陳祥龍

（云南云嶺高原養(yǎng)護(hù)工程有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

噴射混凝土是公路隧道施工過(guò)程中圍巖初支的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，混凝土噴射工藝歷經(jīng)干噴工藝、潮噴工藝到目前流行的濕噴工藝，技術(shù)逐漸成熟[1-3]。噴射混凝土必需的速凝劑也伴隨著混凝土噴射工藝的發(fā)展經(jīng)歷了粉體速凝劑到液體速凝劑的轉(zhuǎn)變，其中液體速凝劑又細(xì)分為有堿速凝劑、低堿速凝劑和無(wú)堿速凝劑。

有堿速凝劑以偏鋁酸鈉、硅酸鈉等為主要成分，其堿金屬鹽含量高，腐蝕性強(qiáng)，易產(chǎn)生混凝土堿骨料反應(yīng)，混凝土28d 抗壓強(qiáng)度保留率低，后期強(qiáng)度損失較大，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性和抗?jié)B性，同時(shí)生產(chǎn)和施工過(guò)程對(duì)人體危害較大[4]。低堿速凝劑多采用氫氟酸或氟硅酸作為原材料，其氟化物易揮發(fā)、毒性大，生產(chǎn)過(guò)程危險(xiǎn)，此外混凝土1d 強(qiáng)度低，易造成爆破掘進(jìn)過(guò)程中初支開(kāi)裂嚴(yán)重、沉降不收斂，進(jìn)而導(dǎo)致隧道坍塌事故[5]。無(wú)堿速凝劑經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，技術(shù)日漸成熟，其主要以有機(jī)酸為主要絡(luò)合組分，堿含量低，混凝土早期強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度無(wú)倒縮，生產(chǎn)過(guò)程環(huán)保，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員傷害小[6]。2020 年以來(lái)，交通運(yùn)輸部、應(yīng)急管理部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部先后發(fā)文禁止有堿速凝劑，提倡采用液體無(wú)堿速凝劑，同時(shí)各級(jí)地方業(yè)主和施工單位也逐漸接受并大面積推廣液體無(wú)堿速凝劑的應(yīng)用。

本文依托云南省宣會(huì)高速公路項(xiàng)目，研究了液體無(wú)堿速凝劑對(duì)工程水泥凝結(jié)時(shí)間、膠砂抗壓強(qiáng)度以及混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，分析了水泥漿靜停時(shí)間對(duì)速凝劑性能的影響，探討了混凝土噴射工藝的合理性，并指出了目前液體無(wú)堿速凝劑在摻量、價(jià)格、存儲(chǔ)穩(wěn)定性等3 個(gè)方面存在的問(wèn)題。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：P.O 42.5 級(jí)金塬水泥，曲靖市宣威宇恒水泥有限公司。砂：機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.1，會(huì)澤啟運(yùn)建材有限公司。石子：粒徑5～10mm，會(huì)澤啟運(yùn)建材有限公司。液體無(wú)堿速凝劑：SN-01 型，由江蘇碩能新材料有限公司提供。聚羧酸高性能減水劑：TL 型，由云南泰嶺科技有限公司提供。

1.2 儀器設(shè)備

電子天平，JA1002 型，上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司；維卡儀，上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；水泥凈漿攪拌機(jī)，NJ-160A 型，上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；水泥膠砂攪拌機(jī)，JJ-5 型，上海市路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；自動(dòng)式膠砂抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)，DYE-300-10S 型，河北晟興儀器設(shè)備有限公司；強(qiáng)制式單臥軸混凝土攪拌機(jī)，SJD30 型，浙江上虞市道墟建筑機(jī)械廠；混凝土電液壓力試驗(yàn)機(jī)，TSY-2000 型，浙江路達(dá)機(jī)械儀器廠；標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱，YH-40B 型，河北晟興儀器設(shè)備有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間、膠砂強(qiáng)度測(cè)試方法參照《噴射混凝土用速凝劑》（GB/T 35159—2017）、《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》（GB/T 17671—1999），混凝土強(qiáng)度測(cè)試參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50081—2002）。

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)堿速凝劑摻量對(duì)水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

不同無(wú)堿速凝劑摻量（6%～9%）下水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間如表1 所示。6.0%摻量下，水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間剛剛滿足速凝劑國(guó)標(biāo)對(duì)速凝劑初凝時(shí)間小于5min 和終凝時(shí)間小于12min 的要求。隨著速凝劑摻量的提高，初、終凝時(shí)間均隨之縮短。摻量達(dá)到8.0%時(shí)，初凝時(shí)間為2′20″，終凝時(shí)間為5′30″，達(dá)到了速凝劑舊行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中一等品對(duì)凝結(jié)時(shí)間的要求。在施工使用速凝劑過(guò)程中還要注意以下3 個(gè)方面影響。

表1 不同無(wú)堿速凝劑摻量下水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間

2.1.1 環(huán)境溫度的影響

通常施工時(shí)環(huán)境的溫度對(duì)速凝效果影響很大，環(huán)境溫度在5～30℃，溫度越高，速凝劑的速凝效果越好。

2.1.2 水灰比的影響

水灰比越大，水泥水化時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致混凝土的初、終凝時(shí)間增大，影響速凝劑的使用效果而且會(huì)加大混凝土的收縮率，從而造成裂縫。過(guò)小的水灰比，將增大混凝土的回彈率，增加工程的損耗，同時(shí)還會(huì)加大對(duì)工程機(jī)械的磨損。

2.1.3 速凝劑和水泥的貯存時(shí)間與貯存條件的影響

速凝劑（或水泥）在濕度大的環(huán)境中都易潮解結(jié)塊或發(fā)生水化反應(yīng)而失去應(yīng)有的速凝功能（或水化性能降低）。因此，施工中必須保證較好的速凝劑和水泥貯存條件。同時(shí)針對(duì)施工中的實(shí)際情況通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定噴射混凝土中速凝劑的摻量和摻加方式。

2.2 無(wú)堿速凝劑對(duì)水泥膠砂抗壓強(qiáng)度的影響

不同無(wú)堿速凝劑摻量（6%～9%）下水泥膠砂1d 抗壓強(qiáng)度如表2 所示。由數(shù)據(jù)可見(jiàn)，水泥膠砂1d 抗壓強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于國(guó)標(biāo)要求7.0MPa，隨著速凝劑摻量提高，膠砂強(qiáng)度無(wú)明顯的變化規(guī)律，表明無(wú)堿速凝劑對(duì)1d 強(qiáng)度無(wú)不利影響。膠砂28d 抗壓強(qiáng)度比均大于90%，90d 抗壓強(qiáng)度保留率均大約100%，表明無(wú)堿速凝劑對(duì)水泥硬化體后期強(qiáng)度無(wú)不利影響。

表2 不同無(wú)堿速凝劑摻量下水泥膠砂1d 抗壓強(qiáng)度

2.3 無(wú)堿速凝劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

據(jù)表3、表4，噴射混凝土1d 抗壓強(qiáng)度10.6MPa，滿足《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3660—2020）中噴射混凝土1d 抗壓強(qiáng)度不低于8.0MPa 的要求。而采用低堿速凝劑1d 強(qiáng)度低，隧道爆破擾動(dòng)極易造成隧道坍塌，采用無(wú)堿速凝劑可以有效杜絕上述安全隱患。由數(shù)據(jù)可見(jiàn)，28d 抗壓強(qiáng)度較之7d 強(qiáng)度仍存在較顯著的增長(zhǎng)，不存在任何倒縮現(xiàn)象。同時(shí)施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：①噴射混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，隨速凝劑產(chǎn)摻量的增加而降低；噴射混凝土的后期抗壓強(qiáng)度均低于不摻速凝劑混凝土的后期抗壓強(qiáng)度。②噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度與襯砌的支護(hù)能力有很大的關(guān)系，因?yàn)樵诒訃娚浠炷烈r砌時(shí)，尤其在襯砌的突出部位容易產(chǎn)生拉應(yīng)變。噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/23～1/16；為增加噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度，建議可以考慮可以增加纖維配筋的噴射混凝土。③由于噴射時(shí)混凝土高速?zèng)_擊被噴射面，使得骨料受擠壓而密實(shí)，因此，噴射混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度較高，這也是襯砌支護(hù)起作用的主要因素。由于摻速凝劑混凝土的后期強(qiáng)度都比不摻者要低，為了彌補(bǔ)后期強(qiáng)度的損失。除加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)以外，還可以復(fù)合減水劑，在保持相同流動(dòng)情況下，由減水劑降低水灰比來(lái)彌補(bǔ)后期強(qiáng)度損失。因此，采用無(wú)堿速凝劑噴射混凝土的早期和后期強(qiáng)度都有保障。

表3 噴射混凝土配合比

表4 不同齡期噴射混凝土抗壓強(qiáng)度

2.4 水泥漿靜停時(shí)間對(duì)無(wú)堿速凝劑凝結(jié)時(shí)間的影響

隧道施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度工作不到位，混凝土攪拌站和隧道噴漿現(xiàn)場(chǎng)溝通不及時(shí)，極易造成新拌混凝土到達(dá)洞口后需要等待較長(zhǎng)時(shí)間才進(jìn)入噴漿環(huán)節(jié)。新拌混凝土隨著靜停時(shí)間增加，水泥漿活性逐漸降低，速凝劑與水泥礦物相互反應(yīng)程度降低，造成水泥漿凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。表5 列出了水泥凈漿靜停不同時(shí)間后摻入相同摻量（8%）速凝劑時(shí)凝結(jié)時(shí)間的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著水泥漿靜停時(shí)間的延長(zhǎng)，初、終凝時(shí)間均表現(xiàn)出顯著延長(zhǎng)的趨勢(shì)。提高速凝劑摻量至9%，凝結(jié)時(shí)間可以有效縮短，但是靜停時(shí)間延長(zhǎng)到3h 以后，即使提高速凝劑摻量到9%，凝結(jié)時(shí)間仍然不達(dá)標(biāo)。因此，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度工作，確保混凝土拌和、運(yùn)輸、噴漿各環(huán)節(jié)有效銜接，杜絕新拌混凝土靜停時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致速凝劑用量大幅提高的問(wèn)題。

表5 水泥漿靜停時(shí)間對(duì)速凝劑凝結(jié)時(shí)間的影響

2.5 噴射混凝土噴射工藝探討

噴射混凝土質(zhì)量控制不當(dāng)，極易造成回彈率高的問(wèn)題，這與速凝劑品質(zhì)、混凝土配合比控制以及噴射作業(yè)手法等因素相關(guān)。施工管理人員在確保速凝劑產(chǎn)品合格、混凝土配合比嚴(yán)格控制的基礎(chǔ)上，應(yīng)加強(qiáng)混凝土噴漿作業(yè)管理。

混凝土噴漿作業(yè)應(yīng)通過(guò)初噴和復(fù)噴工序分別進(jìn)行，初噴厚度不宜大于50mm，打底層厚度太大極易造成復(fù)噴混凝土粘附力差而掉落。復(fù)噴可一次完成，也可多次完成，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，但是拱頂部位每次復(fù)噴厚度應(yīng)小于100mm，邊墻部分復(fù)噴厚度可適當(dāng)增加，但是不宜大于150mm。噴漿作業(yè)時(shí)噴嘴到受噴面的距離不宜過(guò)大，也不宜過(guò)小，距離過(guò)大，混凝土到達(dá)受噴面時(shí)的粘附力太??；距離過(guò)小，沖擊力太大易導(dǎo)致粘附到受噴面的混凝土脫落，合適的距離應(yīng)控制在0.6～1.5m。此外，噴射拱頂及拱腰時(shí)，噴嘴與受噴面角度宜控制在90°，噴射邊墻時(shí)宜將噴嘴向下傾斜10°左右。

2.6 液體無(wú)堿速凝劑推廣應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題

液體無(wú)堿速凝劑發(fā)展至今，技術(shù)正不斷成熟，但現(xiàn)階段仍存在諸如摻量大、存儲(chǔ)穩(wěn)定期短、適應(yīng)性不穩(wěn)定等一些問(wèn)題。

2.6.1 價(jià)格高、摻量大

經(jīng)調(diào)查，目前市場(chǎng)上液體無(wú)堿速凝劑價(jià)格普遍在3000～6000 元/t，和有堿速凝劑和粉體速凝劑相比價(jià)格較高。據(jù)測(cè)算，液體無(wú)堿速凝劑摻量不大于8%時(shí)，相對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；當(dāng)摻量超過(guò)10%時(shí)，將增加施工難度，生產(chǎn)和施工成本也會(huì)隨之增加。

2.6.2 存儲(chǔ)穩(wěn)定期短

要想將液體無(wú)堿速凝劑摻量降下來(lái)，就需要提高液體的含固量，而含固量增加又將降低其自身的穩(wěn)定性。當(dāng)因工期延誤、突發(fā)意外等情況而超出其存儲(chǔ)穩(wěn)定期或處于低溫環(huán)境中時(shí)，液體無(wú)堿速凝劑容易出現(xiàn)絮凝、沉淀、析晶、分層等現(xiàn)象，并導(dǎo)致速凝劑效果降低甚至失去效果。目前大多數(shù)液體無(wú)堿速凝劑存儲(chǔ)期限都不足一個(gè)月甚至更短，嚴(yán)重影響其使用的靈活性，也給施工單位組織管理方面帶來(lái)挑戰(zhàn)。

2.6.3 適應(yīng)性不穩(wěn)定

不同水泥的礦物組成、石膏摻量等存在著一定的差異，且噴射混凝土中往往摻加了減水劑、礦物摻合料等，各類材料混合到一起后相溶性影響因素較多，當(dāng)速凝劑與某組份材料不適應(yīng)時(shí)，容易出現(xiàn)凝結(jié)時(shí)間過(guò)緩等現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間隨速凝劑摻量提高而顯著縮短，速凝劑摻量為8%時(shí)，初凝時(shí)間為02∶20，終凝時(shí)間為05∶30。

（2）無(wú)堿速凝劑對(duì)水泥膠砂早期和后期強(qiáng)度均無(wú)不利影響。膠砂1d 抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于7 MPa，28d 抗壓強(qiáng)度比均大于90%，90d 抗壓強(qiáng)度保留率均大約100%。

（3）水泥漿靜停時(shí)間延長(zhǎng)，凝結(jié)時(shí)間隨之延長(zhǎng)，須大幅提高速凝劑摻量。應(yīng)嚴(yán)格控制新拌混凝土等待時(shí)間。

（4）應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土噴漿作業(yè)，分多次作業(yè)，拱頂初噴厚度不宜大于50mm，復(fù)噴厚度不宜大于150mm。應(yīng)嚴(yán)格控制好噴嘴與受噴面之間的距離和角度。