摘要：針對普通噴射混凝土在噴射過程中易出現(xiàn)強度不足、回彈率高的特點，文章提出在噴射混凝土中摻入一種增強劑，用來改善噴射混凝土工作性能，降低噴射混凝土回彈率。試驗結果表明：增強劑摻量為8%時，相比普通噴射混凝土，28 d齡期抗壓強度提高了55.40%，碳化深度減少了0.73 mm，滲透深度減少了13.59 mm，粘結強度提高了70.93%，采用螺旋線方式成型的混凝土回彈率降低了12.25%；摻入適量增強劑的噴射混凝土具有良好和易性，其內部孔隙密實、力學性能好、抗碳化和滲透性能優(yōu)良、粘結強度高、回彈率低。

關鍵詞：噴射混凝土；碳化性能；滲透性能；粘結強度；回彈率

中文分類號：U416.03A351113

0引言

隨著高速公路快速發(fā)展，隧道在新建公路工程中的占比越來越大，噴射混凝土需求量明顯提高。普通噴射混凝土回彈率高、施工粉塵大、噴涂層相對不平整。隨著隧道開挖向巖層深層發(fā)展，爆破開挖時圍巖壓力會驟放，普通噴射混凝土支護結構可能無法承受深開挖隧道帶來的高壓力而受到破壞，無法滿足安全施工的要求［1-3］。因此，如何提升噴射混凝土性能成為當前亟須解決的難題。方江華［4］研究了輕骨料噴射混凝土工作性能，發(fā)現(xiàn)相較于普通混凝土，輕骨料噴射混凝土的力學性能更佳。王家濱等［5］對不同摻量和水灰比的粉煤灰和鋼纖維噴射混凝土的力學性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)摻硅灰噴射混凝土早期強度較高、水化熱過快，容易出現(xiàn)裂縫；蔣愛玲［6］將膨潤土添加劑應用于噴射混凝土，發(fā)現(xiàn)噴射混凝土強度滿足施工要求，但耐久性相對較差。

從上述研究成果可以看出，替換骨料、添加外加劑及調整濕噴配合比等措施均能在一定程度提高噴射混凝土使用性能。但隨著隧道工程地質條件復雜性提高，對噴射混凝土的支護性能提出更高的要求，如何配備出強度高、回彈率低、耐久性好的高性能噴射混凝土至關重要。因此，本文研發(fā)設計一種價格低廉、以火山灰礦物為主要成分的增強劑，探討不同增強劑摻量的噴射混凝土組成設計的適應性，通過坍落度、擴展度、抗壓強度、碳化深度、滲透性能、粘結性能及回彈量等性能試驗，對比分析不同摻量增強劑噴射混凝土性能的變化規(guī)律，旨在提高噴射混凝土工作性能。

1試驗

1.1原材料

1.1.1水泥

試驗用水泥來源于廣西魚峰水泥集團有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，燒失量為1.41，水泥細度為0.025 mm，初凝時間為227 min，終凝時間為386 min，所用試驗水泥化學成分如表1所示。

1.1.2粗骨料

粗骨料為外購5～10 mm機制碎石，粗骨料性能指標結果見表2。

1.1.3細骨料

細骨料為天然河砂，細骨料性能指標見表3。

1.1.4外加劑

外加劑包括無堿液體速凝劑、減水率30%的聚羧酸減水劑、以火山灰礦物為主的增強劑，其化學成分與物化性能指標如下頁表4所示。

1.2試驗方案

采用內摻法確定增強劑的摻入量，內摻量共設置5個梯度變量，分別取2%、4%、6%、8%、10%，噴射混凝土配合比如下頁表5所示。

2噴射混凝土性能試驗

2.1坍落度和擴展度試驗

按照《公路水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG 3420-2020）將新拌混凝土分三層裝入坍落度圓錐筒內，每層均勻搗插25次，最后在10 s內將圓錐筒豎直上提，并測定其坍落度和擴展度。坍落度和擴展度試驗結果如表6所示。

由表6可知，在水灰比保持不變前提下，隨著增強劑摻量的增加，噴射混凝土的坍落度和擴展度逐漸降低，噴射混凝土性能有所下降。為了保證增強劑噴射混凝土的工作性能，需要對增強劑摻量進行控制。

2.2力學性能

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）成型100 mm100 mm100 mm試件，在標準條件下養(yǎng)護至相應齡期進行抗壓強度試驗。齡期分別為1 d、3 d、7 d、28 d，不同摻量增強劑噴射混凝土試驗結果如表7所示，增強劑與抗壓強度關系見圖1。

由表7和圖1可知，不同增強劑摻量下，噴射混凝土抗壓強度均隨著齡期的增加呈現(xiàn)出前期增長速度快、后期減慢的發(fā)展趨勢。齡期為1 d時，相比于不摻入增強劑，摻2%、4%、6%、8%、10%增強劑的噴射混凝土抗壓強度分別降低了8.5%、18.3%、19.7%、22.5、26.7%，其主要原因是水泥發(fā)生水化反應的速度更快于增強劑，表現(xiàn)為噴射混凝土的抗壓強度隨著增強劑摻量的增加而降低；齡期為3 d時，噴射混凝土抗壓強度隨著增強劑摻量增加呈先增加后減少趨勢，峰值為4%摻量；齡期為7 d和28 d時，噴射混凝土抗壓強度隨著增強劑的增加而呈現(xiàn)逐漸增強趨勢，其中齡期為28 d時，相比于不摻入增強劑，摻2%、4%、6%、8%、10%增強劑的噴射混凝土抗壓強度分別增加了30.9%、46.0%、50.3%、55.4%、57.6%，說明增強劑主要提高噴射混凝土的后期抗壓強度。

2.3碳化試驗

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）進行碳化性能試驗，快速碳化箱內二氧化碳濃度為20%、相對濕度為70%，齡期分別為3 d、7 d、14 d、28 d，不同摻量增強劑噴射混凝土碳化深度試驗結果如表8所示，不同增強劑摻量與碳化深度關系如圖2所示。

由表8和圖2可知，不同增強劑摻量下，噴射混凝土碳化深度隨著齡期的增加，總體呈現(xiàn)出前期快、后期緩慢的發(fā)展規(guī)律。在相同齡期下，隨著增強劑摻量的增加，噴射混凝土的碳化深度呈先變小后變大趨勢，其主要原因是噴射混凝土內部存在互相連通的孔隙，摻入一定量的增強劑可以使混凝土的水化反應更加徹底，減少內部水分的散失，進一步填充噴射混凝土內的孔隙，增強噴射混凝土密實度，進而有效阻礙了CO2與內部混凝土的碳化反應；當噴射混凝土內部增強劑摻量過多時，會限制噴射混凝土中水泥發(fā)生水化反應，使得噴射混凝土內部孔隙增多，碳化反應加??；齡期為28 d時，與不摻增強劑相比，摻2%、4%、6%、8%、10%增強劑噴射混凝土的碳化深度分別減少了0.22 mm、0.44 mm、0.55 mm、0.73 mm、0.50 mm。綜上所得，噴射混凝土抗碳化效果以增強劑摻量為8%時最佳，其次為6%摻量，再次為10%摻量。

2.4滲透試驗

結合前文相關性能試驗結果，選擇不摻入增強劑、摻6%、8%、10%增強劑噴射混凝土進行滲透性試驗。試驗步驟如下：將在標準條件養(yǎng)護28 d齡期的100 mm-100 mm-100 mm噴射混凝土立方體試塊取出，并在側面涂上一層約1～2 mm厚的石蠟進行密封，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）進行抗?jié)B透性能試驗，結果如表9所示。

由表9可知，隨著增強劑摻量增加，噴射混凝土滲透深度呈先減少后增加趨勢，這與增強劑細度遠小于水泥相關，其能更好填充水泥顆粒間空隙，相同水灰比情況下，噴射混凝土更加密實，從而減弱了水在噴射混凝土滲透效果；同時內部增強劑摻量過多時，噴射混凝土中水泥水化反應不充分，使得噴射混凝土內部孔隙增多，其滲透深度變大。此外，與不摻增強劑相比，摻入6%、8%、10%增強劑噴射混凝土的滲透深度分別減少了10.75 mm、13.59 mm、12.99 mm，表明添加增強劑能顯著提高噴射混凝土的抗?jié)B性能，其中以摻入8%增強劑抗?jié)B透性能最佳。

2.5粘結強度試驗

實際支護過程中噴射混凝土間應力分布較為復雜，破壞時主要是以剪切滑移型破壞為主，因此本文增加粘結強度試驗以評價摻入增強劑噴射混凝土的抗拉粘結強度性能。受試驗室條件限制，本試驗自行設計了粘結強度試塊方法：先將標準養(yǎng)護至28 d混凝土試塊100 mm×100 mm×100 mm切割成100 mm×100 mm×50 mm試塊，

采用無齒鋸對切割面進行刻槽，將不同摻量增強劑新拌混凝土和原切割混凝土澆筑粘結在一起，標準養(yǎng)護時間為7 d、28 d。用劈裂法求得新舊混凝土界面的粘結強度值，試驗結果如表10所示。

由表10可知，不摻增強劑的噴射混凝土粘結強度隨著齡期增加而降低，7 d粘結強度大于28 d粘結強度，其主要原因是噴射混凝土中的速凝劑使得水泥水化反應加快，阻礙了噴射混凝土后期強度的形成；摻入6%、8%增強劑的粘結強度隨著齡期的增加而增強，這與增強劑主要提高噴射混凝土后期強度相關；齡期為28 d時，與不摻入增強劑噴射混凝土相比，摻入6%、8%增強劑噴射混凝土粘結強度分別提高了44.17%、70.93%，說明增強劑可以顯著提高噴射混凝土的后期粘結強度，其中以8%增強劑粘結強度性能最佳。

2.6回彈率試驗

結合滲透試驗結果，選擇不摻增強劑、摻入8%增強劑噴射混凝土進行回彈率對比分析?；貜椔试囼灢捎么蟀宸ǎ嚹３叽鐬?0 cm×60 cm×20 cm，噴射混凝土每次定量200 kg，噴射距離1.0 m，工作壓力0.4 MPa，噴射角度90°，試驗采用反復噴射、S形噴射和螺旋線噴射三種噴射方式。噴射完畢，稱量回彈脫落至地面的混凝土并計算其占噴射混凝土總量的百分率，作為不同摻量增強劑噴射混凝土回彈率。試驗結果如表11所示。

由表11可知，不同噴射方式顯著影響噴射混凝土回彈率，回彈率大小排序為：反復噴射＞S形噴射＞螺旋線噴射；采用螺旋線噴射方式，與不摻增強劑相比，8%摻量噴射混凝土回彈率降低了15.76%，其主要原因是采用螺旋線噴射時，速凝劑與增強劑快速發(fā)生反應，增強了噴射混凝土屈服應力導致其流動性有所降低，使噴射混凝土混合料更好地嵌固噴層中。綜上所得，摻增強劑噴射混凝土宜與噴射面保持垂直且以螺旋線方式運動時，噴射混凝土回彈率最低。

3現(xiàn)場應用效果

廣西某高速公路隧道工程均為雙向四車道，設計速度為100 km/h，隧道圍巖自穩(wěn)能力相對較差，無支護時易掉塊、塌方，巖體總體破碎、結合差，施工過程中采用摻入8%增強劑噴射混凝土選擇螺旋線式進行現(xiàn)場試噴并測試其回彈率，成型100 mm-100 mm-100 mm試件開展7 d、28 d抗壓強度試驗，結果如表12所示。

由表12可知，齡期為7 d、28 d時，增強劑噴射混凝土的抗壓強度分別為42.17 MPa、50.13 MPa，較普通混凝土分別增加了48.87%、50.04%；在拱頂、邊墻處增強劑噴射混凝土回彈率分別降低了34.58%、29.22%，這表明增強劑噴射混凝土更為均勻，泵送順暢、跌漿少、工作性能良好。

4結語

（1）噴射混凝土和易性受增強劑摻量影響顯著，增強劑摻量為8%時，噴射混凝土坍落度和擴展度分別為145 mm、285 mm，均能滿足噴射混凝土泵送的技術要求。

（2）摻8%的增強劑噴射混凝土抗壓強度高，抗碳化和滲透性能良好，粘結強度高，回彈率較低，具有良好適應性。

參考文獻：

［1］曾憲桃，任振華，王興國.磁化水降低噴射混凝土粉塵濃度與減少回彈的試驗研究［J］.煤炭學報，2014，39（4）：705-712.

［2］韓斌，姚松，于少峰，等.濕噴混凝土可泵性、強度和回彈率的關鍵影響因素［J］.金屬礦山，2014（7）：37-41.

［3］黃姣媚，趙啟雄，戴軍.軟巖地區(qū)隧道低回彈噴射混凝土技術［J］.西部交通科技，2023（11）：96-99.

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［6］蔣愛玲.新型噴射混凝土復合外加劑的研制［D］.青島：山東科技大學，2007.

作者簡介：李香寶（1989—），工程師，主要從事高速公路建設項目安全管理工作。