楊永民

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 ，廣東 廣州 510225；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院建筑節(jié)能可持續(xù)發(fā)展研究所，廣東 廣州 510225)

噴射混凝土是將預(yù)先配制好的水泥、摻合料、砂、石、水和一定量的外加劑，裝入特殊噴射機(jī)具，利用高壓空氣將其送至噴頭和速凝劑混合后，以較高速度垂直噴射于工作面，并在短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)硬化成型的補(bǔ)強(qiáng)加固材料[1-6]。目前噴射混凝土在隧道工程中廣泛應(yīng)用，具有支護(hù)及時(shí)、強(qiáng)度高、密實(shí)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，能較好地填充巖塊間的裂隙與凹穴，增加圍巖的整體性，防止巖面的風(fēng)化和松動(dòng)，并與圍巖共同工作[7-9]。特別是在軟弱圍巖地質(zhì)條件下，配合鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿作為聯(lián)合支護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)更加明顯。

因噴射混凝土質(zhì)量參差不齊，存在強(qiáng)度低、回彈率高，滴水處往往導(dǎo)致噴射混凝土無(wú)法施工或噴射后嚴(yán)重剝落現(xiàn)象等缺陷，不但原材料浪費(fèi)較大，而且過(guò)大的回彈量使施工現(xiàn)場(chǎng)空氣中粉塵含量過(guò)高，嚴(yán)重威脅到施工人員的健康安全[10-13]。因此通過(guò)提升噴射混凝土質(zhì)量控制，對(duì)提高支護(hù)強(qiáng)度、有效減少回彈量、保護(hù)施工人員身體健康和控制施工成本具有重要意義。本文結(jié)合某項(xiàng)目中隧道實(shí)際工程，通過(guò)優(yōu)化噴射混凝土的配合比，提升噴射混凝土質(zhì)量控制，以有效減少噴射混凝土的回彈率。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥采用華潤(rùn)水泥(南寧)有限公司的普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為P.O 42.5，所用水泥進(jìn)場(chǎng)后均經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)合格。選用廣西田東電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，品質(zhì)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的有關(guān)規(guī)定。使用廣西南寧馬山縣興鴻砂石場(chǎng)生產(chǎn)碎石機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.1，石粉含量6.5%，其他指標(biāo)滿足規(guī)范要求。碎石為廣西南寧馬山縣興鴻砂石場(chǎng)生產(chǎn)的5～10 mm碎石。用于噴射混凝土的外加劑主要為減水劑和速凝劑，選用廣東輝固材料科技有限公司生產(chǎn)的HY-JSS聚羧酸高性能減水劑和HY-SN無(wú)堿速凝劑。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1噴射混凝土施工工藝

為了有效控制噴射混凝土的回彈量，采用技術(shù)先進(jìn)的濕式噴混凝土施工工藝。濕式噴混凝土施工工藝是預(yù)先在攪拌機(jī)內(nèi)將所有材料攪拌均勻，和常規(guī)混凝土攪拌相同，用濕式噴射機(jī)將拌合好的混凝土混合料壓送到噴頭處。再在噴頭上添加速凝劑后噴出，利用壓縮空氣的沖擊成型。其工藝流程見(jiàn)圖1。濕式噴射混凝土施工中粉塵、回彈率均明顯小于干式噴射混凝土，并能獲得較好的施工質(zhì)量，同時(shí)改善了施工環(huán)境。結(jié)合工程主洞現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)，通過(guò)采用濕噴混凝土施工工藝，有效地提高了噴射混凝土的施工質(zhì)量，降低了混凝土回彈率，具有較好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 濕式噴射混凝土施工工藝示意

1.2.2抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試件按規(guī)程要求成型大板，加工成邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.2.3回彈率測(cè)試試驗(yàn)

噴射混凝土回彈率一般是在工地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。按結(jié)構(gòu)劃分或找一施工段側(cè)墻或頂面進(jìn)行試驗(yàn)，在地上鋪設(shè)帆布(以盡量不丟失回彈料為宜)，按照施工要求的厚度對(duì)預(yù)定的試驗(yàn)面積進(jìn)行試噴混凝土，將落到地面的混凝土收集并稱重。落到地面混凝土重量占總噴射混凝土重量的比例即噴射混凝土回彈率。

2 高性能噴射混凝土的制備

2.1 噴射混凝土配合比參數(shù)的選擇

a) 水膠比是影響噴射混凝土強(qiáng)度的主要因素，水膠比的大小影響噴射混凝土回彈量和強(qiáng)度。本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)需要，噴射混凝土配合比水膠比確定為0.38～0.42。

b) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定膠凝材料用量不應(yīng)小于400 kg/m3，膠材用量過(guò)少，回彈量大，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)慢；當(dāng)膠材用量增加，雖然噴射混凝土強(qiáng)度會(huì)提高，但會(huì)造成施工時(shí)產(chǎn)生的粉塵增多、回彈量多，惡化施工環(huán)境，使施工成本增加，另外混凝土凝結(jié)硬化時(shí)收縮量也會(huì)增大。為降低成本，改善混凝土拌合物性能，特?fù)饺敕勖夯摇１疚哪z凝材料用量經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，確定用量為450～490 kg/m3。

c) 砂率的大小既影響噴射混凝土的施工性能，也影響其力學(xué)性能。砂率過(guò)大，因粗集料不足，噴射時(shí)碎石對(duì)混凝土沖擊搗實(shí)力不大，使噴射混凝土的強(qiáng)度降低；同時(shí)使集料比表面積增大，要達(dá)到相應(yīng)坍落度和流動(dòng)性，膠材用量也要加大，既不經(jīng)濟(jì)也會(huì)使混凝土產(chǎn)生收縮增大。砂率過(guò)小，則回彈率增大，易造成管路堵塞，施工工藝不易掌握,噴層厚度相應(yīng)變薄，噴射混凝土強(qiáng)度離散性很大。通過(guò)多次試驗(yàn)，確定噴射混凝土配合比砂率為50%～60%。

2.2 噴射混凝土配合比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了考察配合比設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)噴射混凝土的性能的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)[13-15]，通過(guò)考查影響噴射混凝土的力學(xué)性能和回彈率的3個(gè)主要因素：水灰比(W/C)、砂率(P)、膠凝材料用量(C)，每個(gè)因素選擇3個(gè)水平，設(shè)計(jì)出 L9(33)的正交試驗(yàn) ，找出對(duì)噴射混凝土綜合性能有影響的因素，找出最優(yōu)的水平組合，因素水平見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

3 配合比參數(shù)對(duì)噴射混凝土回彈率的影響

3.1 噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)試驗(yàn)，分析水灰比(W/C)、砂率(P)、膠凝材料用量(C)3個(gè)因素對(duì)噴射混凝土回彈率的影響，具體正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 噴射混凝土試驗(yàn)室正交試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)表2進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，具體結(jié)果見(jiàn)表3。針對(duì)噴射混凝土的回彈率指標(biāo)而言，試驗(yàn)5的效果最好，回彈率最低，為12.5%，水平組合為A1(0.40)、B2(56%)、C3(480)。通過(guò)R值的大小可以看出，本試驗(yàn)因素存在顯著性順序，其主次關(guān)系為B>A>C，即影響噴射混凝土回彈率的因素最主要的是砂率，其次是水灰比、膠凝材料用量。

表3 因素對(duì)噴射混凝土回彈率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析結(jié)果

3.2 噴射混凝土的出機(jī)口性能

選取1(回彈率最大)、5(回彈率最小)和8號(hào)(回彈率次小)3個(gè)配合比再次現(xiàn)場(chǎng)試拌后，出機(jī)坍落度、擴(kuò)展度、含氣量等都能滿足設(shè)計(jì)要求，拌合物狀態(tài)較好，無(wú)泌漿抓底現(xiàn)象。放置1 h后，拌合物狀態(tài)也較好，坍落度損失很小，但擴(kuò)展度損失稍微偏大，從而推斷出保坍時(shí)間不能太久。噴射混凝土拌合物的性能見(jiàn)表4。

表4 噴射混凝土拌合物出機(jī)口性能

3.3 噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)性能

現(xiàn)場(chǎng)采用大型濕噴機(jī)械手作業(yè)，噴射順序遵循自下而上、先墻后拱的原則。選取5號(hào)配合比現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，速凝劑摻量為5%，噴射過(guò)程中，從拱腳往拱頂進(jìn)行噴射，拱腳噴射時(shí)混凝土散失較小，但噴射拱頂時(shí)有掉塊現(xiàn)象，經(jīng)仔細(xì)觀察，掉塊處存在松動(dòng)巖石，直接往上噴，造成混凝土與巖面黏結(jié)力不夠，初噴后有局部剝落現(xiàn)象，總體回彈量比較?。?號(hào)配合比現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，速凝劑摻量剛開(kāi)始為3%，從拱腳往拱頂進(jìn)行噴射，經(jīng)觀察，回彈量較大，粉塵較多，存在掉塊現(xiàn)象；速凝劑摻量提高至4.5%后，掉塊現(xiàn)象減少，但總體回彈量還是較大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)留置大板試件，1、5號(hào)配合比的實(shí)測(cè)強(qiáng)度基本都能滿足大于等于30 MPa的要求，具體結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：MPa

3.4 噴射混凝土的現(xiàn)場(chǎng)回彈率

回彈產(chǎn)生是不可避免的，當(dāng)混凝土噴射于堅(jiān)固表面、鋼筋拱架或噴射集料顆粒本身在噴射過(guò)程中相互碰撞，就會(huì)從受噴面彈落下來(lái)。回彈率的大小與多種因素有關(guān)，在工程噴射混凝土配合比選定后，針對(duì)影響回彈率的因素，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)查歸納總結(jié)?；貜椔蔬^(guò)高主要由以下原因造成：①風(fēng)壓、水壓控制不好，噴射距離過(guò)大或過(guò)??；②噴射順序不合理；③未分層噴射，一次噴射厚度過(guò)大；④外加劑添加不規(guī)范；⑤現(xiàn)場(chǎng)配合比不合理，合理的噴射混凝土配合比也是減少混凝土回彈率的根本。

現(xiàn)場(chǎng)回彈率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，配合比5和配合比1均可以滿足工程使用需要，但配合比5的噴射回彈率更小。

4 結(jié)論

a) 正交試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水平組合為水灰比(0.40)、砂率(56%)和膠凝材料(480)時(shí)，噴射混凝土的回彈率最低，為12.5%。通過(guò)對(duì)極差分析結(jié)果可知，即影響噴射混凝土回彈率的因素最主要的是砂率，其次是水灰比、膠凝材料用量。

b) 選取回彈率最大、回彈率最小和回彈率次小3個(gè)配合比再次現(xiàn)場(chǎng)試拌后，出機(jī)坍落度、擴(kuò)展度、含氣量等都能滿足設(shè)計(jì)要求，拌合物狀態(tài)較好，無(wú)泌漿抓底現(xiàn)象。放置1 h后，拌合物狀態(tài)也較好，坍落度損失很小，實(shí)測(cè)強(qiáng)度基本都能滿足≥30 MPa的要求。

c) 按照本文推薦的配合比參數(shù)選擇原則，正交試驗(yàn)中最大回彈率和最小回彈率的配合比均可以滿足工程使用需要，但合理選擇參數(shù)可以具有更小的噴射回彈率。