1 引言
目前，世界各国的微硅粉多用于高强砼（HSC），一般均在80MPa以上，但如追述其研究及首次应用在工程上，则应归功于隧道（1952年奥斯陆市的Blindtarmen隧道）[1]。 在二十世纪七、八十年代，随着北欧和北美 等隧道工程大国先后颁布了在混凝土中掺添微硅粉的标准，使得微硅粉的研究和应用在世界范围内迅猛发展。由于砼及喷射砼中掺添微硅粉具备诸多的优越性，我国在二十世纪九十年代开始引进、研究并使用，但也仅有少例使用在水工及公路，铁路隧道则无人问津，国内也尚未制定统一的相关标准。
2 国内外微硅粉的使用情况
从二十世纪八十年代至今，在欧美喷射砼的75%为微硅粉喷射砼，北欧国家挪威、
瑞典的喷射砼则100%掺添微硅粉。大量资料显示，微硅粉被广泛用在高层建筑、预制构件、公路路面、桥梁及隧道中的喷射砼等，而绝大部分均为高强砼(80MPa—130Mpa)。
近年来，国内应用比较成功的是山西万家寨引黄工程及广东汕头LPG码头地下储气洞室。表1是国内外隧道施工的部分典型实例。
3 微硅粉的物理特性及化学成份
微硅粉是熔炉气烟中过滤出来的，含有大量细小的非晶体二氧化硅（SiO2）的颗粒。它是硅铁或金属硅生产过程中由电弧炉中的高纯石英、焦炭和木屑还原产生的副产品。表2可充分说明其物理特性及化学成份。
表2 微硅粉、粉煤灰、矿碴和普通水泥的物理特性及化学成分比较
| 特性及成分 | 单位 | 微硅粉 | 粉煤灰 | 磨细高炉矿碴 | 普通水泥 |
| SiO2 | ％ | ≥85 | 50 | 38 | 20 |
| Fe2O3 | ％ | 0.8 | 10.4 | 0.3 | 2.5 |
| Al2O3 | ％ | 0.3 | 28 | 11 | 5 |
| CaO | ％ | 0.4 | 3 | 40 | 65 |
| MgO | ％ | 0.3 | 2 | 7.5 | 0.1 |
| Na2O | ％ | 0.2 | 0.7 | 0.4 | 0.1 |
| K2O | ％ | 0.9 | 2.5 | 0.8 | 0.7 |
| 比重 | g/cm3 | 2.2 | 2.2 |
| 3.1 |
| 细度(比表面积) | m2/Kg | 15000~25000 | 400~700 | 350~600 | 300~400 |
表1 国内外微硅粉应用的典型实例
| 序号 | 所 在 国
项目名称 | 工程简介 | 喷 射 砼 性 能 | 微硅粉
掺 量 | 技 术
标 准 | 备 注 |
| 1 | 挪威Hvassum
公路隧道 | 该隧全长
L=3.3Km岩性为花岗岩及片麻岩。挪威法施工(NTM)钢纤维喷砼作永久支护。2000年建成通车。 | 配合比
水泥：470Kg/m3
骨料:（0~8mm）1670 Kg/m3
减水剂:8Kg/m3
钢纤维:50 Kg/m3
水胶比:0.41
速凝剂:Tcc-765 4％
性能
坍落度:22~24cm
回弹率:4~5％
钢纤维回弹率:10~12％
I30 ≥25 | 38 Kg/m3 | 挪威标准
NS3420
NBPublication
no 7
抗压强度
40MPa
韧度系数：
(美国标准：
ASTMC)
I30 ≥22 |
|
| 2 | 英国伦敦希思罗机场高速铁路隧道 | 明挖:双线600
暗挖:5.4Km，5个中间逃生隧道，两个地下车站。部分采用湿喷钢纤维砼作永久支护。1998年建成 | 配合比
水泥：355 Kg/m3
骨料：1654 Kg/m3
减水剂：8 升/m3
速凝剂：19.5 升/m3
钢纤维：40 Kg/m3
性能
抗压强度7d 40 MPa
28d 55 MPa
120d 61 MPa | 84升/ m3
（料浆） | 英国标准
BS1881：Pt120
Pt207
美国标准
ASTMC1018 |
|
| 3 | 中国广东汕头LPG码头地下储气洞室 | 主要工程包括丙烷和丁烷主储气洞,运营竖井,水幕隧洞、交通隧道各两座.主洞断面18×20m；面积304m2 | 配合比
水泥：450 Kg/m3
砂：937 Kg/m3
石：637 Kg/m3
钢纤维：40 Kg/m3
水：206 Kg/m3
速凝剂：24 Kg/m3 | 30 Kg/m3 | 抗压强度
≥25 MPa
| Meyco
Mobile
湿喷机，遥控机械手。
中铁隧道局施工。 |
| 4 | 中国山西万家寨引黄工程 | 引黄工程首部，主要工程包括2座地下泵房及相关地下洞群。2个地下泵房的结构尺寸为：148.8m×19.2m×32.2m。Ⅱ、Ⅲ类围岩。采用钢纤维喷射砼作永久护，共2100 m3。 | 配合比
水泥：473 Kg/m3
砂子：886 Kg/m3
粗骨料：611 Kg/m3
钢纤维：60 Kg/m3
坍落度：8~10cm
水：219 Kg/m3
水胶比：0.43
性能
抗压强度：46.0 MPa | 35 Kg/m3
| 钢纤维掺量
≥60 Kg/m3
抗压强度：
7d ≥30MPa
28d≥40MPa | 麦斯特—苏伯瑞玛湿喷机和麦斯特—罗伯特机械手（泵送）。 |
从3.1 表中细度一项可以看出，微硅粉细度均比其它三种物质小20-50倍，约为水泥的1/50。挪威埃肯（EIKem）硅粉颗粒的平均粒径为0.15微米，比普通水泥粒径小
100倍，对水泥而言具有良好的充填效应。而微硅粉中大量的高活性的SiO2与水泥溶液中的Ca(OH)2结合，生成水化硅酸钙(C-S-H)[2]，使砼具有较高的强度与耐久性,并同时增加砼粘性,从而降低其回弹量。
4 万军迴铁路双线隧道的应用
4．1 工程概况
万军迴隧道是新建西安南京铁路西安南阳段的一座双线铁路隧道，位于陕西省蓝田县境内，属秦岭中山区，隧道全长750米。该隧道地层结构单一，主要由片麻岩夹片岩构成，无不良地质影响。隧道地下水主要为基岩裂隙水，水量较小，水质较好且对砼无侵蚀性。全隧除进口145米、出口35米为Ⅲ类围岩洞口加强段（施工支护加二次模筑衬砌）外，其余均为Ⅳ类围岩钢纤维喷砼作永久支护，共计长度570米，喷射量为2800 立方米。
我国采用钢纤维喷砼作永久衬砌的铁路隧道，是从西康线发展而来，当时设计采用的3座隧道（秦岭隧道部分地段、椅子山隧道及高碥沟隧道）尚属首次试验阶段，从试验到实际应用，均未见有掺添硅粉的记载。由于国内至今仍未见有关钢纤维喷射砼的规范和标准，西安南京铁路设计所采用的钢纤维喷射砼仍按试验段考虑，采用国外标准。
钢纤维喷砼设计技术要求见表3
表3 钢纤维喷砼设计技术指标
| 项 目 | 抗压强度
(28d) | 抗弯强度
(28d)fe | 韧度系数(28d)R30/10 | 厚 度
(cm) | 钢纤维掺量
（Kg/M3） |
| 指 标 | 30MPa | >2.5MPa | 60 | 15～20 | 40～60 |
| 采用标准及方法 | CECS38-92 | JSCE-SE4 | ASTCM1018-89 | 钻孔检查 | 含用量吸石检查 |
4.2 设计推荐参考配合比
参照西康铁路三座隧道的经验,设计给出了不掺硅粉时的参考配合比.表（4）
表4 设计参考配合比
| 骨料最大尺寸 | 坍落度 | 水灰比 | 砂率 | 水泥 | 细骨料 | 粗骨料 | 钢纤维 | 速凝剂 | 减水剂 |
| （mm） | (cm) | (％) | (％) | (Kg/m3) | (Kg/m3) | (Kg/m3) | (Kg) | (％) | (％) |
| 10 | 10~12 | 50 | 64 | 450 | 1099 | 630 | 40~50 | 2~7 | 1 |
4.3 理论配合比确定
参照设计参考配合比，结合现场情况，细骨料采用霸桥河砂（Ⅱ区），级配为1mm~5mm，细度模数为Mx=2.9。粗骨料分为0~10mm及0~15mm两种，分别用于拱部和边墙喷射砼。下表列出了几组室内试验情况 (见表5)。
从表中看出，不掺速凝剂时各龄期抗压强度均大幅整体提高，而速凝剂掺量增加时，各龄期抗压强度随之减小。
4.4 现场试喷
采用中铁西南研究分院生产的TK961湿喷机，人工进料及喷射，不掺速凝剂时，水胶比0.47，微硅粉掺量38Kg/m
3，钢纤维掺量50 Kg/m
3。通过测试，设计为15cm~20cm厚度的钢纤维喷射砼，边墙一次喷射完成，拱部因回弹量较大，可分二次完成。为减少拱部回弹量，增加一次喷射厚度，喷射拱部时掺2％的速凝剂可提高工作效率，并降低实际工程成本。经现场大板取样，通过试验，各项指标均满足设计要求（表7）。
4.5 现场实喷
4.5.1 每立方米各项材料用量(表9)。
4.5.2 喷射顺序
根据隧道工序安排和拱部喷射回弹量
稍大的特点，钢纤维喷射砼时将边墙和拱部分开进行，这样可收到满意的效果。目前，万军回隧道已完成钢纤维喷射砼永久支护约80米，效果非常明显。
4.5.3 硅粉的掺加
现场使用的微硅粉均为埃肯集团生产，分大包装（1000Kg）和小包装（25Kg）两
种,型号分别为920Ｄ和９４０Ｕ。据两种型
号的硅粉使用情况看，９２０Ｄ型硅粉经过
特殊增密处理使用起来几乎无损失，但
SiO2含量(９１％)低于９４０Ｕ；９４０
Ｕ型硅粉经过半增密处理，扬尘稍大，使用
起来有微量损失，但SiO2含量（９３％）高
于９２０Ｄ，对喷射砼的品质更加有利。另
外，９２０Ｄ硅粉拌合时间要比９４０Ｕ硅
粉稍长。
分部喷射示意图
表5 几组室内试验列表
| 编号 | 水胶比 | 砂率 | 坍落度 | 水泥用量 | 硅粉掺量 | 抗压强度 | 减水剂 | 速凝剂 | 钢纤维 | 用水量 |
| 3d | 7d | 28d | ％ | ％ | Kg | Kg |
| 硅-31 | 0.5 | 55 | 150 | 435 | 36 | 23.5 | 34.6 | 47.1 | 0.6 | 0 | 50 | 235 |
| 硅-23 | 0.5 | 55 | 180 | 462 | 38 | 20.7 | 31.4 | 43.6 | 0.65 | 2.0 | 45 | 250 |
| 硅-24 | 0.5 | 55 | 180 | 453 | 37 | 20.7 | 31.3 | 42.7 | 0.65 | 2.0 | 45 | 245 |
| 硅-25 | 0.5 | 55 | 180 | 453 | 37 | 19.4 | 29.1 | 42.1 | 0.65 | 2.5 | 45 | 245 |
| 硅-26 | 0.5 | 55 | 180 | 453 | 37 | 19.8 | 29.3 | 38.5 | 0.65 | 3.0 | 45 | 245 |
| 硅-30 | 0.47 | 55 | 160 | 462 | 38 | 24.3 | 34.6 | 48.1 | 0.6 | 0 | 50 | 235 |
注: 硅-30为选定配合比
表6 不掺速凝剂时不同部位的喷射厚度及回弹量值
| 墙部一次喷射厚度 | 拱部一次喷射厚度 | 墙部回弹率 | 拱部回弹率 |
| 15cm~20cm | 8cm~10cm | 8％~10％ | 15％~20％ |
表7 大板取样试验结果
| 龄期(天) | 抗压强度(MPa) | 抗弯强度(MPa) | 韧度系数(R30/10) |
| 7 | 34.6 |
|
|
| 28 | 49.0 | 3.5 | 63 |
现场将原装微硅粉拆装为７.５Kg～
８.０Kg的小袋，在投入骨料同时投入微硅粉并加入水泥干拌约１０秒再加水及外加剂．强制式拌合机搅拌时间控制在５～６分钟。
表8每立方钢纤维喷射砼用料量
| 部 位 | 水胶比 | 坍落度
(cm) | 水 泥
(Kg) | 硅 粉
(Kg) | 减水剂
％ | 速凝剂
％ | 钢纤维
(Kg/ m3) | 水
(Kg) |
| 拱 部 | 0.5 | 140 | 435 | 35 | 0.60 | 2.0 | 50 | 235 |
| 边 墙 | 0.47 | 160 | 462 | 38 | 0.60 | 0 | 50 | 235 |
５ 成本比较
掺添一定量的微硅粉对钢纤维喷射砼起到增粘作用，从而降低回弹量和提高一次喷层厚度，提高了工作效率。另外，由于掺添微硅粉后减少甚致不用液态速凝剂，使得在喷射边墙时这项昂贵（６０００元／t）的材料费用为零，大大降低了工程成本。通过计算，在同等条件下，掺微硅粉时喷射拱部每立方米钢纤维砼比不掺时可减少材料费用44元；而在喷射边墙时则可减少材料费用达８８元（表10所述）。
表9 不同部位喷射时可变项目费用计算(m
3)
| 部 位 | 水泥(Kg) | 硅粉(Kg) | 速凝剂(Kg) | 回弹量(％) | 费用计算（元） |
| 不掺硅粉 | 拱部 | 500 | 0 | 17.5 | 25 | 0.5×390+17.5×6+0.25×
1100=575 |
| 边墙 | 500 | 0 | 17.5 | 15 | 0.5×390+17.5×6+0.15×
1100=465 |
掺
添
硅粉 | 拱部 | 435 | 37 | 9.0 | 20 | 0.435×390+37×2.3+9.4×6+
0.2×1100=531 |
| 边墙 | 462 | 38 | 0 | 10 | 0.462×390+38×2.3+
0.1×1100=377 |
注:微硅粉从上海运至西安的全部费用为2300元/t。
６ 结束语
６.１ 微硅粉在国内作为一种较为新型的添加剂已经得到推广运用，虽然也多用于高强砼，但在挪威法（ＮＴＭ）设计施工的隧道工程也逐渐使用。笔者认为不局限于挪威法（ＮＴＭ）设计施工的隧道，而应广泛用于普通喷射砼，尤其是初期支护，如不是地震多发带或无爆破振动的软弱围岩隧道施工，均可少用或不用速凝剂而采用微硅粉取代之．这样既能保证喷射砼的品质，又能降低工程成本。
６.２ 从大量的国外使用资料看，一般均使用机械手喷射作业，泵送形式的湿喷机较多，而掺添微硅粉后砼泵送性极强，因此，一次喷层厚度较大而回弹量却很低（约４％－８％）．我们所采用的ＴＫ９６１型湿喷机则为稀薄流形式，人为控制因素较多，回弹量一次喷层厚度等远不如机械手。
６.３ 养护对掺添微硅粉后的喷射砼致关重要，即便是隧道，也应区别于不掺微硅粉砼的隧道而进行养护。也就是说常规的洞内自然养护难以达到喷射微硅粉砼龄期各项指标。在万军迴隧道试验过程中，我们让一组大板喷射砼试件在取样后不作任何养护（设计２８天强度为３０MPa ），测得
２３天抗压强度为２１MPa，然后将这组试件进行三天标准养护后，测得其抗压强为31.1MPa,２８天时测得其抗压强度为３５.１MPa。因此，不及时进行养护的喷射砼极有可能抗压强度等均达不到设计要求，并且养护期应在７天以上，这是施工中应特别注意的。
６．４ 微硅粉由于颗粒细小而引起扬尘较大，故厂商在生产时为便于运输和考虑到施工需要，一般都作了特殊的增密处理，以减少损失和对环境的污染。因此，在拌合时为使增密后的微硅粉恢复原状，均匀地分散在喷射砼中，搅拌时间应比普通喷射砼长１～２分钟。
6.5 目前国内有部分生产硅铁等厂家作为附带产品生产微硅粉,其产品中SiO2含量等指标大都达不到国际标准,在使用前需严格试验,以确定各种
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