張秀春

(朝陽市江河流域保護管理局，遼寧 朝陽 122000)

輸水隧洞通過噴射機械將水泥、骨料以及速凝劑按照一定比例拌和均與后，通過噴嘴將配比混凝土與水混合后在噴面上進行噴射，凝結(jié)硬化后對混凝土進行支護[1]。噴射混凝土按照施工工藝分為干法和濕法2種類型[2]。第一個噴嘴將骨料混凝土和水泥攪勻后進行噴射，水從第二個噴嘴噴射到隧洞巖體面上為干法噴射施工工藝[3]。這種工藝噴射回彈率以及施工粉塵均較大，施工環(huán)境較差[4]。濕法噴射是將骨料和水泥拌勻后，通過空氣壓縮機在拌勻后的混凝土中添加速凝劑并將其噴射到巖土表層[5]。這種工藝回彈率和施工粉塵都要好于干法噴射，且可以較好地改善施工環(huán)境以及施工質(zhì)量。近年來，我國在水利工程質(zhì)量控制技術(shù)方面主要通過國家重點水利工程項目總結(jié)了大量成功的經(jīng)驗[6-14]，但這些成果大都以南方地區(qū)輸水隧洞的研究為主，北方地區(qū)尤其是嚴寒地區(qū)的輸水隧洞噴射混凝土質(zhì)量控制技術(shù)研究還相對較少，基于此，本文通過大直徑輸水隧洞圍巖初襯用噴射混凝土配合比回彈率試驗分析，得出配合比優(yōu)化設(shè)計及降低原材料浪費的綜合評價分析結(jié)果，對于北方地區(qū)輸水隧洞混凝土噴射質(zhì)量控制具有重要的參考和推廣價值。

1 試驗指標測定方法

回彈率試驗：在施工現(xiàn)場對回彈率進行試驗測定，對施工段側(cè)墻或者頂面按照結(jié)構(gòu)進行劃分試驗。將帆布鋪設(shè)在地面上，按照一定質(zhì)量比噴涂混凝土，對滴落到地面的混凝土進行采集和質(zhì)量稱定?；炷粱貜椔适堑温浠炷临|(zhì)量占總質(zhì)量的百分率?；貜椔适腔炷羾娚滟|(zhì)量控制較為重要的一項經(jīng)濟指標。

抗壓強度試驗：在控制相同的用水量和通過減水劑控制相同的坍落度(140～160mm)條件下，調(diào)整每立方米混凝土的單位水泥用量(采用P·O42.5級水泥)，進行噴射混凝土抗壓強度試驗。

2 試驗成果分析

2.1 回彈率試驗

在某輸水隧洞施工現(xiàn)場進行回彈率試驗，該隧洞工程屬于斷面面積較大的工程隧洞，隧洞開挖支護采用噴射混凝土方式進行施工。通過試驗，干噴與濕噴混凝土的回彈率試驗結(jié)果見表1。

表1 干噴與濕噴混凝土的回彈率試驗結(jié)果

由表1可知，在強度等級和塌落度相同的條件下，濕噴混凝土的回彈率是干噴混凝土的50%～55%。說明濕法噴射混凝土明顯降低原材料的浪費。

不同塌落度對濕法噴射混凝土回彈率影響的試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 塌落度對回彈率的影響

從圖1可知，混凝土噴射的回彈率隨著塌落度的遞增呈先遞減后遞增變化，噴射的混凝土在不同塌落區(qū)間產(chǎn)生較為顯著的變化?；貜椔试谒涠确謩e為140及160mm時趨于最小值，也表明當塌落度在140～160mm之間時回彈率較低，為塌落度最優(yōu)區(qū)間。因此，將混凝土的塌落度控制在140～160mm之間以及采用濕法噴射工藝可有效降低混凝土噴射的回彈率，提高原材料的利用率。

2.2 抗壓強度試驗

采用前述方法對噴射混凝土的抗壓強度進行試驗，不同水泥用量按照每立方米噴射混凝土量進行抗壓強度分析，試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著水泥用量增加混凝土抗壓強度不斷增加，但當水泥用量達到460kg/m3以后，無論是干噴混凝土還是濕噴混凝土的抗壓強度均沒有顯著增長；在相同的水泥用量條件下，濕噴混凝土的抗壓強度明顯高于干噴混凝土。由試驗可知，當采用P·O42.5級水泥配制干噴混凝土?xí)r，混凝土最高配制等級只能達到C25，無論怎么增加水泥用量也不能再提高混凝土的等級；而采用濕噴混凝土?xí)r，配制強度等級可達C35。

圖2 水泥用量對噴射混凝土強度的影響

由此可見，在配制相同噴射混凝土等級時，濕噴混凝土更節(jié)約水泥用量，但水泥用量不宜超過460kg/m3。

2.3 噴射混凝土用的速凝劑試驗

選擇粉狀堿性速凝劑(以鋁氧熟料為主要成分)、堿性液體速凝劑(水玻璃為主要成分)和無堿液體速凝劑(硫酸鋁為主要成分)進行試驗研究，為選擇噴射混凝土用的速凝劑提供參考。3個品種的速凝劑的試驗結(jié)果見表2。

由表2可知，當速凝劑凝結(jié)時間基本相同時，速凝劑的摻量由小至大為有堿液體速凝劑、粉狀堿性速凝劑、無堿液體速凝劑。其中，3種速凝劑的砂漿和混凝土的1d抗壓強度差異較小，粉狀速凝劑約偏高；28d抗壓強度比由大至小為無堿液體速凝劑、有堿液體速凝劑、粉狀堿性速凝劑，但無堿液體速凝劑的砂漿28d抗壓強度比達到102%，混凝土28d抗壓強度比達到95%。液體速凝劑的回彈率明顯低于粉狀速凝劑。速凝劑的總堿量有低至高為無堿液體速凝劑、有堿液體速凝劑、粉狀堿性速凝劑；當混凝土中骨料存在疑似堿活性或堿活性骨料時，應(yīng)選擇無堿液體速凝劑，不得選用堿性速凝劑。

表2 不同品種速凝劑性能試驗結(jié)果

由此可見，在噴射混凝土中宜優(yōu)先選用無堿液體速凝劑，混凝土后期強度可得到有效保證，混凝土回彈率也可同時得到不同程度的降低，從而提高混凝土的施工強度和耐久度。

2.4 速凝劑初凝時間對噴射混凝土回彈率的影響

速凝劑凝結(jié)時間按照JC477《噴射混凝土用速凝劑》的方法進行質(zhì)量標準的控制，噴射混凝土回彈率再按照混凝土初凝時間進行試驗。噴射混凝土回彈率受速凝劑初凝時間影響分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 速凝劑初凝時間對回彈率的影響

從圖3可知，混凝土噴射的回彈率隨著速凝劑凝結(jié)時間的遞增呈先遞減后遞增的變化，干噴混凝土的回彈率在速凝劑初凝時間為2～3min時處于相對較低值，濕噴混凝土的回彈率在速凝劑初凝時間為3～4min時處于相對較低值。因此，為提高混凝土噴射原材料的利用率，干噴和濕噴混凝土速凝劑初凝最優(yōu)時間應(yīng)分別控制在2～3min和3～4min之間。

2.5 粉煤灰對噴射混凝土凝結(jié)時間的影響

速凝劑凝結(jié)時間按照標準JC477的方法進行試驗控制，不同粉煤灰摻量下水泥凈漿的凝結(jié)時間試驗結(jié)果見表4。

由表4可知，隨著粉煤灰摻量的增加速凝劑的凝結(jié)時間不斷增加，當粉狀速凝劑的粉煤灰摻量達到30%時，初凝的凝結(jié)時間大于5min，凝結(jié)時間不能滿足標準要求(不大于5min)；當無堿液體速凝劑的粉煤灰摻量達到25%時，凝結(jié)時間不能滿足標準要求。由凝結(jié)時間試驗可知，粉狀堿性速凝劑粉煤灰的最大摻量為25%，無堿液體速凝劑粉煤灰的最大摻量為20%。

表4 粉煤灰摻量對水泥凈漿的凝結(jié)時間的影響

2.6 粉煤灰摻量對噴射混凝土強度的影響

粉煤灰不同摻量對干噴混凝土和濕噴混凝土的強度的影響試驗結(jié)果如圖4—5所示。

圖4 粉煤灰摻量對干噴混凝土強度的影響

從圖4—5可知，噴射混凝土的抗壓強度隨著粉煤灰摻量的提高呈先遞增后遞減變化，干噴混凝土抗壓強度最大值出現(xiàn)于粉煤灰摻量為10%時，隨著粉煤灰摻量不斷增加,其抗壓強度逐步減小。同樣，濕噴混凝土抗壓強度最大值出現(xiàn)于粉煤灰摻量為15%時，隨著粉煤灰摻量不斷增加，其抗壓強度逐步減小。

圖5 粉煤灰摻量對濕噴混凝土強度的影響

3 試驗結(jié)論

(1)噴射混凝土施工工藝應(yīng)優(yōu)選濕法噴射，可以降低噴射混凝土的回彈率，降低施工時的粉塵，改善工作環(huán)境。

(2)濕噴和干噴2種方式粉煤灰最優(yōu)摻量比建議分別控制為15%和10%。摻入粉煤灰可以降低噴射混凝土的回彈率、提高了混凝土前期強度和耐久性，保證了混凝土后期強度。

(3)在混凝土噴射時，坍落度應(yīng)控制在140～160mm之間，坍落度過大或過小都會使得其混凝土噴射的回彈率有所增加，從而降低原材料的利用率。

(4)水泥的最大用量在后續(xù)研究中還需要進行優(yōu)化確定，當水泥用量大于一定量以后噴射混凝土的抗壓強度幾乎沒有增加。