王思謙

（華東中鐵工程檢測技術(shù)有限公司，河南 洛陽 471002）

0 引言

濕噴法噴射混凝土是按照特定配合比將預(yù)先拌和均勻的混凝土通過濕噴臺車提供的動力，沿管路輸送至噴頭處，在噴頭處摻加速凝劑后以較高速度噴射于受噴面，依靠噴射過程中膠凝材料漿體與骨料的連續(xù)撞擊、壓密而形成的一種混凝土施工工藝。濕噴法噴射混凝土質(zhì)量穩(wěn)定、施工效率高、回彈率低，施工環(huán)境比干噴法有很大改善。

目前，我國用于鐵路工程的混凝土濕噴臺車原理相似，為泵送式，由行駛和支撐系統(tǒng)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、電控單元、泵送系統(tǒng)（自帶空壓機）、配料系統(tǒng)、機械手臂、遙控系統(tǒng)和照明系統(tǒng)組成。我國在鐵路工程施工方面大力推行濕噴工藝，隨著鐵路建設(shè)的推進，隧道地質(zhì)條件更加復(fù)雜，作好噴射混凝土的分析優(yōu)化工作，科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)已迫在眉睫。

1 濕噴混凝土工藝?yán)碚摼C述

1.1 射流密實特征

濕噴混凝土施工過程中，混凝土拌合物以較高的速度噴向受噴面，膠凝材料所形成的漿體與骨料之間相互沖擊，使混凝土連續(xù)不斷得到壓密?；炷羾娚溥^程中流動方向為一維，擴散距離小，漿體充填飽滿，骨料嵌入呈蜂窩孔，受速凝劑影響，混凝土組分比例較穩(wěn)定。實現(xiàn)高密實度噴射混凝土的基本條件是混凝土拌合物的工作性和漿體總量必須滿足要求，其關(guān)鍵技術(shù)在于混凝土拌合料保持粘聚性、流動性和勻質(zhì)性。

1.2 濕噴混凝土拌合物體系的搭建

濕噴混凝土的技術(shù)性能，在很大程度上是由混凝土的原材料性質(zhì)和配合比決定的，同時與施工工藝有關(guān)。因此，必須了解混凝土原材料性質(zhì)、作用及其質(zhì)量要求,合理選擇噴射混凝土原材料和設(shè)計配合比，才能保證噴射混凝土質(zhì)量。

濕噴混凝土配合比設(shè)計分兩個步驟：（1）根據(jù)規(guī)范和理論，結(jié)合噴射混凝土性能和工程施工的技術(shù)條件，進行基準(zhǔn)配合比設(shè)計；（2）在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上通過施工現(xiàn)場試噴，測試噴射混凝土回彈率和鉆芯取樣進行實體強度驗證。通過這兩個步驟最終確定適合現(xiàn)場施工、可操作性強的理論配合比。兩個步驟相輔相成、缺一不可。

理想的濕噴混凝土拌合物是骨料顆粒宏觀上呈均勻分布，被膠凝材料漿體完全包裹，粗細骨料在混凝土中呈懸浮狀態(tài)。當(dāng)膠凝材料與水拌合后就會立即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，膠凝材料的各個組分開始溶解，填充在膠凝材料之間的液相已不再是純拌合用水，而是含有很多離子的溶液，由于水泥礦物質(zhì)溶解速度快，短時間內(nèi)可形成飽和的含堿的 Ca(OH)2、CaSO4溶液，液相的組成依賴于膠凝材料中各種組分組成的溶解度，這種液相反過來會影響膠凝材料的水化速度，固—液兩相處于隨時間而變化的動態(tài)平衡之中。水泥的水化都是在這種飽和溶液中進行的，隨著水泥的水化便產(chǎn)生了膠體體系，如果膠體體系出現(xiàn)膠體聚沉的不穩(wěn)定性問題，可能表現(xiàn)出混凝土離析、泌水、抓底等現(xiàn)象，直接影響漿體和水泥漿體的性能，最終造成整個混凝土體系的不穩(wěn)定，導(dǎo)致混凝土的和易性喪失。水泥及礦物摻合料的細顆粒形成具有穩(wěn)定且可塑性、具備適當(dāng)粘度的漿體，漿體中水泥及礦物摻合料的細顆粒穩(wěn)定地懸浮在漿體體系當(dāng)中，砂顆粒受到漿體粘度作用，也會穩(wěn)定地懸浮在體系當(dāng)中成為砂漿，如果這個體系搭建不成功，砂漿也會出現(xiàn)泌水、離析、分層；最后是體系中粒徑最大的石子，在穩(wěn)定適當(dāng)粘度的砂漿中懸浮，形成具有良好的和易性、工作性的混凝土。這種狀態(tài)是混凝土拌合物保持粘聚性、流動性和勻質(zhì)性的重要前提。

2 濕噴混凝土工藝在鐵路施工中的應(yīng)用

新建蒙華（蒙西至華中地區(qū)）鐵路煤運通道是鐵路建設(shè)以來第一次全線隧道初支采用機械濕噴的施工項目，MHTJ-29 標(biāo)段張坊隧道全長 5755m，是全線重難點工程，存在強富水或中富水的斷層破碎帶地段，隧道存在涌水、突泥、軟巖大變形等風(fēng)險。中鐵第四勘察設(shè)計院蒙西至華中地區(qū)設(shè)計技術(shù)交底中要求噴射混凝土 8h/24h/28d 強度分別不低于 2MPa/10MPa /25MPa；MHTJ-29 標(biāo)段采用鐵建重工 HPS3016 型濕噴臺車（生產(chǎn)率 30m3/h），為泵送式濕噴臺車，該噴射臺車使用液體速凝劑，在噴頭處與泵送出的混凝土瞬時拌合，以取得混凝土速凝效果。在鐵建重工的技術(shù)員詳細地介紹了該濕噴臺車的構(gòu)造及原理后，結(jié)合施工要求，我們進行了隧道初期支護濕噴混凝土配合比設(shè)計。

2.1 濕噴混凝土所用原材料

（1）水泥：中材萍鄉(xiāng)水泥有限公司生產(chǎn)的 P·O42.5水泥，其主要指標(biāo)見表 1。

表 1 水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：華能安源發(fā)電風(fēng)選Ⅱ級粉煤灰，45μm 方孔篩余量 18.9%，需水量比 101%，燒失量3.40%。

（3）細骨料：清江下游河砂，屬于Ⅱ區(qū)中砂級配范圍，細度模數(shù) 2.9，表觀密度 2650kg/m3，含泥量1.5%。

（4）粗骨料：萬載縣采石場生產(chǎn)的 5～10mm 單粒級配石灰質(zhì)碎石，表觀密度 2740kg/m3，壓碎值 9.3%，針片狀含量 4%。

（5）減水劑：陜西基業(yè)長青新材料有限公司生產(chǎn)的 JF 型聚羧酸高性能減水劑，該減水劑與水泥、粉煤灰之間具有良好的相容性，坍落度 1h 經(jīng)時變化量20mm，含氣量 2.5%。

（6）速凝劑：江蘇蘇博特生產(chǎn)的 SBT-N(Ⅰ) 液體速凝劑（低堿型），初凝時間 3min20s，終凝時間9min05s，28d 抗壓強度比 73.6%，推薦摻量為水泥用量的 3%～5%。

（7）拌合水：可飲用地下水。

2.2 濕噴混凝土配合比的確定及調(diào)整

（1）容重的確定

濕噴法噴射混凝土的單位體積容重應(yīng)控制在2200～2280kg/m3之間，這是體現(xiàn)混凝土泵送性能的一個重要參數(shù)。容重過輕，混凝土可能存在含氣量過高，導(dǎo)致混凝土強度不滿足要求；容重過重，混凝土內(nèi)部漿體體系遭到破壞，可能離析泌水，砂石料下沉，失去勻質(zhì)性，容易堵塞泵管。

（2）水膠比的確定

根據(jù)中鐵第四勘察設(shè)計院設(shè)計技術(shù)交底要求，結(jié)合TB 10417—2003《鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》及HPS3016 型濕噴臺車性能綜合考慮，水膠比的大小直接影響噴射混凝土強度和回彈率。由于本項目要求濕噴混凝土早期強度高，另外噴射混凝土射流密實特征本質(zhì)要求水膠比不宜過大，否則混凝土粘性小，噴射過程中骨料不易嵌入，從而導(dǎo)致回彈率的升高。

筆者在設(shè)計不同強度等級的噴射混凝土?xí)r，將水膠比為 0.41、0.39、0.37、0.35 時的混凝土拌合物中的石子剔除，然后將剩余砂漿揉成多個雞蛋大小的圓球甩向垂直墻壁，揉捏過程中手指間不漏水泥漿。

經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，水膠比在 0.37 和 0.35 對應(yīng)的水泥砂漿粘結(jié)良好，不掉塊。初步確定水膠比為 0.37 的混凝土較為合理，且水膠比在 0.37 所對應(yīng)的 28 天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下混凝土強度達到 56.4MPa，見表 2，考慮到速凝劑的影響系數(shù)折算，混凝土強度依然有富余。

表 2 不同水膠比對應(yīng)的混凝土抗壓強度變化

（3）坍落度的確定

混凝土流動性、粘聚性和保水性可以由坍落度指標(biāo)來評價。其取值經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)試驗驗證，坍落度在160～200mm 范圍，泵送式濕噴臺車能夠流暢工作，不但混凝土的可泵性及粘聚性良好，還可以降低噴射混凝土回彈率。坍落度過大，混凝土泌水離析，容易導(dǎo)致堵管；坍落度過小，混凝土太粘，難以泵送，也容易導(dǎo)致堵管。

（4）砂率的確定

根據(jù)噴射混凝土拌合物體系的勻質(zhì)性要求，只有使全部骨料處于懸浮狀態(tài)，才可以實現(xiàn)較理想的骨料均勻分布狀態(tài)。通過調(diào)整骨料的級配，增大骨料的表面積來增加粘阻力。砂子含有的小粒徑顆粒十分關(guān)鍵，顆粒級配范圍不得超出Ⅱ區(qū)中砂范圍，特別是方孔篩 0.60mm篩檔的累計篩余量應(yīng)在 70%～41% 之間，砂率的大小決定了混凝土自身可懸浮顆粒的多少，對于體系至關(guān)重要，是保持混凝土勻質(zhì)性的必要條件。針對本項目所采用的混凝土配合比，砂率宜控制在 52%～58%，考慮到砂子細度在使用過程中的波動性，選取砂率 55% 較為合理。

經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)驗證，當(dāng)砂率低于 52%，混凝土勻質(zhì)性受到影響，粘聚性變差且回彈率高，管路容易堵塞，施工工藝差，還導(dǎo)致噴射混凝土強度離散性很大；砂率超過 58%，因粗骨料不足，砂漿偏多對混凝土沖擊搗實力小，掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，同樣使噴射混凝土的強度降低。

（5）用水量及膠凝材料的確定

膠凝材料中極細的水泥顆粒遇水快速反應(yīng)生成的凝膠和超細顆粒構(gòu)成了懸濁體系的液體，這種液體和膠凝材料細顆粒構(gòu)成了水泥漿。只有合理的用水量，足夠數(shù)量的凝膠，膠凝材料顆粒表面形成足夠厚的“水膜”，才能保證細顆粒的懸浮，細顆粒的懸浮是形成穩(wěn)定漿體前提條件。

漿體受減水劑中的一些組分影響，同時對混凝土和易性和流速產(chǎn)生作用，這些組分促進或破壞了漿體的穩(wěn)定性，這種穩(wěn)定性能一旦遭到破壞，混凝土容易出現(xiàn)離析、抓底、泌水現(xiàn)象。離析不是因為漿體過多而產(chǎn)生，而是漿體不穩(wěn)定的結(jié)果。抓底現(xiàn)象也不是漿體過少而造成骨料外露，和減水劑的性能也有很大的相關(guān)性。在能科學(xué)控制用水量時，泌水是由減水劑的分散性能和減水率決定，選擇減水率和分散性能穩(wěn)定的減水劑也是至關(guān)重要的。

在保證漿體性能穩(wěn)定的前提下，足夠量的膠凝材料才能滿足混凝土的工作性，從而避免噴射混凝土在施工過程中堵管。經(jīng)試拌調(diào)整，確定用水量為 180kg/m3，膠凝材料總量為 486kg/m3，初步確定混凝土配合比詳見表3。該濕噴混凝土配合比技術(shù)指標(biāo)測試數(shù)據(jù)詳見表 4。

表 3 濕噴混凝土配合比 kg/m3

表 4 濕噴混凝土測試結(jié)果

經(jīng)測試，該濕噴混凝土粘聚性、流動性、保水性和勻質(zhì)性良好，無離析和泌水現(xiàn)象，可泵性好，回彈量9.8%。

粉煤灰粉體顆粒內(nèi)部含部分玻璃微珠，在混凝土中起著良好的潤滑作用，使拌合物流動性得以改善，可泵性能更好。由于粉煤灰的密度是水泥密度的 2/3 左右，粉煤灰等質(zhì)量替代水泥，混凝土的漿體體積則會增加。粉煤灰的這兩種性能會讓混凝土的流動性、包裹性變更好，另外粉煤灰的火山灰活性效應(yīng)在堿性環(huán)境下可以激發(fā)出來，增加混凝土后期強度，以抵消速凝劑對混凝土強度的影響。但是粉煤灰填充及潤滑混凝土的同時也對水泥顆粒起分散作用，這種分散作用對混凝土早期強度的增長是不利的。

液態(tài)低堿速凝劑的促凝機理可歸納為兩點：其一，通過促進大量鈣礬石 AFt 的形成達到促凝的目的；其二，通過促進水泥中鋁酸三鈣 C3A 的快速水化，從而形成相互交錯且緊密連接的針棒狀鈣礬石 AFt 結(jié)構(gòu)，以此促進水泥的快速凝結(jié)硬化。粉煤灰的摻入稀釋了鈣礬石AFt 相互交錯且緊密連接的結(jié)構(gòu)量，甚至?xí)茐暮妥钄噙@種交錯、緊密連接的結(jié)構(gòu)形成。

針對粉煤灰對混凝土早期強度的影響，粉煤灰用量采用內(nèi)摻法，在初步確定濕噴混凝土配合比的基礎(chǔ)上，分別按照 5%、10%、15% 替代水泥，做混凝土拌和物性能檢驗及強度檢驗，結(jié)果顯示三種摻量的配合比均符合設(shè)計及規(guī)范要求，詳見表 5。

表 5 不同粉煤灰摻量的濕噴混凝土配合比及技術(shù)測試結(jié)果

由于所對應(yīng)的濕噴回彈量有所不同，分別對應(yīng)為9.6%、9.7%、17.0%，從混凝土配合比設(shè)計的經(jīng)濟性及施工成本控制方面考慮，選擇粉煤灰摻量在 10% 較合理。

從 56 天強度增長結(jié)果來看，摻入一定量的粉煤灰，確實有利于后期強度的發(fā)展。通過理論配合比設(shè)計、噴射混凝土現(xiàn)場噴射回彈率和實體強度驗證確定該項目噴射混凝土配合比為 SP-03。

SP-03 噴射混凝土配合比在施工實際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)砂子的細度模數(shù)波動適當(dāng)調(diào)整砂率，隨著隧道開挖掘進，根據(jù)運輸距離及環(huán)境溫度、濕度適當(dāng)調(diào)整減水劑中的保坍、緩凝組分來保證混凝土到達施工現(xiàn)場的性能與設(shè)計配合比保持一致。此外，噴射前可以利用臺車自帶空壓機產(chǎn)生的高風(fēng)壓，對巖面松動層進行清理，提高噴射混凝土的附著力。

3 結(jié)論

（1）濕噴混凝土在鐵路施工中是一種性能優(yōu)異的施工方法；

（2）采用濕噴工藝的關(guān)鍵技術(shù)在于混凝土拌合料保持粘聚性、流動性和勻質(zhì)性；

（3）濕噴混凝土摻入一定量的粉煤灰不僅有利于改善工作性，還有利于隧道初期支護后期強度的增長。