聶榮輝，李祖權(quán)，田海龍

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

我國(guó)隧道等地下工程的初期支護(hù)噴射混凝土在采用濕噴工藝之后，雖然能夠解決部分干噴工藝帶來(lái)的粉塵大、環(huán)境很差、材料浪費(fèi)大，噴射混凝土的密實(shí)度較差，質(zhì)量難保證［1］等問(wèn)題，但實(shí)際施工過(guò)程中，在確保配合比、速凝劑摻量、施工工藝等影響濕噴混凝土回彈的主要因素［2，3］基本滿足要求的前提下，回彈率仍在30%左右，且掉塊是濕噴工藝獨(dú)有的一種問(wèn)題。馬忠誠(chéng)等人［4］的研究也強(qiáng)調(diào)了要研究低成本的原料，優(yōu)化濕噴技術(shù)工藝才能更好地推廣應(yīng)用。為了進(jìn)一步降低回彈率，減少掉塊，采用一種市售納米材料摻入混凝土中，與基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以驗(yàn)證該納米材料對(duì)混凝土工作性能、回彈率、噴射厚度、平整度及成本的影響。

1 概況

某高速公路位于廣東省清遠(yuǎn)市境內(nèi)，標(biāo)段起訖里程樁號(hào)K136+211.6～K154+652.5，全長(zhǎng)18.441 km。全線共隧道3座，隧道總長(zhǎng)度約為5.511 km，單洞總長(zhǎng)達(dá)11.14 km。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)初期支護(hù)噴射混凝土用量約為93 670 m3，用量大，成本高。

在隧道噴射混凝土施工過(guò)程中，噴射混凝土回彈率較大，拱頂噴射時(shí)掉塊較多，造成混凝土超方嚴(yán)重，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平均超方都在30%左右，且速凝劑用量超耗嚴(yán)重，造成很大浪費(fèi)和工程成本大幅上升；工作性能受材料變化影響、以及濕噴機(jī)設(shè)備泵管直徑小，泵管彎頭多、角度大等影響，易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，影響掌子面施工進(jìn)度，且噴射混凝土平整度一次性合格率低，影響防水板鋪設(shè)，需要補(bǔ)噴才能滿足要求。

2 混凝土配合比

2.1 原材料

水泥為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，粗骨料是巖性為石灰?guī)r的自加工5～10 mm 碎石，母巖飽和抗壓強(qiáng)度86 MPa，細(xì)骨料為自制機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.0，石粉含量12.5%；減水劑為聚羧酸高效減水劑，1.0%摻量時(shí)減水率達(dá)25%以上；速凝劑為液體無(wú)堿速凝劑，7%摻量時(shí)的凈漿初、終凝時(shí)間分別為4.0 min、7.5 min。

納米材料是由某廠生產(chǎn)的一種有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合型噴射混凝土專用材料。摻入噴射混凝土中可有效提高混凝土粘聚性及工作性，增加噴射混凝土與基體的粘結(jié)性，降低噴射混凝土回彈率，可部分甚至全部取代防水劑、防腐劑、減水劑及常用的材料（粉煤灰、礦粉、硅灰等）。該產(chǎn)品復(fù)合了部分防腐、調(diào)節(jié)膠凝體系的化學(xué)組成，維持體系中各相的化學(xué)平衡，從而有效提升混凝土的抗硫酸鹽、鹽類物質(zhì)腐蝕性能，可有效降低混凝土在硫酸鹽、鹽類物質(zhì)侵蝕條件下發(fā)生的表面脹裂、剝落等風(fēng)險(xiǎn)，提高混凝土強(qiáng)度和耐久性能。其作用機(jī)理為：

⑴通過(guò)漿體流變調(diào)控技術(shù)，能夠使混凝土“液相增稠、動(dòng)態(tài)低粘、靜態(tài)高粘”的特性，即在流動(dòng)狀態(tài)時(shí)混凝土具有高粘聚性，在噴射過(guò)程中粘聚性降低，在噴射到基巖面后具有高粘結(jié)性。

⑵同時(shí)基于最緊密堆積設(shè)計(jì)，通過(guò)納米改性技術(shù)，可提高噴射混凝土密實(shí)度，進(jìn)而提高強(qiáng)度和保證率。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

噴射混凝土標(biāo)號(hào)為C25，坍落度要求為140～200 mm，摻納米材料混凝土配合比是在基準(zhǔn)混凝土配合比的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1 濕噴混凝土配合比Tab.1 Mix Proportion of Wet Shotcrete

3 摻納米材料混凝土試驗(yàn)應(yīng)用效果

3.1 改善混凝土工作性能

噴射混凝土拌合物的和易性是由水灰比、灰漿體積以及骨料的配比、級(jí)配、形狀、空隙決定的［5］。納米材料具有減水性，在保證坍落度的同時(shí)，降低單位用水量，降低水灰比；納米材料能夠填充水泥的空隙，增加水泥漿的體積，能夠充分包裹骨料表面；納米材料改善了混凝土的工作性能，使混凝土對(duì)材料的變化影響敏感性減小，未出現(xiàn)離析或泌水現(xiàn)象，在泵送過(guò)程中未發(fā)生泵送困難及堵管現(xiàn)象。

而在前期施工中，基準(zhǔn)混凝土的和易性一般，受材料變化影響、以及濕噴機(jī)設(shè)備泵管直徑小，泵管彎頭多、角度大等影響，容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，造成施工暫停和混凝土的浪費(fèi)，影響掌子面施工進(jìn)度。

2種噴射混凝土的性能如表2所示。

表2 摻納米材料混凝土與基準(zhǔn)混凝土性能Tab.2 Performance of Concrete Mixed with Nano Materials and Reference Concrete

3.2 降低噴射混凝土回彈率、提高一次噴射厚度及平整度一次性合格率

納米材料的摻入能夠增加膠凝材料的比表面積，包裹能力增強(qiáng)，改善了粘聚性、增加了稠度，進(jìn)而能夠提高混凝土拌合物的粘結(jié)強(qiáng)度，較大程度上減少了由于噴射時(shí)的沖擊力造成的混凝土回彈，這點(diǎn)與寧逢偉等人［6］，Pickelmann 等人［7］、Markus 等人［8］的相關(guān)研究中提到的結(jié)論相似。

在噴射到初噴混凝土面后，強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，減少了噴射時(shí)因自重因素導(dǎo)致掉塊現(xiàn)象的發(fā)生，提高了一次噴射厚度和平整度一次性合格率。在噴射混凝土?xí)r邊墻分層厚度可達(dá)到200 mm、拱部分層厚度控制在150 mm，要達(dá)到設(shè)計(jì)噴射厚度，只需要噴射1～2 層就能噴射完成，完成單個(gè)循環(huán)支護(hù)時(shí)間約為3.5 h，減少了噴射混凝土噴射時(shí)間，節(jié)約人工機(jī)械水電成本，縮短單個(gè)循環(huán)時(shí)間。摻納米材料混凝土噴射邊墻情況如圖1a所示，噴射拱頂情況如圖1b所示。

圖1 摻納米材料噴射情況Fig.1 Spraying of Concrete Mixed with Nano Materials

而基準(zhǔn)混凝土粘結(jié)強(qiáng)度較差，且自身強(qiáng)度增長(zhǎng)慢、導(dǎo)致回彈和掉塊均較大，拱頂部位尤為明顯，容易造成初支噴射混凝土不密實(shí)、背后形成空洞，平整度一次性合格率低，進(jìn)而影響防水板的鋪設(shè)，造成防水板后不密實(shí)或者脫空?；鶞?zhǔn)混凝土在噴射混凝土?xí)r邊墻分層厚度控制在80～150 mm、拱部分層厚度控制在60～100 mm［9］，噴射時(shí)需分2～3 層才能完成噴射，完成單個(gè)循環(huán)支護(hù)時(shí)間為4 h?；鶞?zhǔn)混凝土噴射邊墻情況如圖2a 所示，噴射拱頂情況如圖2b所示。

圖2 基準(zhǔn)混凝土噴射情況Fig.2 Spraying of Reference Concrete

在完成基準(zhǔn)混凝土與摻納米材料混凝土噴射施工后，收集散落在彩條布上的混凝土，使用體積計(jì)量法確定回彈量，噴射混凝土回彈率和掉塊數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。

表3 噴射混凝土回彈率數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of Rebound Rate Data of Shotcrete

3.3 提高噴射混凝土強(qiáng)度

王龍等人［10］的相關(guān)研究表明納米材料能填充水泥顆粒之間的空隙，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高混凝土的強(qiáng)度。同時(shí)，納米材料具有火山灰活性，在水化硬化過(guò)程中，與水泥基材料能生成強(qiáng)度較高的水化硅酸鈣凝膠，提高水泥硬化漿體的強(qiáng)度。

按照文獻(xiàn)［9］要求，在現(xiàn)場(chǎng)用模具制作了噴射混凝土試驗(yàn)板件，使用鉆芯法取得標(biāo)準(zhǔn)試塊。經(jīng)試驗(yàn)，相關(guān)試件不同齡期的強(qiáng)度如表4 所示，從表4 中可以看出，摻納米材料混凝土對(duì)強(qiáng)度有較大提高，驗(yàn)證了納米材料能夠填充水泥顆粒間的空隙，提高混凝土的密實(shí)度，進(jìn)一步提高混凝土的強(qiáng)度。

表4 噴射混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.4 Comparison of Shotcrete Strength Data

3.4 降低成本

通過(guò)對(duì)隧道噴射混凝土配合比的優(yōu)化，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)基準(zhǔn)混凝土與摻納米材料混凝土的噴射情況進(jìn)行對(duì)比，摻納米材料混凝土的噴射施工質(zhì)量?jī)?yōu)于基準(zhǔn)混凝土，且綜合成降低了88.5 元/m3。噴射混凝土綜合成本分析如表5所示。

表5 噴射混凝土綜合成本分析對(duì)比Tab.5 Comparison of Comprehensive Cost Analysis of Shotcrete

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)表明，摻納米材料噴射混凝土比基準(zhǔn)噴射混凝土具有以下優(yōu)勢(shì)：

⑴改善混凝土的和易性，提高混凝土可泵性，降低了堵管風(fēng)險(xiǎn)。

⑵降低噴射混凝土施工過(guò)程的回彈率、提高一次噴射厚度、有效地降低掉塊現(xiàn)象、提高噴射混凝土表面平整度一次性合格率。

⑶提高噴射混凝土施工效率、節(jié)約噴射混凝土的施工時(shí)間。

⑷降低噴射混凝土的綜合成本（人員、設(shè)備、水電等），提高混凝土施工質(zhì)量。

盡管納米材料的價(jià)格相對(duì)較高，但其對(duì)隧道初期支護(hù)的施工質(zhì)量及帶來(lái)的綜合效益顯著，具有推廣使用價(jià)值。