納米·增韌型粗纖維濕噴混凝土在錦屏二級水電站引水隧洞中的試驗與應用

韓 旭 東， 葛 軍

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

錦屏二級水電站引水隧洞穿越的地層為三迭系淺海～濱海﹑海陸交替相地層，構成了引水隧洞的主要圍巖，自西向東分別為T2Z雜谷腦組大理巖﹑T1綠片巖﹑T3砂板巖﹑T2b白山組大理巖﹑T2y鹽塘組大理巖，其中碳酸鹽巖石占90%，其余為碎屑巖。在開挖施工過程中，主要存在地下突涌水、高地應力巖爆以及斷層破碎帶等主要工程地質問題。

(1)由于掌子面附近經常發生巖爆，采用普通混凝土噴射時，混凝土與圍巖粘結強度不高，一次噴層厚度較薄，強度增長較慢；同時，由于施工進度需要，掌子面在前一循環噴射混凝土后10～16 h放炮，經常發生混凝土被震塌的現象，嚴重影響開挖進度和人員、設備的安全。

(2)對于開挖中遇到的富水地段，經常發生噴射后立即掉落的現象，混凝土與圍巖無法粘結。

(3)對于斷層和破碎帶，開挖后需對圍巖及時噴射混凝土進行封閉，才能在相對安全的條件下進行錨桿和網片等的施工。而普通的噴射混凝土很難達到設計要求，從而無形中增加了支護的時間，影響施工進度。

(4)受TBM設備限制，噴射鋼纖維混凝土存在一定困難，容易堵管。

鑒于上述存在的問題，急需尋找一種材料以滿足施工要求。超細粉磨無機納米材料是一種經充分研磨、材料顆粒直徑達到納米級的混凝土外加劑，它集減水、增強、促凝為一體，主要成份為二氧化硅，是一種無毒、無害、無味、無污染的無機材料。在噴混凝土中摻入該材料后，可以增加一次噴射厚度且回彈率大大降低、粉塵小，具有初期起強快、后期強度高、抗滲性能好、粘結強度高、耐久性強等優點。超細粉磨無機納米材料作為噴射混凝土外加劑，能夠適應諸多惡劣地質條件，如強巖爆、穩定性極差的洞段。對于強巖爆洞段，采用外摻無機納米材料噴射混凝土，可以提高混凝土的一次噴射厚度，從而為系統錨桿支護提供施工時間和施工安全保障，且噴混凝土強度增長迅速，效果顯著。對于一般富水區，采取對出水點進行封堵，然后使用摻入納米濕噴混凝土全斷面噴射30～40 cm厚的方式；對圍巖破碎帶及塌方搶險地段改普通噴射混凝土為納米噴射混凝土。對于TBM洞段，采用納米材料和增韌型聚丙烯合成粗纖維材料組合使用，可以替代鋼筋網、鋼纖維的防裂和增強功能，從而使施工更加經濟、省時、方便，還能夠抑制混凝土塑性收縮及干縮裂縫，提高混凝土的抗凍融能力、抗疲勞性、抗滲透性、抗磨、抗碎裂、抗沖擊性能、抗彎增強和輔助增強功能；能夠提高混凝土的支撐性能和黏結性能，產生有效的二級加強效果；其能夠提供混凝土較高的殘余強度，改善混凝土的耐久性，而且具有泵送容易，不會損壞機械設備，減少回彈、降低成本等特點。

2 材料特性

本工程選用成都宏達公司生產的宏達納米材料和河南鞏義生產的跨越2000型納米材料，其材料性能見表1，檢驗項目見表2。

增韌型聚丙烯合成粗纖維(有機仿鋼纖維)：增韌型聚丙烯合成粗纖維是一種新型增強、增韌材料，具有質輕、耐腐蝕、易于均勻分散、握裹力強，能提高混凝土的韌性、抗震防爆性能以及混凝土的早期抗裂性能，在噴混凝土中具有顯著優勢，是一種具有廣泛應用前景的混凝土增強、增韌材料，其性能見表3。

表1 無機納米材料性能表

表2 納米外加劑品質檢驗項目表

本工程選用深圳維克有限公司生產的有機仿鋼纖維，其各項品質檢驗指標見表4。

表3 有機仿材料性能表

表4 深圳維克有機仿鋼纖維品質檢驗項目表

3 濕噴混凝土試驗與應用

(1)濕噴混凝土配合比。

采用“乃托”普通硅酸鹽P.042.5R水泥、水電七局模砂溝砂石廠生產的砂石和以下外摻物,進行了濕噴混凝土拌和物性能、硬化性能檢驗，其配合比見表5。

表5 濕噴混凝土配合比參數表

①C30納米：在C30納米濕噴混凝土的基礎上添加8 kg/m3的深圳維克有機仿鋼纖維，做納米+有機仿鋼纖維濕噴混凝土試驗。

②C30納米：C30納米濕噴混凝土分別使用河南鞏義生產的納米外加劑和成都宏達生產的納米外加劑，納米外加劑摻量分別為水泥用量的6%、7%、8%、10%，進行納米濕噴混凝土對比試驗。

(2)不同配比方案室內試驗成果對比情況。

室內試驗采用乃托普通硅酸鹽P.042.5R水泥及河南鞏義納米外加劑和成都宏達納米外加劑，摻量分別為水泥用量的6%、7%、8%、10%，由深圳維克有限公司生產的維克有機仿鋼纖維摻量為8 kg/m3進行濕噴混凝土拌和物性能檢驗、硬化混凝土性能檢驗。混凝土各材料用量、試驗成果見表6。

表6 不同配比方案濕噴混凝土室內試驗成果對比表

試驗結果表明：不同廠家生產的納米外加劑品種對混凝土強度及其它性能影響較小，均可進行互換；通過摻量為6%、7%、8%、10%的納米外加劑進行的混凝土強度試驗可知，混凝土強度隨著納米外加劑摻量的增加而增加。

(3)現場濕噴混凝土試驗。

現場試驗選用“乃托”普通硅酸鹽P.0 42.5R水泥及河南鞏義生產的納米外加劑和成都宏達生產的納米外加劑，摻量分別為10%。對于采用深圳維克有限公司生產的維克仿鋼纖維摻量為8 kg/m3進行了現場濕噴混凝土拌和物性能檢驗。

試驗位置的選擇和施工工藝。

①試驗位置選擇在1#、2#、3#、4#洞進行，施工工藝采用濕噴技術，利用C4、C5標段正在使用的大型濕噴機進行試驗；試驗時噴頭宜與受噴面垂直，噴射距離為1.2～1.8 m, 噴射角度應盡量與噴射面垂直，噴射時應自下而上，噴嘴應做小圓周運動，噴混凝土風壓要比普通噴混凝土高0.2～0.5 kg/cm2，一般為1.5～2 kg/cm2;噴射拱部時應稍大;噴射作業應分段分片進行，噴射順序應自下而上。為保證噴射層與巖壁的粘結強度，在實施噴混凝土前，應保持巖壁和噴混凝土表面濕潤，以保證新老噴混凝土結合良好。在施噴(包括填平補齊)前，應用高壓風(4～5 kg/cm2)加水認真沖洗干凈并排除積水。

②現場噴射試驗，在14 d齡期時用噴大板切割法制備試件，在標準養護室中養護至28 d齡期后進行試驗。其中噴射混凝土與圍巖黏結強度采用劈裂法；韌度指標試驗采用100 mm×100 mm×400 mm的梁式試件。有機仿鋼纖維噴射混凝土彎曲韌度指數試驗委托大連理工大學進行。

室內噴射混凝土性能試驗成果列于表7，現場噴射混凝土性能試驗成果列于表8，現場噴射混凝土測試成果見表9。

表7 噴射混凝土現場大板試驗及室內成型試驗成果表

表8 現場試驗噴射混凝土性能試驗成果匯總表(大板試驗)

表9 噴射混凝土現場測試成果表

上述試驗結果表明：單摻納米濕噴混凝土、納米+有機仿鋼釬維濕噴混凝土的各項力學性能指標均滿足設計要求，不同廠家外加劑品種、不同廠家納米外加劑品種、不同廠家有機仿鋼纖維品種對混凝土強度及其它性能影響較小，均可進行互換。單摻納米濕噴混凝土、納米+有機仿鋼釬維濕噴混凝土配合比均滿足錦屏二級水電站引水隧洞施工要求。

4 結 語

(1)納米+有機仿鋼釬維濕噴混凝土與圍巖黏結強度(采用劈裂法)為1.6 MPa；彎曲韌度指數I5為3.84，滿足≥3的設計要求；28 d抗壓強度為43.4 MPa，抗拉強度為3.25 MPa，抗折強度為10 MPa，抗滲等級≥W8，彈性模量為3.41×104MPa，對混凝土的韌性改善較大，可提高混凝土的抗彎韌性。

(2)納米+有機仿鋼釬維濕噴混凝土施工方便，與混凝土有良好的和易性，攪拌無結團；泵送容易，不易摩損管道，能夠減少回彈、降低成本。

(3)增加一次性噴射厚度且回彈率小、粉塵小，具有初期起強快，后期強度高，抗滲性能好，粘結強度高、耐久性強等優點。

(4)能夠抑制混凝土塑性收縮及干縮裂縫，提高混凝土抗凍融能力、抗疲勞性、抗滲透性、抗磨、抗碎裂、抗沖擊性能，具有抗彎增強和輔助增強功能。

該配比通過在錦屏二級水電站引水隧洞中的應用，能夠適應諸多惡劣地質條件，如強巖爆、穩定性極差的洞段。對于強巖爆洞段，采用外摻無機納米材料噴射混凝土，可以提高混凝土的一次噴射厚度，為系統錨桿支護提供施工時間和施工安全保障，且噴混凝土強度增長迅速，效果顯著。截止到2012年10月25日,C30納米濕噴混凝土在1～4#引水洞和施工排水洞中共使用102 778 m3, CF30納米仿鋼濕噴混凝土在1～4#引水洞、1～4#調壓室頂拱和施工排水洞中共使用58 741 m3,工程質量滿足設計要求,得到業主、設計及多家施工單位的好評。納米材料、增韌型聚丙烯合成粗纖維等噴射混凝土在錦屏二級水電工程中的首次運用，保證了錦屏二級水電站引水隧洞的施工質量，為工程進度贏得了時間。

隨著濕噴混凝土技術的快速發展，特種濕噴混凝土作為大洞室錨噴支護施工中的重要組成部分，在快速支護和應對復雜地質條件等方面發揮出巨大的作用。

作者簡介:

韓旭東(1967-)，男，山東濰坊人，錦屏二級水電站東端項目部試驗室主任，工程師，從事水電工程施工技術與管理工作；葛 軍 (1960-)，男，貴州黎平人，錦屏二級水電站東端項目部副經理，工程師，從事水電工程施工技術與管理工作.