高強超微外加劑在噴射混凝土中的運用

尹大祥++王宏波++劉瑛++袁慧莉++李國臣

摘 要：噴射混凝土常用的摻合料有硅灰、粉煤灰、磨細礦碴和磨細沸石。該文所介紹的是另一種噴射混凝土的摻合料，此摻合料解決了傳統(tǒng)噴射混凝土存在的強度底，回彈率大，滴水處往往導致噴射混凝土無法施設或噴射后出現(xiàn)嚴重剝落現(xiàn)象等缺陷，極大地改善了噴射混凝土的各項性能，經(jīng)試驗室和現(xiàn)場試驗驗證，該摻合料噴射混凝土除能滿足強度要求外，還具有很好的耐腐蝕性，后期強度高，且大大減少了回彈量，具有較高的經(jīng)濟、技術價值。該研究的成果不僅能直接應用到隧洞的安全施工中，更為今后類似工程的設計和施工提供參考。

關鍵詞：高強超微噴射混凝土外加劑 原材料 回彈量 質量成本

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0016-04

在礦井支護、隧道、大壩等工程中，混凝土由于施工難度劇增，并時刻面臨著安全風險。噴射混凝土對現(xiàn)場適應性強，施工速度快等優(yōu)良性能得到廣泛的應用，噴射混凝土其支護方法和施工技術尤為重要，直接與安全、造價、質量和進度相關。但噴射混凝土存在強度底，回彈率大，滴水處往往導致噴射混凝土無法施設或噴射后出現(xiàn)嚴重剝落現(xiàn)象等缺陷，研制出性能優(yōu)良的噴射混凝土對提高支護強度，減少浪費具有重要意義。高強超微能噴射混凝土外加劑是新一代混凝土外加劑的一種全新產品，其工作原理為通過添加防水材料和減水成分增加混凝土的密實性，提高混凝土抵抗不良水質侵入的能力。通過添加高性能引氣劑提高混凝土的抗凍融性和耐久性；通過復合阻銹防腐蝕劑獲得不良水質侵入后的正面對鋼筋及混凝土防護。該外加劑能夠有效提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的性能，對已經(jīng)發(fā)生銹蝕或未發(fā)生銹蝕的鋼筋混凝土結構進行保護，阻止因氯離子、碳化或雜散電流等各種原因造成的鋼筋銹蝕。它突破了混凝土外加劑的傳統(tǒng)理念，開創(chuàng)了使用新方法，從根本上解決了傳統(tǒng)噴射混凝土的諸多不足和局限性。

高強超微噴射混凝土外加劑是在普通噴砼基礎上研制出的特殊外加材料，以使噴砼在其性能上滿足線、滴狀出水條件下的噴射工藝，極大地改善了噴射混凝土的各項性能，該噴射混凝土除能滿足強度要求外，還具有很好的耐腐蝕性，后期強度高，且大大減少了回彈量，具有較高的經(jīng)濟、技術價值。確保了隧洞安全、經(jīng)濟和高效施工。

高強超微噴射混凝土外加劑加入噴砼明顯增強，強度不足的問題可完全解決。該產品在相同速凝劑摻量的情況下，因用水量減少，凝結時間至少快一半以上，并且對速凝劑降強有抑制作用。凝結時間快，解決了噴射砼噴后放炮與噴射自重承受不了掉下來的問題，拌制出的噴砼料流動度工作性極佳，不泌水與板結，且坍損極小，解決了因坍落度損失，無法泵送所造成的棄料現(xiàn)象。回彈量至少會降2/3以上，節(jié)約了成本。

1 高強超微噴射混凝土外加劑主要質量指標及其檢測結果指標

2 高強超微噴射混凝土外加劑噴射混凝土中的優(yōu)點

該產品經(jīng)過在拉林線鐵路、成昆鐵路、石黔高速公路等工程中的使用，總結出以下結論。

（1）高強超微噴射混凝土外加劑能夠填充水泥顆粒間的孔隙，顯著提高抗壓、抗折、抗?jié)B、防腐、抗沖擊及耐磨性能。具有保水、防止離析、泌水、大幅降低砼泵送阻力的作用。顯著延長砼的使用壽命，特別是在氯鹽污染侵蝕、硫酸鹽侵蝕、高濕度等惡劣環(huán)境下，可使砼的耐久性提高一倍甚至數(shù)倍，還可提高單次噴層厚度，是高強砼的必要成份，噴后能使噴面迅速干起來。

（2）高強超微噴射混凝土外加劑中細度小于1?m的占80%以上，平均粒徑在0.1～0.3 ?m，其細度和比表面積約為水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍。由于其特性，摻入水泥中無泌水、板結現(xiàn)象。

（3）顆粒形態(tài)與礦相結構：高強超微能噴射混凝土外加劑在形成過程中，因相變的過程中受表面張力的作用，形成了非結晶相無定形圓球狀顆粒，且表面較為光滑，有些則是多個圓球顆粒粘在一起的團聚體。它是一種比表面積很大、活性很高的火山灰物質。高強超微能噴射混凝土外加劑的物料——微小的球狀體可以起到潤滑的作用，能夠填充水泥顆粒間的孔隙，同時與水化產物生成凝膠體，與堿性材料氧化鎂反應生成凝膠體。

（4）噴射混凝土可調到能在2 min內終凝，可使依次噴層厚度達到350～700 mm，粘結力高達3 MPa以上，在支護完成后2 h強度達1.6 MPa，可以放炮，節(jié)約噴漿時間，提高作業(yè)循環(huán)，加快施工進度。

（5）回彈率降低到邊墻2%左右，拱部5%左右，粉塵濃度降低40%，節(jié)約施工成本，減少現(xiàn)場環(huán)境污染。

（6）減水效果在30%以上，28天強度可提高到50 MPa，可配制C40防腐噴射混凝土，能充分解決巖爆與富水區(qū)噴射混凝土的問題。

（7）粘結力高。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗，摻高強超微噴射混凝土外加劑材料，其粘結力可達3.5 MPa，是普通噴砼的7～8倍。這一特點對降低回彈、提高抗?jié)B，尤其是滲水帶噴護非常有益。

（8）一次噴厚較厚。

由于粘結力較高這一特點，在不移動濕噴臺車，機械手在同一部位往返噴射作業(yè)時，噴層厚可達30 cm以上。這對改善開挖面作業(yè)面凹凸不平的應力狀態(tài)，盡快給圍巖提供支護力起到類似二次襯砌砼的作用，對降低巖爆的風險程度發(fā)揮主導作用。并在采取輔助措施解決滲水帶的噴砼工藝方面效果明顯。

（9）抗?jié)B指標高。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，摻高強超微能噴射混凝土外加劑，其抗?jié)B指標達到22。這一特點可解決常規(guī)噴砼在滲水洞段無法完成的噴射工藝，同時可在低壓或有輔助措施的情況下，起到封堵散水的效果。

（10）速凝劑摻量低。

摻高強超微噴射混凝土外加劑，可減少速凝劑摻量達到原初與終凝時間效果。

3 摻高強超微噴射混凝土外加劑配合比設計注意事項

3.1 砂率的確定

砂率宜控制在50%～60%，這是綜合考慮噴射混凝土的施工性能和力學性能后提出的。實踐證明，砂率的大小既影響噴射混凝土的施工性能，也影響其力學性能，當砂率低于50%時，回彈率高，管路堵塞，施工工藝不易掌握，噴層厚度相應變薄，噴射混凝土強度離散性很大；砂率過大，高于60%，因粗集料不足，噴射時石子對混凝土沖擊搗實力不大，使噴射混凝土的強度降低，同時使集料比表面積增大，要達到相應坍落度和流動性，水泥用量也要加大，既不經(jīng)濟也會使混凝土收縮增大。

3.2 水灰比與坍落度的確定

濕法噴射施工水灰比宜控制在0.45之內。水灰比的大小影響噴射混凝土回彈率和強度。采取濕法噴射施工時，水灰比則可以準確控制。通過新產品高強超微噴射混凝土外加劑，用小水灰比進行配合比設計，提高噴混凝土早期強度進行與加強現(xiàn)場控制來解決。坍落度是評價混凝土流動性、粘聚性和保水性的重要指標。濕法噴射施工時，應進行坍落度檢測，坍落度規(guī)范規(guī)定宜控制在80～130 mm。但混凝土噴射機械手規(guī)范規(guī)定80～130 mm坍落度難以泵送，坍落度取值經(jīng)過多次試驗，在現(xiàn)場要達到140～180 mm。

3.3 膠凝材料取值

噴射混凝土作為混凝土的一種，其配合比設計參數(shù)主要有膠凝材料用量、灰骨比、砂率、水灰比以及坍落度等。膠凝材料用量控制水泥在440 kg/m3以上。水泥用量過少，回彈量大，初期強度增長慢，當水泥用量增加，噴射混凝土強度會提高，回彈減少。但水泥用量過多，一是不經(jīng)濟， 二是混凝土凝結硬化時收縮也會增大。

3.4 混凝土配合比的選定

噴射混凝土配合比一般采用經(jīng)驗公式和施工技術規(guī)范相結合的方法來確定。噴射混凝土配合比設計應包括常規(guī)配合比設計和噴射混凝土現(xiàn)場試噴、調整兩個部分。前一部分是依據(jù)噴射混凝土的要求，按照混凝土常規(guī)配合比設計思路提出基準配比，后一部分是以基準配比為前提，在現(xiàn)場調整、驗證、確定其配合比。兩個步驟互為補充，缺一不可。噴射混凝土目標配合比設計，原則濕法噴射混凝土的體積密度可取2 300 kg/m3。

4 成本分析

例：成本分析：水泥250元/t，噴射砼砂料45元/t，碎石料35元/t，速凝劑2 250元/t，減水劑3 360元/t，噴射混凝土外加劑6 000元/t。現(xiàn)場由于原配合比強度結果上有很大差異，至少相差10 MPa，兩個等級，高強超微能噴射混凝土外加劑用在噴射混凝土中，噴射混凝土取消了常用的摻合料如硅灰、粉煤灰、磨細礦碴和磨細沸石、減水劑等。強度一樣時所用的配合比見表4、表5。

噴射混凝土的成本分析備注如下。

4.1 原配合比成本分析

（1）回彈量：國產小型機械噴射手每立方噴射混凝土成本為價格人工費55+運輸費35+攪拌10+機械噴射手費40+配件及維修費14+柴油2+電費5+其他費96+管理費經(jīng)費103+稅金43+材料費用241=644元/m3。

回彈量每立方米混凝土浪費為644×0.3=193.2元/m3。

（2）因坍落度損失，無法泵送所造成的棄料，按每100 m3棄8 m3料進行計算（隨著隧道的深入，該數(shù)值還會增大），每立方米混凝土浪費的成本為341×0.08=27.3元/m3。

取值：人工費55+運輸費35+攪拌10+材料費用241=341元/m3。

（3）前期噴射砼噴后放炮后與噴射自重承受不了掉下來的現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場多次觀察，初噴后5 cm，至少要損失20%以上，綜合自重損失回彈率達到20%，當然復噴除外。成本為644×0.2=128.8元/m3。

原配合比總成本應該是644元/m3+27.3元/m3+128.8元/m3+193.2元/m3=993.3元/m3，如強度一樣，成本加上1 030元/m3，

4.2 摻噴射砼外加劑配合比成本分析

國產小型機械噴射手每立方噴射混凝土成本價格為人工費55+運輸費35+攪拌10+機械噴射手費40+配件及維修費9+柴油2+電費5+其他費96+管理費經(jīng)費103+稅金43+材料費用354=752元/m3。

（1）由于此噴射砼易性好，配件更換頻率低，液壓系統(tǒng)和泵送系統(tǒng)的配件磨損少，配件及維修費每立方至少節(jié)省5元。

（2）噴射砼噴后凝結時間加快，不會出現(xiàn)放炮后與噴射自重承受不了掉下來的現(xiàn)象。

回彈量綜合為752元/m3×0.05=37.6元/m3。

綜合噴射砼外加劑總費用為752元/m3+37.6元/m3=789.6元/m3。

節(jié)省成本為993.3元/m3-789.6元/m3=203.7元/m3。

節(jié)省成本為1 030元/m3-789.6元/m3=240.4/m3（強度一樣）。

當然對于原配合比坍落度損失與噴射砼噴后放炮后與噴射自重承受不了掉下來的現(xiàn)象大家平常沒有注意，只檢查噴厚時候發(fā)現(xiàn)有問題，該分析是結合很多隧道計算成本得到的數(shù)據(jù)。

5 結語

高強超微噴射混凝土外加劑加噴射混凝土，不僅可以起到減少裂縫、補償收縮的作用，而且可以提高噴射混凝土的和易性，降低工程施工造價。對混凝土力學性能（包括抗拉、抗壓、抗折強度）產生影響。試驗表明：該混凝土除滿足強度要求外還具有很好的耐腐蝕性；噴射混凝土的耐久性得到保障，噴射混凝土可作為永久襯砌的混凝土，結合試驗室和現(xiàn)場試驗研究，探索出適合情況的濕噴工藝；該項研究成果具有很大的創(chuàng)新性和很高的推廣價值。

參考文獻

[1] 尹大祥，廖建東，李洪瓊，等.錦屏電站輔助洞工程巖爆區(qū)濕噴混凝土應用技術研究[J].中國建材科技，2007（5）：27-30.

[2] 尹大祥.分水鎮(zhèn)隧道干粉速凝劑施行濕噴混凝土的試驗[J].科技創(chuàng)新導報，2015（8）：92-93，116.

[3] 尹大祥，魏厚剛，龔建忠.錦屏電站隧道施工堵水漿液試驗分析[J].中國建材科技，2006（4）：60-63.