分散性是三种纤维中最好的玄武岩纤维能够提高混凝土强度是因为适量的纤维均匀掺入混凝土中，通过搅拌分散开后，在混凝土成型早期基体内部强度还处于正在增长期，纤维能够连接在基体之间，在外力作用下能够阻碍裂缝的发展因而提高早期强度。但当纤维过量之后，会存在大量分散不均匀的纤维，而这些纤维之间没有粘结力，在混凝土水化初期不能抵抗较大载荷，因此在体积掺量为0.2%~0.3%时，纤维混凝土的强度相对普通混凝土下降得多，是因为随着纤维的掺量增加，其成团现象越严重，让纤维与混凝土的有效接触面减小从而导致内部孔隙增大，使得混凝土抗压强度降低。
在混凝土抗压试验中，可以发现当未加纤维的试件在达到开裂荷载时，试件的四个棱角处会出现一些竖向裂纹，在继续承受荷载作用之后，裂纹会发展成裂缝并扩大之间的间隙，表层伴有混凝土轻微剥落。当所受荷载继续增大时，裂缝继续发展并有少量混凝土块掉落。
掺入玄武岩纤维的混凝土的试件，裂缝数量较普通混凝土明显减小，试件缘仅有少量混凝土剥落和少量的竖向裂纹。裂缝开展程度并没有普通混凝土试件大，是因为纤维在混凝土试件中呈三维立体分布，可有效的降低微裂尖端的应力集中，限制了裂缝的发展。当荷载继续增加，试件上的裂缝会逐渐向内部发展，有部分分散在基体内部的纤维刚好位于裂缝之间，有效的传递裂缝传来的力，延缓混凝土的破坏。
弯曲抗拉强度试验
混凝土抗压强度试验依据《普通混凝土力学性能试验标准》（GB/T50081-2002），同时试件采用试件为150mm×150mm×550mm。
试验所采用的为万能试验机，最大负载为300kN，试验步骤如下：
（1）从养护室取出试件后擦净并检查外观，试件不得存在明显缺陷；
（2）将试件成型时的侧面作为承压面，所有安装尺寸偏差不得大于1mm，支座及承压面与圆柱的接触面应平稳，均匀，否则应垫平；
（3）开动试验机，均匀加载，加荷速度为0.05—0.08MPa/s，试件接近破坏时停止调整油门，直到试件破坏，记录破坏荷载及试件下边缘断裂位置，抗折强度精确至0.01MPa。
混凝土试件的抗折强度公式:
式中：—混凝土抗折强度（MPa）
F—试件破坏荷载（N）
L—支座间跨度（mm）
b,h—试件截面宽度和高度（mm）
本部分试验同样研究了纤维掺量分别为0.1%，0.2%，0.3%，长度分别为12mm，18mm，24mm的玄武岩纤维混凝土的7d和28d不同龄期试件的抗压强度，试验的数据如下。
表11玄武岩纤维混凝土各龄期抗折强度
从表11数据中可以看出，玄武岩纤维的掺入对于混凝土的抗折强度是有着明显的改善，从图表中我们可知，随着龄期的增加，纤维对于强度的提高愈加明显，28d时0.1%~0.3%掺量纤维基本上都提高了混凝土的抗折强度，效果好于7d的强度。同时我们也可以得知体积掺量为0.1%时，对于混凝土抗折强度的提升较好于0.2%，0.3%以及不掺入纤维混凝土的强度。在体积掺量0.1%，同时纤维长度为12mm时，这种配比抗折强度增强最大，7d时强度提高了28%，而且28d时提高了33%效果最佳。随着纤维体积掺量的增加，内部纤维经过搅拌之后存在较多分散不均匀的情况，导致与基体之间粘结减弱，整体弯曲强度均有所下降。
从图8和图9可以进一步了解，纤维的加入，确实增强了混凝土的抗折强度，从图中首先可以直观的看到，体积掺量为0.1%比其他掺量表现出强度更高，尤其长度12mm，体积掺量为0.1%的玄武岩纤维表现出的抗折强度最高，远高于其他掺量。而且在随着纤维的掺量变大，7d和28d抗折强度也随着下降，甚至低于不添加纤维的强度。
纤维自己本身存在韧性，在混凝土中不仅能够提高混凝土的力学性能，还可显著提高混凝土基体的塑性变形能力。在抗折试验中玄武岩纤维混凝土与普通混凝土相比有着明显的区别，分别是裂缝的发展速率与断口的形态。在抗折强度试验中，当试件受到荷载的作用达到开裂时，最初的裂缝会出现在两个集中荷载中间的试件受拉部分，在每个试件的底部位于中间区域会出现裂缝，随着荷载继续增加，裂缝在出现后很快就会延伸到试件上部，导致试件断裂成两部分，未加纤维的混凝土从裂缝出现到被劈成两部分的时间很短，且断口多呈平直状。
而玄武岩纤维混凝土在载荷的作用下，裂缝发展的速度明显比普通混凝土慢，延缓试件劈裂的时间，增大了试件能承受的极限载荷。由于玄武岩纤维在混凝土基体内部呈三维乱向分布，在抗弯试件裂缝发展时，裂缝中间的纤维起着桥接的作用，承担一定的拉应力。纤维的存在会抑制裂缝的发展，即使纤维受力被拉断，当荷载继续增加，试件内部的应力重分布，纤维的加入起到改变裂缝延伸路径，延缓混凝土的破坏。所以玄武岩纤维混凝土的断口位置一般不是平直的，有一定的凹凸断面。
即，未掺入纤维以及纤维掺量不足的试件的破坏形态呈现脆性断裂，掺入合理掺量的纤维的试件的破坏形态呈现延性断裂。一般而言，脆性断裂突然，断口平直，材料的应力-应变曲线在破坏时呈现陡降的形态；延性断裂缓慢，断裂前有一定征兆，如出现许多细微裂纹，试件断口多呈现细微锯齿状，材料的应力-应变曲线在材料破坏时呈现缓慢下降的形态。
3.3.5 劈裂强度试验
采用《普通混凝土力学性能试验标准》（GB/T50081-2002）的方法，同时试件采用试件为150mm×150mm×150mm。
试验所采用的仪器与抗折试验采用同样的万能试验机，试验步骤如下：
（1）试件取出后擦净表面和试验机上下承压板。在试件成形时的侧面中间垂直于顶面位置，画出劈裂面位置线；
（2）试件置于标准夹具内，上下圆弧形钢制垫块与试件之间各增垫一木质垫条，保持垫块垫条和试件劈裂面的中心线对齐，整体置于试验机下压板的中心处。
（3）开动试验机，均匀加载，加荷速度为0.05—0.08MPa/s，试件接近破坏时停止调整油门，直到试件破坏，记录破坏荷载。
（4）劈裂抗拉强度公式：
—混凝土立方体试件劈裂抗拉强度
F—试件破坏荷载（N）
A—试件劈裂面面积（mm2）
试验研究了纤维掺量分别为0.1%，0.2%，0.3%，长度分别为6mm，12mm，18mm，24mm的玄武岩纤维混凝土的7d和28d不同龄期试件的劈裂强度。试件的不同的龄期的劈裂强度如下：
表12玄武岩纤维混凝土各龄期劈裂强度
从表12中，可以看到纤维的加入同样也对混凝土的劈裂强度有着一定的影响，同抗压，抗折一样，掺量为0.1%时混凝土的增性最好，纤维长度为12mm，掺量为0.1%时劈裂强度最佳，在7d和28d龄期中分别达到了3.46MPa和3.70MPa远高于不加纤维的强度。当纤维掺量为0.2%时对于7d龄期的强度还有提升，但掺量增加为0.3%时纤维对混凝土的劈裂强度，不仅不加反而使得劈裂强度降低。
从图10和图11所知，混凝土的劈裂强度先增后减，0.1%掺量的纤维强度依旧高于其他掺量，而且趋势保持一致。纤维长度12mm，掺量为0.1%的劈裂强度是这些配比中最优的一组。相比不加纤维的提高率都高于14%，然后掺量增加，不管什么长度的纤维，劈裂强度都在降低，甚至低于不加纤维的强度。劈拉强度程下减趋势是因为纤维过量之后，纤维成团现象越严重，纤维之间存在微孔导致内部水泥胶凝材料之间的粘结力有所下降，基体内部中间孔隙与孔洞增加，在掺量为0.1%时，内部孔隙与孔洞相对较少，而在掺量为0.3%时，内部孔隙孔洞增多。在测试劈拉强度是通过垫块向试件中间施加外力，孔隙增加，负载能力减弱，因此掺量越大而混凝土的劈拉强度越低。
随着纤维掺量的增加，劈拉强度程下减趋势是因为纤维过量之后，纤维成团现象越严重，纤维之间存在微孔导致内部水泥胶凝材料之间的粘结力有所下降，基体内部中间孔隙与孔洞增加，在掺量为0.1%时，内部孔隙与孔洞相对较少。而在掺量为0.2%时，内部孔隙孔洞增多。在测试劈拉强度是通过垫块向试件中间施加外力，孔隙增加，负载能力减弱，因此掺量越大而混凝土的劈拉强度越低。
在劈裂试验中，试件会在加载荷初期上下木垫板位置处出现纵向裂纹，随着荷载的增加，裂纹沿试件的中部逐渐发展并贯通，当试件达到极限荷载后，试件被劈开成两半，从裂纹发展到裂缝，然后到最后被劈开的过程很快，普通混凝土在极限荷载作用下直接劈成两半。掺入玄武岩纤维的混凝土会推迟试件初始裂缝的形成，并且在内部裂缝发展时，纤维承担一部分拉应力，在裂缝发展时通过裂缝之间的纤维能够将力传递在两侧中，延缓了混凝土的破坏时间，且在达到极限荷载时破坏形态比普通混凝土保持得更加完整。若裂缝两侧之间能够传递力的纤维越多，这样对混凝土的改善更加明显。
综合本试验研究及结果分析，得到如下几点结论：
（1）在混凝土中逐量的加入玄武岩纤维会一定程度上的影响混凝土的流动性，随着纤维掺量逐渐增大，三种不同长度及的玄武岩纤维混凝土拌合物的流动性都逐渐降低，坍落度逐渐降低，就以纤维长度为12mm为例，0.3%纤维掺量的混凝土与未掺纤维混凝土比其流动性大大降低，掺入纤维的混凝土几乎没有流动性。纤维掺量越大、长度越长其流动性损失越，坍落度也逐渐变小。
（2）玄武岩纤维对混凝土的抗压强度有着明显的提升，最佳体积掺量为0.1%，当体积掺量为0.1%时三种不同长度的纤维对于混凝土的抗压强度都有所提升，其中当体积掺量为0.1%长度为12mm的纤维对于混凝土抗压强度最好。但随着掺量的提升和纤维变长，玄武岩纤维混凝土的强度会一定程度下降，甚至低于不加纤维的混凝土强度。
（3）同样玄武岩纤维的加入对于混凝土的抗折强度也有显著的提升，当掺量为0.1%长度为12mm的纤维对于混凝土抗折强度提升最优，远高于不加纤维混凝土的强度。随着纤维的掺量超过0.2%时玄武岩纤维混凝土抗折强度大幅降低，低于不加纤维的强度。
（4）玄武岩纤维混凝土的劈裂强度随着纤维的加入，也有所变化。当纤维掺量为0.1%、0.2%时混凝土的劈裂强度也明显提升，特别是掺量为0.1%时提高率最高，都高于不加纤维混凝土强度。同样也是0.1%掺量，12mm长度的配比劈裂强度达到最大值。但当纤维掺量到达0.3%时，所有纤维混凝土劈裂强度都低于不加纤维的强度。
本发明的上述技术方案中，以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种隧道二次衬砌混凝土材料，其特征在于，包括玄武岩纤维和混凝土基体材料，所述混凝土基体材料以质量份计，包括：324~364份水泥，28~32份粉煤灰，755~775份细集料，1000~1300份粗集料，150~170份水和5.10~5.30份减水剂；其中，所述玄武岩纤维的体积为所述混凝土基体材料总体积的0.09~0.12%；所述玄武岩纤维的长度为12mm；
所述粗集料包括三档连续级配的碎石；
其中，一档碎石的粒径范围为4.75-9.5mm，表观密度为2804kg/m3、堆积密度1630kg/m3、空隙率41.5%，含泥量0.8%，针片状含量为5.5%；
二档碎石的粒径范围为9.5-19mm，表观密度为2796kg/m3、堆积密度1670kg/m3、空隙率40.3%，含泥量0.3%，针片状含量为4.5%；
三档碎石的粒径范围为19-31.5mm，表观密度为2801kg/m3、堆积密度1630kg/m3、空隙率41.8%，含泥量0.3%，针片状含量为5.9%；
所述一档碎石、所述二档碎石和所述三档碎石的质量比为1:3:1。
2.根据权利要求1所述的隧道二次衬砌混凝土材料，其特征在于，所述混凝土基体材料以质量份计，包括：344份水泥，30份粉煤灰，765份细集料、1100份粗集料，161份水和5.23份减水剂；所述玄武岩纤维的体积为所述混凝土基体材料总体积的0.1%；所述玄武岩纤维的长度为12mm。
3.根据权利要求1所述的隧道二次衬砌混凝土材料，其特征在于，所述玄武岩纤维的直径为16.1μm，密度为2650kg/m3，断裂强度为1723MPa，断裂延伸率为2.7%，弹性模量为8100GPa，含水率为0.02%。
4.根据权利要求1所述的隧道二次衬砌混凝土材料，其特征在于，所述细集料为砂子，所述砂子的表观密度为2784kg/m3、堆积密度1660kg/m3、空隙率40.4%，泥块含量0.2%，含泥量1.1%，细度模数为2.88Mx。
5.根据权利要求4所述的隧道二次衬砌混凝土材料，其特征在于，所述砂子的粒径满足：在4.75mm的筛孔下的累计筛余率为8.4%，在2.36mm的筛孔下的累计筛余率为28.4%，在1.18mm的筛孔下的累计筛余率为35.8%，在0.6mm的筛孔下的累计筛余率为60.5%，在0.3mm的筛孔下的累计筛余率为82.1%，在0.15mm的筛孔下的累计筛余率为98.8%。
6.一种如权利要求1~5中任一项所述的隧道二次衬砌混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将对应质量份的水泥、粉煤灰、细集料、粗集料经第一干拌搅拌均匀后，再加入对应体积的玄武岩纤维经第二干拌搅拌均匀；
在第二干拌得到混合物后，加入对应质量份的水和减水剂，经第三搅拌处理搅拌均匀，得到隧道二次衬砌混凝土材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述第一干拌的步骤中，搅拌时长为28~32s；
在所述第二干拌的步骤中，搅拌时长为28~32s；
在所述第三搅拌的步骤中，搅拌时长为55~65s。
8.一种如权利要求1~5中任一项所述的隧道二次衬砌混凝土材料在隧道二次衬砌中的应用，其特征在于，包括将所述隧道二次衬砌混凝土材料施作形成隧道二次衬砌。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，在施作之后还包括进行振捣，所述振捣时长为40s。
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