高壓液力噴射混凝土配合比設計及應用研究

孫柏林 孫漢生 路 為

(1.保宜高速公路建設指揮部，湖北宜昌 444200;2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088;3.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東濟南 250063)

1 概述

噴射混凝土技術在隧道工程、地下工程等土木工程中應用越來越廣泛，已經成為一種必不可少的支護手段。噴射混凝土主要借助噴射機械，利用壓縮空氣或其他動力，將按一定比例配制的水泥、砂、石等拌合料，通過管道以高速噴射到受噴面(巖石、土層、建筑結構物或模板)上凝結硬化而成的一種混凝土。國外最早在1914年使用噴射混凝土砂漿技術，到了20世紀40年代，由于速凝劑的研制使用、機械方面的改進，才有了大規模的噴射混凝土應用;我國從20世紀60年代開始使用噴射混凝土技術來進行隧道、礦山等的初期支護，目前發展迅速，是新奧法施工三大支柱之一，以簡單的工藝、及時的支護及較低的成本得到廣泛應用。

噴射混凝土技術主要分為兩種噴射方式，即干噴和濕噴［1］。干噴是將一定配合比的水泥、砂、石、粉狀速凝劑經由干噴機，利用高壓風輸送至噴嘴處加水噴射至受噴面;濕噴是將水泥、水、砂、石拌合好后，經由濕噴機在噴嘴處加入液態速凝劑噴射至受噴面。兩者主要區別是，干噴是干拌料，使用粉狀速凝劑，在噴嘴處加水噴出;濕噴是濕拌料，在噴嘴處使用液態速凝劑噴出。合理的配合比對噴射混凝土強度影響很大，且對噴射施工時回彈量和粉塵量有一定影響。因此，對噴射混凝土的配合比設計顯得至關重要。本文提出一種新型噴射混凝土方式——高壓液力噴射混凝土，并對其進行相應的配合比研究。

2 配合比設計中的關鍵要素

對于高壓液力噴射混凝土的配合比研究主要有以下幾個關鍵要素:混凝土強度的確定、膠凝材料的選擇及用量、水膠比、砂率、粗細骨料的選擇與用量、外加劑的摻量等［5-9］。

2.1 混凝土強度的確定

我國現場用噴射混凝土的強度等級一般為C20～C35，由于噴射混凝土中都要加入速凝劑，根據JC 477-2005噴射混凝土用速凝劑標準規定［4］，噴射混凝土后期強度損失允許在30%以內。因此，不加速凝劑的噴射混凝土強度要比普通混凝土提高30%，表1為不摻速凝劑的噴射混凝土試配強度。

表1 不摻速凝劑噴射混凝土試配強度

強度等級小于C60的普通混凝土的配制強度按下式計算:

其中，fcu，0為混凝土配制強度，MPa;fcu，k為混凝土立方體抗壓強度標準值，這里取設計混凝土強度等級值，MPa;σ為混凝土強度標準差，MPa，強度等級不大于 C20 時取4.0，C25 ～C45 取5.0。

2.2 膠凝材料的選擇及用量

噴射混凝土中膠凝材料主要是水泥，為了提高噴射混凝土的性能，如工作性、耐久性、降低回彈等，逐漸加入一些活性材料，如粉煤灰、硅灰、礦渣等。這些材料能增強噴射混凝土的和易性，提高強度，降低成本，越來越受到重視。目前，大部分噴射混凝土仍然使用水泥這一種膠凝材料。

2.2.1 水泥的選擇

水泥是噴射混凝土中最重要的膠凝材料，其質量直接影響著噴射混凝土效果的優劣，尤其是水泥中的化學組分，與速凝劑存在適應性問題，兩者一旦不相適應，速凝劑的速凝效果將大打折扣，在噴射施工時，會造成大量的回彈和落漿。

水泥強度等級對噴射混凝土質量也有很大的影響，水泥強度等級太高，水灰比大，水泥少，施工中回彈量大，早期強度增長慢;水泥強度等級低，水灰比小，水泥多，噴射時粉塵量大。因此，噴射混凝土應優先選用不低于425號的普通硅酸鹽水泥。對《普通混凝土配合比設計規程》中［2］水灰比公式進行變形整理得混凝土的配制強度為:

其中，fce，g為水泥強度等級;γc為水泥富余系數;αa，αb均為回歸系數(對于碎石 αa=0.46，αb=0.07;對于卵石 αa=0.48，αb=0.33);w/c為水灰比;fcu，0為混凝土配制強度。

根據JTJ 041-94公路隧道施工技術規范［3］，噴射混凝土水灰比要求為 0.4 ～0.5，最佳灰骨比為 1∶4 ～1∶5，且每立方米混凝土水泥用量不低于400 kg。

2.2.2 其他膠凝材料

目前，使用其他膠凝材料的噴射混凝土很少。粉煤灰、礦渣一般不適用于噴射混凝土，它們與速凝劑反應時，起緩凝作用，使得速凝劑效果大大降低。為配制高性能的噴射混凝土，主要使用硅灰，摻量一般為水泥質量的5%～10%，能有效提高混凝土的強度，降低噴射時的回彈量。

2.3 粗細骨料的選擇及砂率確定

噴射混凝土使用的骨料必須清潔、堅硬、級配良好，不含細長石片、灰塵、泥粉、有機物等。

砂:宜采用堅硬耐久的中粗砂，細度模數大于2.5，小于0.75的顆粒不應超過20%，否則將影響水泥與集料的良好粘結。砂子的含水率宜控制在6%～8%，當含水率較低時，噴射中會產生大量粉塵;含水率過高，混合料濕度太大，使噴射機粘料，并可能造成堵管，影響施工順利進行。

石子:采用堅硬耐久的卵石、碎石均可，但以卵石為好，能夠減少對噴射裝置的磨損。盡管目前國內的噴射機能使用粒徑為25 mm的集料。但為了減少回彈，集料的最大粒徑不宜大于15 mm，噴射混凝土需摻入速凝劑時，不得用含有活性二氧化硅的石材作粗集料，以免堿骨料反應而使噴射混凝土開裂破壞。

與普通混凝土相比，噴射混凝土對砂率的選擇要求更高，如果砂率過高，骨料總表面積增大，要求水泥漿量增大，造成混凝土后期收縮加大。砂率過低，粗骨料多，造成噴射時回彈量增大。

粗細骨料用量按下式計算:

其中，mc，mg，ms，mw，m速分別為水泥、石子、砂子、水、速凝劑的質量;ρc，ρg，ρs，ρw，ρ速分別為各物質的密度;mp為每立方米混凝土假定質量，可取2 350 kg～2 340 kg。

2.4 速凝劑的選擇與摻量

速凝劑的選擇對噴射混凝土尤為重要，其質量好壞直接影響混凝土的品質。目前主要有兩種形式的速凝劑，粉狀和液態速凝劑，干噴混凝土中主要使用粉狀速凝劑，濕噴混凝土中主要使用液態速凝劑。相關規范中要求禁止使用干噴混凝土，因此液態速凝劑將會有更廣泛的應用。液態速凝劑又分為傳統高堿速凝劑和無堿(低堿)速凝劑，高堿速凝劑對混凝土后期強度損失影響較大，現主要使用無堿、低堿速凝劑。傳統速凝劑的摻量一般為水泥質量的4%左右，無堿液態速凝劑的摻量為6%～10%。表2為速凝劑的分類。

表2 速凝劑分類

3 噴射混凝土配合比及現場應用

對C20，C25，C30噴射混凝土進行配比設計，并在隧道中進行現場試噴。

3.1 配合比設計

根據以上關鍵問題對C20～C30噴射混凝土進行配比設計，設計見表3。表4為該配合比混凝土的強度。根據混凝土力學性能試驗結果，噴射混凝土配合比均滿足要求。

3.2 現場試噴

在保宜高速公路宜昌段中交二公局第六標段公路隧道中進行現場試噴工作，采用新型高壓液力噴射混凝土工藝，液態速凝劑通過定量裝置進入高壓水管中，與高壓水混合，在噴頭處與混凝土拌合料一起噴射至隧道圍巖表面。在噴射過程中，回彈量和粉塵量都很小，經測定，混凝土回彈量約為8.6%。在10 min之內，混凝土就已經凝結。

表3 C20～C30噴射混凝土配合比 kg/m3

表4 C20～C30噴射混凝土強度

4 結語

1)噴射混凝土技術應用越來越廣泛，對其性能要求越來越高，配合比設計是噴射混凝土最關鍵的步驟，必須全面考慮水膠比、砂率、水泥用量等參數對其質量的影響。2)噴射混凝土正向高強度、高耐久性發展，合理的外加劑選擇顯得越來越重要。如增粘劑能有效控制噴射施工中的回彈，粉塵抑制劑能減少粉塵量，減水劑能有效提高噴射混凝土后期強度等。3)新型礦物材料的使用，如硅灰、礦粉、晶體硅粒等，對其摻量應給予研究，確定最佳的摻量，及與現有材料合理的配合比。4)噴射混凝土工藝有待進一步改進與相關設備的配套，合理的配合比也需要相關工藝、設備的共同配合。

［1］程良奎.噴射混凝土［M］.北京:中國建筑工業出版社，1990.

［2］JGJ 55-2011，普通混凝土配合比設計規程［S］.

［3］JTJ 041-94，公路隧道施工技術規范［S］.

［4］JC 477-2005，噴射混凝土用速凝劑［S］.

［5］廉慧珍，李玉琳.對當代混凝土配合比要素的選擇和配合比計算方法的建議——關于混凝土配合比選擇方法的討論之二［J］.混凝土，2009(5):15-19.

［6］趙志縉.新型混凝土及其施工工藝［M］.北京:中國建筑工業出版社，1996.

［7］苗國峰.普通混凝土配合比設計［J］.山西建筑，2007，33(16):181-182.

［8］祝 銳.淺談噴射混凝土配合比設計研究［J］.科技信息，2011(1):285-287.

［9］于 虹.噴射混凝土配合比設計［J］.山西建筑，2008，34(15):154-156.