程曦　劉肖凡　陳林　陳玲玲

摘要：為推廣噴射型多孔混凝土在水庫消落區(qū)護坡中的應用，對基于正交試驗及極差結(jié)果分析優(yōu)選出的配合比進行實際噴射試驗，研究其應用于消落區(qū)治理時的噴射性能及施工工藝，并分析了柔性聚丙烯纖維和丁苯橡膠乳液對噴射型多孔混凝土噴射性能的影響。試驗結(jié)果顯示：在噴射風壓和噴射距離不變的情況下，噴射厚度與噴射面性質(zhì)有關，石墻的噴射厚度大于木板噴射厚度；木板噴射面的回彈率明顯高于石墻噴射面。噴射風壓在0.7 MPa，噴射距離在1 m時，回彈率達到最小。柔性聚丙烯纖維的添加使回彈率減少約5%，丁苯橡膠乳液的添加使回彈率減少約6%，兩者協(xié)同作用下回彈率減少約8%。

關鍵詞：噴射混凝土； 多孔混凝土； 消落區(qū)； 噴射性能； 回彈率

中圖法分類號：TU528.53

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.009

文章編號：1006-0081（2023）12-0054-05

0引言

水資源梯級開發(fā)利用會給流域生態(tài)系統(tǒng)保護帶來較大壓力。其中，水庫消落區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題引起了廣泛關注［1］。其形成會使地面出現(xiàn)不同程度的下降現(xiàn)象，進而導致土地沉降甚至坍塌，對房屋、道路、橋梁等建筑設施造成嚴重的破壞，還會改變土壤質(zhì)地和水文特征，破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，影響植被生長。三峽工程為長江經(jīng)濟帶的發(fā)展提供了防洪、供水、航運和電力安全保障［2］，水利部發(fā)表的《2021年三峽工程公報》顯示，三峽水庫消落區(qū)面積302 km2，庫線總長約5 700 km［3］，因水庫水位呈季節(jié)性漲落，致使庫區(qū)沿岸生物多樣性降低、生態(tài)系統(tǒng)脆弱，嚴重影響庫周人民群眾的財產(chǎn)安全。為確保三峽工程持續(xù)發(fā)揮綜合效益、促進庫區(qū)沿岸地區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，需開展消落區(qū)護坡治理。

噴射混凝土在傳統(tǒng)護坡工程中應用越來越廣泛，目前在復雜山體條件的加固施工中也有所應用，但由于水泥水化過程中會使混凝土堿度上升，對水資源造成污染，且傳統(tǒng)混凝土護坡會影響植物后續(xù)生長，不符合綠色發(fā)展理念。20世紀90年代以前，中國在生態(tài)護坡研究領域多采用播種草籽、鋪設草

皮等提高坡面穩(wěn)定性的辦法［4］。隨著生態(tài)護坡的提出，傳統(tǒng)護坡措施與植物措施有效結(jié)合，可提高邊坡穩(wěn)定性、工程和生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)性［5］，有利于水庫沿岸生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮自我調(diào)節(jié)功能。

多孔混凝土具備強度較高、孔隙率大、耐久性好等優(yōu)點，可以作為植物生長的基床，與耐水植物一起對消落區(qū)形成生態(tài)護坡。在傳統(tǒng)護坡技術的基礎上，對水庫消落區(qū)采用噴射多孔混凝土進行護坡保護，以恢復其生態(tài)性。

噴射混凝土在水庫消落區(qū)的治理存在一定特殊性，水庫消落區(qū)坡度較大且施工環(huán)境惡劣，施工難度較大。由于消落區(qū)護坡需要考慮水作用及對水資源的影響，制備的噴射多孔混凝土主要是針對設計孔隙率、回彈率及噴射效果以及耐久性等方面。目前中國現(xiàn)有噴射混凝土施工中，由于配合比設計不合理［6］，噴射混凝土在應用過程中形成回彈，造成巨大的材料浪費，也降低了初期支護的強度。因此，在確定合適配合比的同時，也需尋找合理的噴射施工方式。

1回彈機理分析

噴射混凝土回彈率是反映及評價混凝土黏接性

能及噴射性能的重要指標之一［7］，計算公式為

R=w_r/w_p×100%（1）

式中：R為回彈率，%；w_r為回彈料的質(zhì)量，kg；w_p為一次混凝土的質(zhì)量，kg。

根據(jù)回彈率的試驗公式［8］可以看出，回彈率的本質(zhì)是兩部分質(zhì)量的比值。兩部分的質(zhì)量比值是屬于同一物質(zhì)運動但不同時期的質(zhì)量，因為能量的損耗而產(chǎn)生差值，噴射回彈運動過程可以分析為一個以能量守恒定律為理論依據(jù)的運動過程，回彈率的產(chǎn)生基于運動過程中的能量損耗，能量損耗越大，回彈越大。根據(jù)能量守恒定律分析整個噴射回彈過程可得到：

1/2m_前v²_前-FL-fs=1/2m_后v²_后（2）

式中：m_前為噴射噴出質(zhì)量，kg；v_前為噴射噴出速度，m/s；

F為混凝土黏滯力，kN；L為噴射管道長度，m；

m后為到達噴射面時噴射質(zhì)量，kg；v后為到達噴射面時噴射速度，m/s；

f為空氣阻力，kN；s為噴射距離，m。

根據(jù)噴射過程的能量守恒關系以及回彈率的公式可得，回彈率的大小與噴射速度、混凝土黏滯力、噴射管道的長度、空氣阻力以及噴射距離相關，其中影響作用較大的是噴射速度、混凝土的黏滯力以及噴射距離［9］。從回彈理論分析可以看出，減少噴射過程的能量損耗是減少回彈率的核心，探究各影響因素是研究減少回彈率的第一步［10］。

2試驗過程及結(jié)果

2.1試驗原材料及配合比設計

多孔混凝土孔隙率的大小影響著植物生長，依據(jù)前期對透水混凝土路面的相關研究，粗骨料采用5～10 mm碎石［11］，水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，在多孔混凝土中摻入適量的柔性聚丙烯纖維以改善混凝土的耐久性及整體性。丁苯橡膠乳液具有良好的黏結(jié)性和耐久性，摻入適量的丁苯橡膠乳液可使噴射混凝土的回彈率得到一定改善。

根據(jù)噴射混凝土的相關理論研究［12-14］，最終確定設計孔隙率、水膠比、柔性聚丙烯纖維、丁苯橡膠乳液4種影響因素，每種因素分別選取3個因素水平，詳見表1。

2.2試件制作及養(yǎng)護

噴射型多孔混凝土的實驗室制備與傳統(tǒng)混凝土有較大區(qū)別，噴射型多孔混凝土對孔隙率要求較

高［15］，骨料空間排列需較為均勻。在正交試驗中需探究各因素之間的影響關系，保持除正交試驗4因素之外的變量均衡一致，因此試驗選擇攪拌機配以人工攪拌的拌和方式。

噴射型多孔混凝土的拌和工藝要求膠凝材料均勻包裹骨料，再摻入分散的柔性聚丙烯纖維，使混凝土各部分能充分均勻混合達到設計要求。水與水泥放入砂漿攪拌機攪拌1 min至均勻，待水泥初步水化后倒入適量丁苯橡膠乳液繼續(xù)攪拌約2 min直至混合攪拌物無結(jié)塊而均勻，最后倒入骨料拌和約3 min。攪拌機初步拌和完成之后配以人工手動攪拌，分散結(jié)塊骨料，使膠凝材料拌和物均勻包裹骨料，圖1為拌和完成的噴射型多孔混凝土。

由于噴射型多孔混凝土的實際施工條件較為特殊，實際施工現(xiàn)場難以養(yǎng)護，因此新拌混凝土采用自然養(yǎng)護的方式，即需將混凝土拌和裝入模具后放置自然環(huán)境下達24 h，隨后脫模，將混凝土標準養(yǎng)護至相應齡期。

2.3噴射型多孔混凝土試驗

通過正交試驗對噴射型多孔混凝土的抗壓強度、有效孔隙率、坍落度以及孔隙內(nèi)堿度等物理力學性能進行測定，并對結(jié)果進行極差分析［16］，極差分析結(jié)果見表2，其中噴射型多孔混凝土的有效孔隙率采用排水法測定［17］。

考慮到 28 d 的抗壓強度及孔隙內(nèi)堿度極差結(jié)果（相較于7 d）更具有實際工程參考意義，優(yōu)選出4組配合比，A2B3C3D3（設計孔隙率25%，水膠比040，柔性聚丙烯纖維的摻量5%，丁苯橡膠乳液摻量10%）、A2B2C2D2（設計孔隙率25%，水膠比038，柔性聚丙烯纖維的摻量3%，丁苯橡膠乳液摻量8%）、A3B3C3D2（設計孔隙率30%，水膠比0.40，柔性聚丙烯纖維的摻量5%，丁苯橡膠乳液摻量8%）、A3B3C2D1（設計孔隙率30%，水膠比0.40，柔性聚丙烯纖維的摻量3%，丁苯橡膠乳液摻量5%）。依據(jù)這4組配合比進行實際噴射試驗，分別對一次噴射厚度及回彈率進行試驗記錄，分析各因素對噴射性能的影響，研究噴射工藝、噴射面材料對噴射性能的影響，綜合考慮確定較為合適的噴射施工方式。

2.3.1 噴射面材料對一次噴射厚度的影響

季節(jié)性水位漲落引起消落區(qū)庫岸沖刷與淤積［18］，使現(xiàn)場坡面環(huán)境復雜，對于巖質(zhì)邊坡、覆土邊坡等不同彈性及剛度性質(zhì)的邊坡，在進行噴射試驗時采用石墻及木板作為受噴面，分別模擬巖質(zhì)邊坡及回彈屬性較高的邊坡。

選取1.5 m×2 m平整干凈的石墻面和木板面進行定點垂直噴射，選取噴射距離為1 m，噴射風壓為0.7 MPa，噴射過程自噴射面粘結(jié)混凝土開始至混凝土因自重脫落結(jié)束，測定噴射面混凝土厚度，試驗過程如圖2和圖3所示，試驗結(jié)果如表3所示。

噴射型多孔混凝土的一次噴射厚度試驗結(jié)果顯示：噴射型多孔混凝土在石墻面上的一次噴射厚度在4.9 cm以上，最大一次噴射厚度達到6.7 cm；在木板上的一次噴射厚度在2.8 cm以上，最大一次噴射厚度達到4.7 cm。由此可見，噴射厚度與噴射面材料有相關性，石墻的噴射厚度大于木板的噴射厚度。

2.3.2噴射面材料對回彈率的影響

通過回彈理論分析測定回彈率，試驗結(jié)果如表4所示。分析可得出，在噴射距離和噴射機風壓不變的情況下，噴射型多孔混凝土的回彈率普遍高于18%，木板噴射面的回彈率明顯高于石墻噴射面。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩種：① 以復合木板作為噴射面材料，木板本身的回彈率比石墻高；② 木板自身的穩(wěn)定性較差，相比于石墻材料噴射面，除了木板材料噴射面自身長度大于2 m以外，還需要借助外力進一步固定，才能滿足自身基本穩(wěn)定性。分析受噴面材料對回彈率影響的試驗結(jié)果，可考慮在噴射型多孔混凝土持續(xù)噴射作業(yè)中，在回彈屬性高的邊坡受噴面，先噴一層混凝土打底，再進行噴射型多孔混凝土的施工作業(yè)，以減少回彈。

2.3.3噴射壓力與噴射距離對噴射性能的影響

試驗選取第二組配合比垂直噴射在石墻噴射面，進行噴射壓力以及噴射距離對噴射性能影響的試驗，分別在噴射距離恒定1 m時進行風壓影響試驗，以及噴射壓力恒定0.7 MPa 時進行噴射距離影響試驗，試驗結(jié)果見表5～6。

根據(jù)噴射風壓對回彈率影響測定的試驗結(jié)果分析得出，在噴射距離不變的情況下，回彈率在噴射風壓0.5～0.7 MPa區(qū)間內(nèi)，隨著噴射風壓的增高，回彈率有降低趨勢。本次試驗結(jié)果顯示，噴射風壓在0.7 MPa時，對回彈率影響最優(yōu)，最小回彈率達到22%。

根據(jù)噴射距離對回彈率影響測定的試驗結(jié)果分析得出，在噴射壓力不變的情況下，回彈率在噴射距離1.0～1.5 m區(qū)間內(nèi)，噴射距離增高，回彈率呈現(xiàn)整體增大趨勢。在1.0～1.3 m區(qū)間的增大趨勢明顯大于在1.3～1.5 m之間的增大趨勢。噴射距離在 1.0 m 時達到最小回彈率22%，在噴射距離1.3 m 時，達到最大回彈率35%。結(jié)合眾多國內(nèi)外學者對噴射混凝土最佳噴射距離的相關系統(tǒng)研究以及大量實際工程經(jīng)驗［19-22］，該結(jié)果符合最佳噴射距離為1.0～15 m的普遍規(guī)律。

2.3.4纖維及外加劑對噴射性能的影響

試驗選取第二組配合比A2B2C2D2以及兩組未添加柔性聚丙烯纖維和未添加丁苯橡膠乳液的對照試驗組，在其他條件相同的情況下進行纖維及外加劑對噴射性能的研究，試驗結(jié)果見表7。

根據(jù)纖維及外加劑對噴射性能影響的測定試驗結(jié)果分析得出，在其他條件不變的情況下，纖維及外加劑對噴射性能的影響主要體現(xiàn)在回彈率。無任何外加劑對照組的回彈率為31%（達到最高），且伴隨噴射時出現(xiàn)骨料與膠凝材料槳體較為明顯分離的現(xiàn)象。添加柔性聚丙烯纖維使回彈率下降5%，這是由于纖維的摻入可以增大混凝土黏稠性，可有效減小噴射混凝土的回彈率。丁苯橡膠乳液本身具有良好的黏結(jié)性，摻入混凝土使回彈率下降6%。兩者協(xié)同作用，回彈率下降效果更為明顯。分析纖維與外加劑對回彈率影響的試驗結(jié)果，摻入適量的纖維和外加劑對噴射型多孔混凝土的噴射性能有較為明顯的改善。

3結(jié)論

（1） 一次噴射厚度與噴射面材料有相關性，石墻噴射面的最大一次噴射厚度達到6.7 cm，木板噴射面的一次噴射噴厚度達到4.7 cm。

（2） 回彈率的大小與噴射面材料屬性有較大關系，木板噴射面的回彈率明顯高于石墻噴射面，木板噴射面的回彈率比石墻噴射面的回彈率試驗結(jié)果高約10%。

（3） 噴射距離不變的情況下，在噴射風壓 0.5～0.7 MPa區(qū)間內(nèi)，回彈率隨著噴射風壓的增高有降低的趨勢。噴射壓力不變的情況下，在噴射距離1.0～1.5 m區(qū)間內(nèi)，隨著噴射距離的增大，回彈率呈現(xiàn)整體上升的趨勢。

（4） 在相同條件下，柔性聚丙烯和丁苯橡膠乳液的添加分別使噴射型多孔混凝土回彈率下降5%和6%，二者協(xié)同作用下效果更佳，可使回彈率下降8%。

綜合而言，消落區(qū)用噴射型多孔混凝土的噴射性能主要與受噴面材料有關，受噴面為石墻時噴射性能要優(yōu)于木板，在實際噴射作用中可在受噴面上先噴一層混凝土打底。柔性聚丙烯纖維和丁苯橡膠乳液協(xié)同工作能夠有效降低噴射型多孔混凝土的回彈率。噴射型多孔混凝土在施工時，控制噴射壓力0.7 MPa，噴射距離1.0 m時，噴射效果較好。經(jīng)過噴射性能的各項試驗，優(yōu)選的四組配合比中第二組配合比A2B2C2D2（設計孔隙率25%，水膠比0.38，柔性聚丙烯纖維摻量3%，丁苯橡膠乳液摻量8%）各項噴射性能表現(xiàn)最佳。

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（編輯：唐湘茜，張爽）

Study on spraying performance and construction technology of sprayed porous concrete for slope protection in reservoir drawdown area

CHENG Xi，LIU Xiaofan，CHEN Lin，CHEN Lingling

（School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430040，China）

Abstract：In order to promote the application of sprayed porous concrete in the slope protection of reservoir draw down area，the actual spraying test was carried out on the optimized mix ratio based on the orthogonal test and range analysis.The spraying performance and supporting construction technology of sprayed porous concrete in the treatment of water-level-fluctuating zone were studied，and the influence of flexible polypropylene fiber and styrene-butadiene rubber emulsion on the spraying performance of sprayed porous concrete was analyzed.The test results showed that the spraying thickness was related to the property of the spraying surface when the spraying wind pressure and spraying distance were constant，and the spraying thickness of the stone wall was greater than that of the wood board.The rebound rate of wood spray surface was obviously higher than that of stone wall spray surface.When the injection air pressure was 0.7 MPa and the injection distance was 1 m，the rebound rate reached the minimum.The addition of flexible polypropylene fiber reduced the rebound rate by about 5%，the addition of styrene butadiene rubber emulsion reduced the rebound rate by about 6%，and the synergistic action of both adding reduced by about 8%．

Key words：sprayed concrete； porous concrete； draw down area； spray performance； rebound rate