北京地區(qū)基坑濕噴混凝土實(shí)驗(yàn)室配比研究

馮紅超 張召冉 矯偉剛 郭義先 韓鵬飛 張 揚(yáng)

(1.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038； 2.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100141)

?

北京地區(qū)基坑濕噴混凝土實(shí)驗(yàn)室配比研究

馮紅超1張召冉2矯偉剛1郭義先1韓鵬飛1張 揚(yáng)1

(1.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038； 2.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100141)

介紹了濕噴混凝土原材料的選擇原則，確定了實(shí)驗(yàn)室配比的相關(guān)指標(biāo)，并通過正交試驗(yàn)，從水泥用量、砂率、水灰比等方面，分析了影響噴射混凝土坍落度的主要因素，得到了最優(yōu)的配比方案。

濕噴混凝土，水泥，砂率，水灰比，配合比

0 引言

隨著霧霾天氣受到人們越來越多的重視，建筑業(yè)中混凝土干噴作業(yè)對空氣中粉塵的“貢獻(xiàn)”也逐步引起人們的重視，尤其是北京地區(qū)。同時(shí)，干噴作業(yè)存在回彈率高、作業(yè)時(shí)間加長，混凝土強(qiáng)度低、安全性差等問題，所以，在不遠(yuǎn)的將來，干噴法噴射混凝土施工工藝將逐步退出北京地區(qū)的建筑市場，取而代之的將是濕噴混凝土工藝。濕噴法噴射混凝土是將成品混凝土壓送至噴嘴處，再利用壓縮氣體將混凝土噴射到相關(guān)目標(biāo)的施工工藝。干噴混凝土工藝之所以能廣泛應(yīng)用，除了操作簡便外，更重要的是干料在壓力作用下能夠較容易的通過輸送管道，而濕噴混凝土輸送的是經(jīng)拌合的“濕”料，由于混凝土本身的粘聚性特性，如果濕料太干起不到降低粉塵的作用，濕料太濕也起不到降低回彈率的目的，因此需要一個(gè)合適的配比，來保證混凝土既能安全通過管道，不產(chǎn)生“堵管”現(xiàn)象，又保證噴射后的強(qiáng)度和低回彈率。研究發(fā)現(xiàn)要達(dá)到上述目的需要對濕噴混凝土的坍落度嚴(yán)格控制，在保證可泵性的基礎(chǔ)上，通過對不同水泥用量、砂率、水灰比情況下研究濕式噴射混凝土，進(jìn)而得到濕噴混凝土的實(shí)驗(yàn)室配比。

1 濕噴混凝土原材料的選擇

濕噴混凝土對原材料的要求較高，必須控制其良好的質(zhì)量水平，才能滿足其泵送施工的需求。

1.1 細(xì)骨料的選擇

北京地區(qū)建筑市場建筑材料的供應(yīng)商不一而足，材料的品質(zhì)參差不齊。細(xì)砂的細(xì)粉料較多，導(dǎo)致水泥的粘結(jié)力降低，噴射混凝土不易“上墻”，且易產(chǎn)生懸浮顆粒，危害施工作業(yè)人員健康和污染環(huán)境。砂子的粗細(xì)程度通常以細(xì)度模數(shù)來衡量，濕噴混凝土一般要求細(xì)度模數(shù)為2.3以上的中粗砂。該地區(qū)市場上常見所謂“中砂”經(jīng)過篩分后測得細(xì)度模數(shù)為Mx=1.64，并不能滿足相關(guān)要求，而“水洗砂”的細(xì)度模數(shù)Mx=2.66，如圖1所示，故本配比研究以水洗砂為主要原材料，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 砂子技術(shù)參數(shù)

檢驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)測值表觀密度/kg·m-3≥25002750細(xì)模>2.52.66石粉/%——含泥量/%≤52.5是否允許有泥塊否否堅(jiān)固性/%≤105硫化物及硫酸鹽/%≤10.35有機(jī)質(zhì)淺于標(biāo)準(zhǔn)色淺于標(biāo)準(zhǔn)色云母/%≤20.5輕物質(zhì)/%≤10.05

1.2 水泥品種的選擇

濕噴混凝土施工后的質(zhì)量與水泥相關(guān)，不低于P.O42.5級普通硅酸鹽水泥是濕噴混凝土的首選。北京地區(qū)市場上主力水泥品牌有“鉆牌”等不下十家。“鉆牌”水泥在其穩(wěn)定性、價(jià)格等方面都較為出色。詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2 鉆牌P.O42.5技術(shù)參數(shù)

1.3 粗骨料的選擇

濕噴混凝土的噴射對石子的粒徑要求較高，選用建材市場上最大粒徑要小于10 mm的碎石，指標(biāo)見表3。含泥量情況如圖2所示。

表3 石子性能參數(shù) %

1.4 拌合水的選擇

2 實(shí)驗(yàn)室配比相關(guān)指標(biāo)的確定

北京地區(qū)基坑邊坡支護(hù)強(qiáng)度一般為C20，按照J(rèn)GJ 55—2011混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程進(jìn)行濕噴混凝土配合比設(shè)計(jì)，采用P.O42.5水泥進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算水灰比為0.57。根據(jù)查文獻(xiàn)等參考資料，初步確定設(shè)計(jì)配合比在0.4～0.6之間，滿足濕噴混凝土工作性的要求，根據(jù)文獻(xiàn)要求，以坍落度作為實(shí)驗(yàn)室配比實(shí)驗(yàn)的重要參考指標(biāo)(坍落度設(shè)計(jì)值要達(dá)到80 mm～120 mm為宜)。

3 濕噴混凝土相關(guān)參數(shù)的確定

相比干噴而言，濕噴混凝土具有原材料計(jì)量和水灰比控制準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)，對噴射后混凝土穩(wěn)定性和均勻性有利。噴射混凝土最大的問題是回彈率的控制，根據(jù)相關(guān)研究，砂率、水泥用量、水灰比是影響回彈率的重要指標(biāo)。

3.1 水泥量的確定

研究表明，單位水泥用量過小時(shí)，回彈量會(huì)增大，主要原因?yàn)閲娚鋾r(shí)骨料相互撞擊劇烈，強(qiáng)度增長較慢；反之，則不經(jīng)濟(jì)，施工粉塵量大，對施工環(huán)境不利，硬化后混凝土干縮嚴(yán)重。因此,單位水泥用量對濕噴混凝土影響較大，干噴時(shí)水泥用量在400 kg/m3以下，而濕噴要求水泥用量在400 kg/m3以上，同時(shí)考慮到北京地區(qū)基坑土體情況，初步將單位水泥用量定為440 kg/m3，并將420 kg/m3，440 kg/m3，460 kg/m3作為正交實(shí)驗(yàn)的三個(gè)水平因素。

3.2 砂率的確定

砂率是混凝土配合比設(shè)計(jì)最基本的三參數(shù)之一，砂率大會(huì)減弱水泥漿潤滑作用，使拌合物流動(dòng)性減小；過小的砂率會(huì)降低拌合物的流動(dòng)性，對混凝土的粘滯性和保水性產(chǎn)生影響，甚至對體積穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。綜合考慮，初步選擇砂率為50%，確定砂率的三個(gè)因素水平為48%，50%，52%。

3.3 水灰比的確定

水灰比的確定是配制混凝土的重要參數(shù)之一，如前所述，初步確定設(shè)計(jì)配合比在0.4～0.6之間，滿足濕噴混凝土工作性的要求，在初步設(shè)計(jì)配比的0.5的基礎(chǔ)上，采用0.5，0.55和0.6作為實(shí)驗(yàn)室配比的三個(gè)水平影響因素。

3.4 速凝劑摻量的確定

速凝劑是能顯著減少混凝土的凝結(jié)時(shí)間，提高硬化速度，并且具有早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，適合基坑支護(hù)作業(yè)的要求。速凝劑摻量太少，起不到速凝的效果；速凝劑摻量過多，先噴混凝土凝結(jié)速度太快，反而不利于混凝土的“上墻”，而且還降低其強(qiáng)度和耐久性。根據(jù)所選混凝土速凝劑的特點(diǎn)，選擇5%為初始添加量，以3%，5%，7%作為速凝劑摻量的三個(gè)水平。

4 實(shí)驗(yàn)室最佳配比的確定

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是為了避免全面試驗(yàn)的不足而出現(xiàn)，使得實(shí)驗(yàn)方案既有代表性，又不失準(zhǔn)確性。通過該法較為快速的確定水泥用量、砂率、水灰比濕噴混凝土坍落度的影響。確定本實(shí)驗(yàn)將進(jìn)行3因素3水平的實(shí)驗(yàn)分析，根據(jù)正交分析的原理，采用L9(34)正交表就完全可以滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。其具體數(shù)值如表4所示。

表4 正交配比情況

通過對實(shí)驗(yàn)表的極差分析，在影響混凝土坍落度大小的因素中排序?yàn)樯奥省⑺冶取挝凰嘤昧俊谋?中可以看出，編號5，7，1配比坍落度依次最佳。

5 結(jié)語

通過對實(shí)驗(yàn)室配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過3因素3水平的正交分析，可得如下結(jié)論：

1)濕噴配比對材料的要求要比干噴嚴(yán)格，因?yàn)槭沁M(jìn)行濕噴實(shí)驗(yàn)，在其他參數(shù)滿足要求的前提下，濕噴混凝土的坍落度是關(guān)鍵。

2)通過設(shè)計(jì)和測試得到砂率52%，水灰比0.55，單位水泥用量440 kg/m3，為北京地區(qū)最佳實(shí)驗(yàn)室配比。

[1] 劉根元.濕噴技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2006(5):33-35.

[2] 邸建友,宋召謙.濕噴技術(shù)在巷道支護(hù)中的應(yīng)用分析[J].礦山壓力與頂板管理,2003(3):41-43.

[3] 耿 勇,耿 莉.濕噴技術(shù)在石頭嶺隧道的應(yīng)用[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2004(11):42-43,52.

[4] 鄧 新.濕噴技術(shù)在公路軟基處理應(yīng)用探討[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2014(8):97-99.

[5] 張亞軍,張項(xiàng)鐸.濕噴混凝土技術(shù)在地下工程施工中的應(yīng)用[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù),2008(3):34-37.

Study on foundation wet shotcrete laboratory mixing proportion of Beijing

Feng Hongchao1Zhang Zhaoran2Jiao Weigang1Guo Yixian1Han Pengfei1Zhang Yang1

(1.BeijingSurvey&DesignAcademyCo.,Ltd,Beijing100038,China;2.CollegeofCivilEngineering,theNorthChinaUniversityofIndustry,Beijing100141,China)

The paper introduces raw material selecting principles of wet shotcrete, and determines relevant laboratory mixing proportion index. Through orthogonal test, starting from aspects of cement quantity, sand coarse aggregate ratio and water-concrete ratio, it analyzes major factors influencing wet shotcrete collapse degree, and finally obtains optimal mixing proportion scheme.

wet shotcrete, cement, sand coarse aggregate ratio, water-cement ratio, mixing proportion

1009-6825(2016)22-0115-02

2016-05-27

馮紅超(1979- )，男，高級工程師； 張召冉(1981- )，男，講師； 矯偉剛(1983- )，男，工程師；

TU528

A

郭義先(1980- )，男，工程師； 韓鵬飛(1986- )，男，工程師； 張 揚(yáng)(1988- )，男，工程師