無機納米材料在噴射混凝土中的應用研究

李鳳玉，婁　鑫（中國水利水電第七工程局有限公司，四川郫縣611730）

無機納米材料在噴射混凝土中的應用研究

李鳳玉，婁鑫（中國水利水電第七工程局有限公司，四川郫縣611730）

隨著現代材料科學的不斷進步，作為主要建筑結構材料之一的混凝土已經逐漸向高強、高性能、多功能方向發展。無機納米材料是一種高分子氣化微粒，具有較高活性、高減水性、能顯著改善混凝土的和易性、泵送性。摻無機納米材料的噴射混凝土具有強度高的特性，特別適用于巖層較差，易變性和巖爆突出急需快速支護的部位。本文介紹了在白鶴灘水電站地下洞室開挖中高應力洞段、圍巖易碎洞段進行噴射混凝土支護過程中開展的無機納米噴射混凝土性能試驗研究。

無機納米材料；噴射混凝土；應用研究

1　前言

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，控制流域面積43.03萬km2，占金沙江以上流域面積的91%。白鶴灘水電站的開發任務以發電為主，電站總裝機容量16000MW，電站建成后將成為僅次于三峽水電站的中國第二大水電站。左岸主副廠房巖石主要為堅硬巖，巖體結構以次塊狀、塊狀結構為主。邊墻圍巖類別以Ⅲ1類為主，部分為Ⅱ類圍巖，局部Ⅳ類圍巖以條帶形式分布于層間錯動帶C2附近。在前期的洞室開挖支護中采用普通的濕噴（素）混凝土及濕噴鋼纖維混凝土進行支護，由于圍巖條件約束需要進行多次復噴才能達到支護效果，這樣極大的增加了施工周期，而且在后續的開挖過程中已經支護過的部位仍有開裂的的情況出現，給施工安全帶來了一定風險。在這樣一個大前提下，我們開展了納米噴射混凝土的性能研究，通過在噴射混凝土中摻入無機納米材料來改善噴射混凝土性能，并最終得到較好的施工效益。

2　應用研究

普通錨噴支護中使用的噴射混凝土一次噴射厚度約為5～10cm，若想達到支護效果需要復噴1～2次，大大的增加了施工周期，且普通濕噴混凝土受材料的約束，早期強度不高，和圍巖粘結強度較低等因素導致支護效果有限，不能有效地保證圍巖的穩定與安全。因此通過討論研究提出在普通噴射混凝土中摻入無機納米材料來改善噴射混凝土性能，以達到提高施工質量和快速施工的目的。

2.1納米噴射混凝土室內試驗

選取P.O42.5水泥、玄武巖人工砂石骨料、跨越2000型納米材料、無堿速凝劑進行室內性能試驗，通過參數選取，試驗過程中根據拌和物性能反復調整后確定了基本配合比參數，根據確定的基本配合比參數進行了拌和物性能試驗及硬化性能試驗，試驗成果如表1～2。

表1　拌和物性能試驗成果表

結合拌和物性能試驗成果可以看出，拌和物的可噴性良好，滿足現場施工要求，硬化性能試驗成果滿足設計要求。結合上述試驗結果推薦的噴射混凝土現場生產性試驗用配合比參數見表3。

2.2納米噴射混凝土現場生產性試驗

表2　室內試驗噴射混凝土硬化性能試驗成果表

表3　推薦的噴射混凝土現場生產性試驗用參數表

結合室內拌制成果，選取合適洞段開展生產性試驗，本次生產性試驗噴射作業施工地點的圍巖為Ⅲ類圍巖。現場生產性試驗對室內試驗成果進行進一步驗證，并對配合比參數加以適當的調整，以達到盡可能的降低噴射時回彈率、增加一次噴層厚度、提高噴射混凝土各項硬化性能的目的。

2.2.1回彈率測定

噴射混凝土在噴射過程中由于沖擊力的作用，部分噴射料會反彈至地面。噴射時的回彈率的大小是衡量噴射混凝土配合比參數優化程度的一個重要參數。由于在邊墻與頂拱的噴射角度不同，噴射回彈率不盡相同，回彈率試驗在頂拱與邊墻兩個施工部位進行回彈率的測試。回彈率檢測結果見表4。

表4

2.2.2噴層厚度測定

噴射混凝土噴射至基巖面后，初期粘結強度較低，當達到一定噴層厚度后會由于噴射混凝土的自重因素發生掉塊的現象，造成噴射混凝土的浪費。但當一次噴層厚度達不到設計要求時，巖層會由于應力因素發生掉塊現象，起不到支護作用，因而進行噴層厚度試驗及研究是必要的。本次生產性試驗過程中對噴射效果進行了觀察，噴射過程中未發生掉塊現象。噴射完成后對一次噴層厚度進行了測量。測量結果詳見表5。

表5

2.2.3現場噴射混凝土的硬化性能試驗

現場噴射混凝土過程中混凝土的密實程度與室內成型的密實度差別很大，因此現場噴射混凝土的強度與室內成型的強度差別也比較大。按照規范要求在現場進行了噴射混凝土成型，采用了噴射混凝土大板、切割的方法進行了抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、粘結強度的成型，成型齡期均為7d和28d。硬化性能試驗結果詳見表6。

表6

2.2.4納米噴射混凝土性能與非納米噴射混凝土性能對比

結合本工程前期非納米噴射鋼纖維混凝土的各項性能成果，綜合比較兩種鋼纖維混凝土性能，對比結果如表7所示。

表7

從表7的結果比對分析可以看出無機納米材料噴射混凝土的回彈率較噴射混凝土的回彈率降低約6%，28d抗壓強度提高約8.0MPa，從3d、7d的抗壓強度開看，無機納米噴射混凝土的前期強度較高，利于圍巖支護穩定。無機納米噴混凝土的一次噴層厚度遠大于普通噴混凝土。

3　研究成果及成果應用

（1）根據拌和物的拌制與檢測情況以及噴射現場的試驗檢測情況可以看出采用室內推薦的配合比參數拌制的噴射混凝土拌和物性能滿足現場施工要求，工作性能良好。

（2）根據現場噴射混凝土大板硬化性能試驗成果可知，采用室內推薦的配合比參數施工的噴射混凝土的抗壓強度、抗折強度、抗拉強度、粘結強度均滿足設計要求，而且較以往普通噴射混凝土的強度都有很大的提高。

（3）根據噴射時回彈率測試成果可知，采用納米噴射混凝土進行施工，回彈率滿足《水電水利工程錨噴支護施工規范》（DL/T5181-2003）規范邊墻不宜大于15%、頂拱不宜大于25%要求，而且比傳統普通噴射混凝土回彈率減少了很多，從而產生很大的經濟效益。

（4）研究成果表明，采用納米噴射混凝土支護洞室圍巖一次噴層厚度均滿足施工噴射厚度（＞20cm）要求，且噴射過程未發生掉塊、脫落現象。從而極大的縮短了支護工期，提高圍巖整體穩定性。

（5）室內試驗成果及現場生產性試驗研究成果表明推薦的納米噴射混凝土配合比參數在實際工程運用是成功，而且較傳統的普通噴射混凝土有很大的優勢，所以最終全面用于地下洞室支護。

4　結束語

通過對比本次試驗研究成果和以往施工效果發現，在噴射混凝土中摻入無機納米材料混凝土各項性能都有了顯著的改善，尤其是在早期強度、一次噴層厚度、粘結強度、回彈率上面表現尤為明顯。提高早期強度及粘結強度可以有效地抑制圍巖變形開裂提高圍巖安全穩定性，一次噴層厚度的增加可以明顯縮短支護施工的工期、并且能夠及時起到支護強度作用。回彈率的極大降低可以有效地降低混凝土成本，提高經濟效益。通過試驗研究成果明確了在白鶴灘地下洞室群錨噴支護施工中采用納米噴射混凝土進行支護，從后期的支護效果來看取得了理想的效果。

TU528.042

A

2095-2066（2016）31-0161-02

2016-10-10

李鳳玉（1981-），男，寧夏中衛人，工程師，從事建筑材料檢測技術管理工作。

婁 鑫（1987-），男，河南新鄉人，助理工程師，從事建筑材料檢測技術管理工作。