鄭 路，陳世孝

（長江勘測設(shè)計研究院有限公司白鶴灘監(jiān)理部，615421，寧南）

白鶴灘水電站右岸地下洞室群工程地質(zhì)條件復雜，圍巖巖性主要為斜斑玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、第三類柱狀節(jié)理玄武巖等，并有凝灰?guī)r和沿凝灰?guī)r分布的層間錯動帶及層內(nèi)錯動帶等緩傾角結(jié)構(gòu)面、斷層及破碎帶、柱狀節(jié)理玄武巖等不利地質(zhì)，其中主副廠房洞頂拱圍巖以Ⅲ1類為主，占80%，Ⅲ2類圍巖和Ⅳ類圍巖各占10%，地應(yīng)力為22～28MPa，屬中高地應(yīng)力區(qū)，主要洞室均存在較為嚴重的片幫、巖爆、崩塌、泥化、風化等，因此開挖出的裸露面需要及時封閉。為及時封閉裸露面，在噴護混凝土施工中采用無機納米材料，提高了混凝土前期強度和厚度，保證了洞室穩(wěn)定安全。

一、無機納米材料成分組成及檢測成果

1.成分組成

無機納米材料主要由硅粉、緩凝劑、減水劑、水泥、粉煤灰和其他微量元素按一定比例組合而成。

2.材料檢測成果

噴護混凝土所用原材料為普通硅酸鹽水泥（以華新水泥為例），粗細骨料為玄武巖母料，粗骨料規(guī)格為5～15 mm，細骨料為中砂，速凝劑為液態(tài)，鋼纖維規(guī)格35 mm×0.55 mm（長×直徑），10%摻量無機納米材料。無機納米材料檢測成果見表1。

所檢測材料滿足設(shè)計指標要求，且效果良好，干燥，未受潮。

表1 無機納米材料檢測成果表

二、設(shè)計指標及配合比確定

1.設(shè)計指標

①無機納米材料CF30鋼纖維噴混凝土設(shè)計指標，詳見表2。

②C25為不摻鋼纖維噴護混凝土，與普通混凝土性能試驗對比無其他特殊指標要求。

2.現(xiàn)場工藝試驗

（1）推薦現(xiàn)場配合比室內(nèi)試驗

①按95%強度保證率，概率度系數(shù)t為1.645，強度標準差取及格控制水平 σ=6.0MPa，fcu.o≥fcu.k+tσ 公式計算試配強度 CF30為 39.9MPa，C25為34.9MPa。

②選取 0.48、0.46、0.44、0.42 四個作為室內(nèi)試驗水膠比，單位用水量、砂率根據(jù)試拌確定，無機納米材料按設(shè)計推薦的10%摻量，鋼纖維按設(shè)計推薦的40 kg/m3使用量，坍落度按試噴效果180±20 mm控制。

表2 CF30噴無機納米鋼纖維混凝土性能設(shè)計指標

③拌和物性能：在濕噴混凝土中加入納米材料后，混合料的總體“工作性”有明顯改善，其和易性、黏聚性、流動性等較常規(guī)混合料好，無泌水；噴鋼纖維混凝土摻入納米材料后鋼纖維在混合料中分散均勻，無結(jié)團現(xiàn)象。

④0.46水膠比C25摻無機納米噴混凝土3天抗壓強度為29.7MPa，7天為 37.6MPa，28 天為 52.9MPa；常規(guī)噴混凝土 7天為 35.1MPa，28天為41.5MPa，對比7天抗壓強度增強1.1倍，28天增強1.3倍。

⑤經(jīng)室內(nèi)試拌及檢測成果選取現(xiàn)場試噴工藝配合比，詳見表3、表4。

表3 納米噴混凝土室內(nèi)配合比

表4 納米噴混凝土室內(nèi)配合比試驗成果

（2）現(xiàn)場工藝試驗

試驗地點：分別選取在右岸地下工程地廠標引水隧洞與尾水標尾水調(diào)壓室兩個部位進行。

試驗條件：噴混凝土料和易性良好，黏結(jié)性好，流動性好，含砂量為中，無析水，溫濕度適中，具有良好現(xiàn)場試驗條件。

試驗結(jié)果：

①噴混凝土所用速凝劑摻量以現(xiàn)場試噴確定，其中地廠標邊墻速凝劑摻量為6.5%，頂拱為7.5%；尾水標速凝劑摻量為8%。

②CF30鋼纖維混凝土地廠標邊墻回彈率為8.4%，頂拱為11.3%，一次噴護達設(shè)計厚度20 cm，無噴層塊脫落，所抽取試件抗壓強度7天為56.8MPa，28天為73.7MPa； 抗拉強度28天為5.68MPa；與圍巖黏接強度為2.39MPa。尾水標頂拱回彈率為10.1%，一次噴護達設(shè)計厚度20 cm，無噴層塊脫落，所抽取試件抗壓強度7天為36.3MPa，28天為52.1MPa； 抗拉強度28天為5.25MPa；與圍巖黏接強度為2.21MPa。

③C25混凝土地廠標邊墻回彈率為7.7%，頂拱為10.5%，無噴層塊脫落，所抽取試件抗壓強度7天為44.2MPa，28天為62.8MPa； 抗拉強度28天為4.05MPa；與圍巖黏接強度為2.18MPa。

3.配合比確定

室內(nèi)試驗配合比經(jīng)現(xiàn)場工藝試驗推薦施工配合比。

①CF30鋼纖維配合比。地廠標水膠比為0.42，水185 kg/m3，水泥440 kg/m3，納米材料 44 kg/m3，細骨料 1085 kg/m3，粗骨料649 kg/m3，鋼纖維 40 kg/m3，速凝劑 28.6 kg/m3（邊墻）/33.0 kg/m3（頂拱）；尾水標水膠比為 0.46，水 198 kg/m3，水泥 430 kg/m3，納米材料 43 kg/m3，細骨料 1082 kg/m3，粗骨料 730 kg/m3，鋼纖維 40 kg/m3，速凝劑34.4 kg/m3。

②C25配合比。地廠標水膠比為0.45，水 181 kg/m3，水泥 402 kg/m3，納米材料 40.2 kg/m3，細骨料 1070 kg/m3，粗骨料726 kg/m3，速凝劑26.1 kg/m3（邊墻）/30.2 kg/m3（頂拱）；尾水標水膠比為 0.48，水 188kg/m3，水泥392 kg/m3，納米材料39.2kg/m3，細骨料1120kg/m3，粗骨料 755 kg/m3，速凝劑 31.4 kg/m3。

三、無機納米與常規(guī)噴混凝土配合比對比分析

1.對應(yīng)主要原材料用量

（1）常規(guī)混凝土單位原材料用量

①CF30鋼纖維配合比。地廠標水膠比為 0.40，水 195 kg/m3，水泥+粉煤灰 488 kg/m3，細骨料 1076 kg/m3，粗骨料 616 kg/m3，鋼纖維 45 kg/m3，速凝劑29.3 kg/m3（邊墻）/31.7 kg/m3（頂拱）；尾水標水膠比為0.47，水220 kg/m3，水泥 470 kg/m3，細骨料 975 kg/m3，粗骨料 713 kg/m3，鋼纖維 45 kg/m3，速凝劑28 kg/m3。

②C25配合比。地廠標水膠比為0.44，水 193 kg/m3，水泥+粉煤灰 439 kg/m3，細骨料 1015 kg/m3，粗骨料 748 kg/m3，速凝劑 26.4 kg/m3（邊墻）/28.5 kg/m3（頂拱）；尾水標水膠比為 0.46，水 208 kg/m3，水泥 450 kg/m3，細骨料1039 kg/m3，粗骨料 700 kg/m3，速凝劑27 kg/m3。

（2）主要材料用量對比分析

①CF30無機納米材料與常規(guī)混凝土配合比單位用量對比。地廠標水膠比增大0.02，用水量減少10 kg，膠材用量降低48 kg，鋼纖維降低5 kg；尾水標水膠比降低0.01，用水量減少22 kg，膠材用量降低40 kg，鋼纖維降低5 kg。

②C25無機納米材料與常規(guī)混凝土配合比單位用量對比。地廠標水膠比增大0.01，用水量減少12kg，膠材用量降低37kg；尾水標水膠比增大0.02，用水量減少20kg，膠材用量降低58kg。

2.各指標對比分析

目前，白鶴灘水電站噴錨支護已接近尾聲，所使用無機納米材料噴混凝土即將結(jié)束，右岸地下工程中無機納米材料噴護混凝土共計使用18332 m3，其中 CF30 有 10354 m3，C25有7978 m3，對圍巖封閉及加強支護，確保洞室安全起到重要作用。

（1）抗壓強度

自開工到目前統(tǒng)計圍巖封閉噴混凝土抗壓強度檢測結(jié)果。

①CF30無機納米材料鋼纖維與常規(guī)鋼纖維混凝土。無機納米材料7天平均值為55.7MPa，常規(guī)平均值為33.2MPa，7天對比增強約1.7倍；施工方無機納米材料28天抽檢395組，平均值63.5MPa，常規(guī)28天抽檢1698組，平均值42.2MPa，28天對比增強約1.5倍；監(jiān)理方無機納米材料28天抽檢40組，平均值61.7MPa，常規(guī)28天抽檢231組，平均值46.5MPa，28天對比增強約1.3倍。

②C25無機納米材料與常規(guī)混凝土。施工方無機納米材料28天抽檢267組，平均值53.8MPa，常規(guī)28天抽檢4920組，平均值 37.5MPa，28天對比增強約1.4倍；監(jiān)理方無機納米材料28天抽檢16組，平均值54.2MPa，常規(guī)28天抽檢752組，平均值40.5MPa，28天對比增強約1.3倍。

（2）與圍巖黏結(jié)強度

自開工到目前統(tǒng)計圍巖封閉噴混凝土與圍巖黏結(jié)強度檢測結(jié)果。

①CF30無機納米材料鋼纖維與常規(guī)鋼纖維混凝土。無機納米材料28天抽檢13組，平均值 2.43MPa，常規(guī)28天抽檢7組，平均值2.10MPa，28天對比增強約1.2倍。

②C25無機納米材料與常規(guī)混凝土。無機納米材料28天抽檢3組，平均值2.29MPa，常規(guī)28天抽檢6組，平均值 1.49MPa，28天對比增強約1.5倍。

（3）一次噴護厚度

①在噴混凝土試驗及施工中，無機納米材料混凝土一次噴護厚度均達到設(shè)計值20 cm以上，且無噴層塊脫落、分層、開裂及回彈率低等現(xiàn)象，若工程建設(shè)需要，仍可持續(xù)進行，且在其他工程建設(shè)中曾經(jīng)達到一次噴護厚度85 cm記錄。

②常規(guī)混凝土噴護，一次噴護厚度原則上不超過8 cm，若超過厚度將會出現(xiàn)噴混凝土層塊脫落，回彈量大超標等問題。

（4）回彈率

①CF30無機納米材料鋼纖維與常規(guī)鋼纖維混凝土。頂拱噴無機納米材料混凝土回彈率為11.2%，邊墻為8.4%；常規(guī)混凝土回彈率頂拱在18%左右，邊墻12%左右，頂拱回彈率對比降低6.8%左右，邊墻3.6%。

②C25無機納米材料與常規(guī)混凝土。頂拱噴無機納米材料混凝土回彈率為10.5%，邊墻為7.7%；常規(guī)混凝土回彈率頂拱在18%左右，邊墻12%左右，頂拱回彈率對比降低7.5%，邊墻4.3%。

四、無機納米噴混凝土優(yōu)越性

①和易性、可操作性提高。較常規(guī)混凝土料和易性具有明顯改善，黏聚性、流動性、可噴性具有大幅度提高。

②增強快，強度高?？箟簭姸?。室內(nèi)試驗C25混凝土較常規(guī)7天增強1.1倍，28天增強1.3倍?，F(xiàn)場施工CF30混凝土7天抗壓強度達55.7MPa，較常規(guī)增強 1.7倍，28天抗壓強度達61.7～63.5MPa，較常規(guī)增強 1.3～1.7 倍；C25混凝土28天抗壓強度53.8～54.2MPa，較常規(guī)增強 1.3～1.4 倍。

與圍巖黏結(jié)強度?，F(xiàn)場施工CF30混凝土28天較常規(guī)增強1.2倍，C25增強1.5倍。

③一次噴護厚度大，整體性強。在現(xiàn)場能一次完成設(shè)計20 cm噴護厚度，且無噴層塊脫落、分層及開裂等現(xiàn)象。

④回彈率降低。遠小于規(guī)范回彈率控制標準，且較常規(guī)CF30鋼纖維混凝土降低3.6%～6.8%，常規(guī)C25混凝土降低4.3%～7.5%，以降低工程造價成本。

五、結(jié) 語

目前，無機納米材料噴護混凝土在白鶴灘水電站地質(zhì)條件復雜開挖部位應(yīng)用廣泛，與常規(guī)混凝土對比，具有可噴性強、強度高、增強快、回彈率小、一次厚度大、降低膠材用量、起到及時封閉巖面整體受力、成本相當?shù)葍?yōu)點。此次在地下工程中應(yīng)用，為后續(xù)工程積累了經(jīng)驗。

因工作面局限性及無機納米材料顆粒微小，在工程中使用的干噴混凝土，會造成無機納米顆粒漂浮嚴重，對拌和及噴護人員傷害較大，因此，無機納米材料在干噴混凝土中應(yīng)用環(huán)保及人員健康問題有待進一步試驗研究。