濕法噴射混凝土在軌道交通工程中的研究與應(yīng)用

羅永秋 唐林洋 鄧旭華 王芳利

（廣東基礎(chǔ)新世紀(jì)混凝土有限公司）

0 前言

地下工程所處的工程環(huán)境決定了防水是確保施工質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵，而影響防水施工效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一便是防水層鋪設(shè)前的基面處理［2］。我市軌道交通工程某標(biāo)段因地理位置和環(huán)保原因，現(xiàn)場(chǎng)制備用以錨固基坑的噴射混凝土條件不成熟，且相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備所生產(chǎn)出來的噴射混凝土精度不夠，無法滿足大方量一次噴射要求的情況下，提出通過商品站制備完成運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)加速凝劑噴射的想法。而根據(jù)試配結(jié)論，如果在商品站生產(chǎn)混合均勻的濕噴砼，就需加水?dāng)嚢瑁炷猎诩铀蠹窗l(fā)生水化，運(yùn)輸?shù)竭_(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，混凝土坍落度損失較大且凝結(jié)時(shí)間較短，對(duì)施工速度及混凝土凝結(jié)時(shí)間控制精度要求較高，稍不注意即容易造成混凝土結(jié)轂以致無法施工的問題。

為解決上述情況，結(jié)合商品混凝土傳統(tǒng)工藝，必須解決下面兩個(gè)問題：

⑴設(shè)計(jì)一個(gè)配合比，此配合比既要滿足結(jié)構(gòu)部位強(qiáng)度和抗?jié)B等級(jí)，同時(shí)使混凝土的凝結(jié)時(shí)間在不摻速凝劑情況下從3～6 小時(shí)延長(zhǎng)至6～8 小時(shí)，還需在坍落度方面易于工地施工，且安定性耐久性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

⑵研發(fā)一種具有高減水高保坍無緩凝效果的外加劑，使混凝土的和易性得到有效改善，同時(shí)通過提高混凝土的保坍效果以提高混凝土到場(chǎng)工作性能，降低混凝土車內(nèi)結(jié)轂幾率。通過提高減水率以降低單方混凝土水泥用量，提高混凝土配置強(qiáng)度，降低配方成本。

1 研究過程

1.1 原材料情況

1.1.1水泥

海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5R 水泥。

1.1.2 粉煤灰

黃埔電廠生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)Ⅱ級(jí)F 類粉煤灰。

1.1.3 速凝劑

速凝劑是一種使水泥混凝土快速凝結(jié)硬化的外加劑，是噴射混凝土施工的必備材料。

實(shí)驗(yàn)以基準(zhǔn)水泥未膠凝材料，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》對(duì)選用的恒都牌HD-3 型無堿性液態(tài)速凝劑進(jìn)行分析。

1.1.4 外加劑各母液

減水母液為六合減水母液；保坍為六合和泰格，引氣選擇AE2 搭配K12 粉劑，消泡選擇德國(guó)巴斯夫消泡劑。

1.1.5 粗骨料

選用級(jí)配良好、粒徑為5mm～10mm、含泥量≤1.0%的博羅碎石。

1.1.6 細(xì)骨料

選用細(xì)度模數(shù)為2.5%～2.8%、含泥量較小的砂為最佳。

1.1.7 水

本試驗(yàn)使用飲用自來水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)過程

生產(chǎn)C25P6 細(xì)石噴射混凝土，要求到場(chǎng)坍落度在120～140 之間，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T55—2011《普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)計(jì)算書，可以得出混凝土各組分重量配比見表1。

通過不同摻量粉煤灰對(duì)混凝土和易性劑強(qiáng)度影響表可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量為0%時(shí)，混凝土初凝時(shí)間和終凝時(shí)間與砂漿實(shí)驗(yàn)基本相符，混凝土1 天強(qiáng)度與28天強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，混凝土各項(xiàng)數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，28 天強(qiáng)度達(dá)到峰值。故本配方暫定粉煤灰摻量為20%。

根據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范要求，在用水量不變的情況下，水膠比分別增減0.05，砂率分別增減1%。進(jìn)行試配實(shí)驗(yàn)見表2。

根據(jù)以上強(qiáng)度，繪制強(qiáng)度與水膠比的線性關(guān)系見圖1：

圖1 混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線

從對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，S1 樣在上調(diào)0.05 水膠比后，混凝土強(qiáng)度大幅下降，凝結(jié)時(shí)間基本可控。S3 樣在下調(diào)0.05 水膠比后，混凝土強(qiáng)度提高明顯，但強(qiáng)度富余太多，其實(shí)不必要。故而決定，仍采用原始配方作為基準(zhǔn)以進(jìn)行施工實(shí)驗(yàn)和下一步檢測(cè)。

1.3 高粘聚高致密外加劑研發(fā)

1.3.1 外加劑基準(zhǔn)配方設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)施工要求的C25P6 細(xì)石噴射混凝土在設(shè)計(jì)過程中，將混凝土凝結(jié)時(shí)間通過混凝土膠凝材料中礦物摻合料比例來進(jìn)行調(diào)整控制，則混凝土用外加劑中減水組分和保坍組分乃至引氣和消泡組分對(duì)混凝土的凝結(jié)時(shí)間應(yīng)在理論上不存在影響，與速凝劑作用機(jī)理應(yīng)在理論上不存在相互抵抗的問題。而保坍組分則是通過對(duì)阻斷水泥分子與水接觸空間，對(duì)不帶電粒子實(shí)施有效阻隔，對(duì)速凝劑等帶電荷粒子不存在影響。故而在研發(fā)此外加劑時(shí)已具備理論基礎(chǔ)。

為確保自制外加劑的加入是能夠有效提高混凝土的各項(xiàng)性能，且與速凝劑不相沖突。在制備高粘聚高致密外加劑后，仍需進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)已確保無虞。相關(guān)研究對(duì)比見表3。

通過上述正交實(shí)驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：

⑴當(dāng)外加劑中減水組分逐漸增加時(shí)，混凝土強(qiáng)度呈逐步增長(zhǎng)到趨于平穩(wěn)趨勢(shì)，當(dāng)減水母液用到到達(dá)150 以后，效果達(dá)到最大化，后續(xù)繼續(xù)提高減水率，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯。

⑵當(dāng)外加劑中保坍組分逐漸增加時(shí)，混凝土凝結(jié)時(shí)間逐步增長(zhǎng)，當(dāng)保坍母液用量為50Kg/t、減水母液用量為150Kg/t 時(shí)，混凝土凝結(jié)時(shí)間達(dá)到最長(zhǎng)，為555 分鐘。

⑶混凝土的壓力泌水率和回彈率隨著減水母液的用量增長(zhǎng)逐漸降低后有反升趨勢(shì)，凝結(jié)時(shí)間則變化不大。

綜上所述，正交實(shí)驗(yàn)中編號(hào)A4 的外加劑配比表現(xiàn)最為優(yōu)異，自制聚羧酸系高粘聚高致密混凝土外加劑的基準(zhǔn)配方配方并檢測(cè)數(shù)據(jù)如表4。

表1 設(shè)計(jì)配合比及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表3 不同配方外加劑對(duì)混凝土性能影響

表4 自制外加劑基準(zhǔn)配方及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 摻入不同外加劑摻量混凝土配合比

1.3.2 摻入外加劑混凝土配合比調(diào)整

在混凝土水膠比控制在0.54 時(shí)，通過調(diào)整不同外加劑摻量可得出不同混凝土配合比，經(jīng)重復(fù)試配和數(shù)據(jù)檢測(cè)，相關(guān)混凝土配方見表5。

經(jīng)綜合分析，確定外加劑摻量為1.2%時(shí)，C25P6 細(xì)石噴射混凝土各項(xiàng)數(shù)據(jù)表現(xiàn)最優(yōu)。故確定噴射混凝土最終采用配方為水泥:煤灰:砂:碎石:外加劑:水=279:70:784:998:4.19:188。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

⑴抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)：試件采用150×150×150 標(biāo)準(zhǔn)立方體試模，每組三個(gè)測(cè)量噴射混凝土抗壓強(qiáng)度。采用噴射法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，直接向邊長(zhǎng)為150mm 的鋼模進(jìn)行噴射混凝土制作試件，經(jīng)多次失敗后終于成型1h、3h、24h、7d、28d、90d 共6 組試件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同齡期混凝土強(qiáng)度

從強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果可以看出，加入速凝劑后噴射混凝土快速形成強(qiáng)度，早強(qiáng)強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸趨于平穩(wěn)。1d 強(qiáng)度達(dá)到了14.4MPa，遠(yuǎn)大于7MPa，28d抗壓強(qiáng)度45.6MPa，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值25MPa。

⑵回彈率測(cè)定：本團(tuán)隊(duì)聯(lián)合施工方對(duì)噴射施工工藝進(jìn)行評(píng)估后，參照J(rèn)GJ/T372—2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》附錄“噴射混凝土回彈率實(shí)驗(yàn)”中提到的方法，開展了噴射混凝土回彈率試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)束后，噴射施工效果良好，結(jié)構(gòu)表面平整，無裸露鋼筋等支護(hù)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)共用濕噴混凝土8 方，合計(jì)18560Kg，速凝劑用量為195.44Kg，實(shí)際掉落混凝土質(zhì)量為1312.8Kg。噴射混凝土膠材用量為349Kg/m3，因此，速凝劑的用量為7%，混凝土的回彈率為8.1%。施工過程混凝土和易性可控，泵送順暢，現(xiàn)場(chǎng)無二次調(diào)整過程，無論速凝劑的用量，膠凝材料使用總量，總用水量都得到大大降低。混凝土回彈率更是低至10%以下。

2 結(jié)論

當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于噴射混凝土的研究多為工程角度，少有從混凝土性能和外加劑相關(guān)入手調(diào)整混凝土性能以優(yōu)化施工方案等跨專業(yè)研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用案例見諸報(bào)道。無論干噴還是濕噴，目前各項(xiàng)目多數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)制備為主，極少有啟用商品混凝土的案例。本研究通過對(duì)比工地特點(diǎn)與商品混凝土性能相結(jié)合的方法，提出通過混凝土中摻入礦物摻合料設(shè)計(jì)配合比以延長(zhǎng)混凝土凝結(jié)時(shí)間，創(chuàng)造性研發(fā)聚羧酸引氣型高粘聚性高致密外加劑，與速凝劑完美適應(yīng)，成功克服混凝土不能長(zhǎng)途運(yùn)輸和粘聚性差，現(xiàn)場(chǎng)施工苦難等問題，在使用中，做到了隨到隨泵，可施工時(shí)間長(zhǎng)和混凝土粘聚性優(yōu)良，流動(dòng)性優(yōu)良，加入速凝劑快速凝結(jié)且強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速等特點(diǎn)。為噴射混凝土在更多更大范圍的應(yīng)用鋪平了道路。