濕噴混凝土配合比設(shè)計室內(nèi)試驗方法研究

孟曉燕，劉錄錄

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

噴射混凝土是將拌和后的水泥、砂、石和速凝劑等混合料，通過噴射機(jī)直接噴射在圍巖表面，同圍巖緊密結(jié)合形成混凝土支護(hù)面，從而達(dá)到圍巖穩(wěn)定的目的，普遍適用于隧道、洞室、邊坡、基坑等工程支護(hù)或面層結(jié)構(gòu)[1]。但隨著噴射混凝土的不斷發(fā)展，目前也適用于因地震、火災(zāi)、振動等因素引起的建筑物損害的修復(fù)加固工程，也可以用于因施工不良造成的混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的修補[2]。但是噴射混凝土配合比設(shè)計在我國沒有制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其試驗方法一直存在爭議。

經(jīng)查閱相關(guān)資料可知，現(xiàn)使用的噴射混凝土配合比試驗方法主要分為兩種：一種是在室內(nèi)搭建臺壁，模擬現(xiàn)場地質(zhì)結(jié)構(gòu)，使用小型濕噴機(jī)完成試驗[3]。其優(yōu)點是試驗環(huán)境好，實驗設(shè)備要求低；缺點是試驗準(zhǔn)備周期長，得出的理論配比還需要在施工前結(jié)合工地現(xiàn)場再次濕噴來修正配合比。另一種是先在試驗室提出基準(zhǔn)配合比后，再結(jié)合工地現(xiàn)場施工環(huán)境，依靠現(xiàn)場的噴護(hù)設(shè)備完成配合比試驗[4]。其優(yōu)點是試驗后的配合比可以直接在工程中使用；缺點是試驗成本大，人力物力耗費多，造成資源浪費。兩種試驗方法都存在試驗成本大、周期長等缺點。因此，本文通過結(jié)合工程實例，在試驗室內(nèi)完成噴射混凝土配合比試驗，采用100 mm試模成型混凝土試塊作為抗壓強度試驗試塊，并結(jié)合施工現(xiàn)場制備噴射混凝土大板驗證室內(nèi)噴射混凝土配合比試驗方法的可靠性，為濕噴混凝土配合比設(shè)計的試驗方法提供參考價值。

1 原材料及配合比確定

1.1 原材料

水泥為阜康天山水泥廠生產(chǎn)的中抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，粉煤灰為烏魯木齊乾元盛貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級F類粉煤灰，減水劑為五家渠格輝新材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的高性能減水劑，速凝劑為新疆五家渠格輝新材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的無堿液態(tài)速凝劑，試驗用拌和水為自來水。經(jīng)檢驗，以上5種原材料的物理力學(xué)性能均滿足規(guī)程規(guī)范要求。

試驗用骨料取于工地現(xiàn)場4家施工單位所使用的料場，分別為C10 料場生產(chǎn)的河砂，鑫明料場生產(chǎn)的天然砂和小石，P5料場由凝灰質(zhì)砂巖破碎后的人工砂和小石，砂粒徑均為<5 mm，小石粒徑均為5～10 mm。各級骨料的主要指標(biāo)檢測結(jié)果見表1。

表1 混凝土骨料檢測結(jié)果

1.2 試驗配合比確定

根據(jù)工程設(shè)計參數(shù)要求，噴射混凝土設(shè)計參數(shù)為出機(jī)坍落度為180±20 mm、含氣量<5%、抗壓強度大于30 MPa。按照《混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(DL/T 5330-2015)中“當(dāng)設(shè)計齡期為28 d且抗壓強度保證率P為95%時，混凝土配制強度計算后應(yīng)為37.4 MPa；用于濕法噴射的混合料拌制后，應(yīng)進(jìn)行坍落度測試，其坍落度宜為80～120 mm”兩點要求[5]。但在實際工程中受到骨料品質(zhì)、施工環(huán)境、運輸距離、噴射條件、施工性能等因素的影響，當(dāng)混凝土出機(jī)坍落度為80～120 mm時，加入速凝劑后的噴射混凝土的回彈率高、強度低，根本無法達(dá)到施工質(zhì)量要求。經(jīng)過多次試驗優(yōu)選調(diào)整后，每方混凝土中用水量在175～185 kg、膠凝材料用量不低于470 kg，出機(jī)坍落度控制在180～200 mm范圍內(nèi)，才能滿足設(shè)計指標(biāo)和施工性能要求。通過前期的試驗研究，現(xiàn)從中優(yōu)選出的4組噴射混凝土配合比見表2。

表2 噴射混凝土試驗優(yōu)選配合比

2 試驗方案

2.1 室內(nèi)100 mm試模成型試驗

在試驗室內(nèi)成型加入速凝劑的混凝土的方法在各個規(guī)范中還未做出規(guī)定，本次試驗中首次提出成型100 mm立方體試件的試驗方法。

將選定的基準(zhǔn)配合比按照各原材料比例放入試驗用混凝土攪拌機(jī)中拌和，出機(jī)后直接裝入100 mm×100 mm的立方體試模中成型，做7 d，28 d抗壓強度試驗。需加速凝劑的混凝土再次拌和出機(jī)后，倒入實驗平臺，待測定坍落度等指標(biāo)后攤鋪開，將速凝劑快速均勻撒在混凝土表面，充分人工拌和20～30 s后，然后快速裝入試模成型，并放到振動臺上振動5～10 s，振動時充分壓摁拌和物，類似模擬濕噴機(jī)噴槍壓力，使試模填充密實，成型1天后脫模放置養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

2.2 現(xiàn)場噴大板試驗

為驗證室內(nèi)試驗方法的可行性，將4個配合比在施工隧洞中完成噴大板試驗，現(xiàn)場使用混凝土拌和站拌和，每次拌制2 m3，由混凝土罐車?yán)了矶磧?nèi)，倒入混凝土濕噴機(jī)，噴射時在噴嘴處加入速凝劑，然后開始噴射工作，噴射順序為從左往右，自上而下。在成型大板前，先對著巖壁噴射一段時間，然后將中間部分混凝土噴入試模，每個配比成型5個大板，噴大板試模為450 mm×350 mm×200 mm的木制試模。成型1天后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)3天后將大板切割成100 mm×100 mm的立方體試塊，試件尺寸及試驗方法應(yīng)符合《水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(SL 377-2007)的規(guī)定。

3 試驗結(jié)果及分析

室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗噴射混凝土物理力學(xué)性能試驗結(jié)果分別見表3和表4，噴射混凝土7 d、28 d抗壓強度比對分析見圖1。

表3 室內(nèi)混凝土物理力學(xué)性能試驗結(jié)果

表4 噴大板混凝土性能試驗結(jié)果

圖1 噴射混凝土7 d和28 d抗壓強度比對分析圖

從表3中可以看出，4個配合比在室內(nèi)不加速凝劑的情況下，噴射混凝土拌和物出機(jī)坍落度在190～200 mm之間，含氣量在2.8%～4.8%之間，表觀密度在2 320～2 350 kg/m3范圍內(nèi)，各項指標(biāo)均在設(shè)計要求內(nèi)，且混凝土3，7，28 d抗壓強度均較大；加速凝劑后混凝土抗壓強度明顯小于不加速凝劑的混凝土，特別是3 d抗壓強度只達(dá)到30%，28 d抗壓強度達(dá)到80%左后，經(jīng)分析原因主要是受速凝劑的影響，前期強度增長緩慢，整體強度損失較大，但都能滿足設(shè)計指標(biāo)。

從表4中可以看出，現(xiàn)場噴大板混凝土出機(jī)狀態(tài)和易性良好，坍落度在210～220 mm，含氣量在4.0%～5.1%，兩項指標(biāo)略有增大，造成增大的原因是由于混凝土拌和設(shè)備和試驗環(huán)境與室內(nèi)存在較大差異行成的。現(xiàn)場噴射混凝土拌和物性能和28 d抗壓強度均能滿足設(shè)計指標(biāo)。

對圖1的試驗數(shù)據(jù)對比可知，現(xiàn)場噴大板混凝土的7 d、28 d抗壓強度均大于室內(nèi)成型混凝土，但都相差不大，且兩種試驗方法成型的混凝土28 d抗壓強度都大于配制強度；加入速凝劑的混凝土7 d抗壓強度只達(dá)到28 d抗壓強度的50%左右，這一規(guī)律與普通混凝土強度增長規(guī)律存在較大差異[6]。

綜上所述，噴射混凝土配合比設(shè)計試驗采用室內(nèi)試驗方法較以往的試驗方法存在以下幾個明顯的優(yōu)點：①配合比試驗使用的原材料總量大幅度減少；②試驗周期縮短，不需要太多時間做準(zhǔn)備工作；③試驗成本降低，不需要購買濕噴機(jī)、搭建試驗臺壁，試驗人員數(shù)量少；④高效環(huán)保，不發(fā)生污染環(huán)境的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1) 采用4種不同成因和巖性的骨料用于噴射混凝土配合比中，從抗壓強度變化規(guī)律得知，在設(shè)計基準(zhǔn)混凝土配合比時，28 d抗壓強度要高于配置強度，這樣配制的噴射混凝土拌和物性能和抗壓強度才能滿足設(shè)計參數(shù)；同時室內(nèi)試驗方法不受骨料差異的影響。

2) 施工現(xiàn)場制備噴射混凝土大板所得的抗壓強度略大于室內(nèi)成型100 mm立方體試件的試驗結(jié)果，即采用濕噴機(jī)后噴射混凝土強度得到提高，間接增大了混凝土抗壓強度保證率，進(jìn)一步提高了工程實體質(zhì)量。

3) 室內(nèi)成型100 mm立方體試塊進(jìn)行噴射混凝土配合比設(shè)計的方法經(jīng)試驗驗證后是可行的，且具有試驗成本低、試驗周期短、工作量少、高效環(huán)保等優(yōu)點，因此該試驗方法可在工程中予以推廣應(yīng)用。