配合比參數對噴射混凝土回彈率的影響研究

楊永民

(1.仲愷農業工程學院 ，廣東 廣州 510225；2.仲愷農業工程學院建筑節能可持續發展研究所，廣東 廣州 510225)

噴射混凝土是將預先配制好的水泥、摻合料、砂、石、水和一定量的外加劑，裝入特殊噴射機具，利用高壓空氣將其送至噴頭和速凝劑混合后，以較高速度垂直噴射于工作面，并在短時間內凝結硬化成型的補強加固材料[1-6]。目前噴射混凝土在隧道工程中廣泛應用，具有支護及時、強度高、密實性強、操作簡單、靈活性大等優點，能較好地填充巖塊間的裂隙與凹穴，增加圍巖的整體性，防止巖面的風化和松動，并與圍巖共同工作[7-9]。特別是在軟弱圍巖地質條件下，配合鋼拱架、鋼筋網和系統錨桿作為聯合支護，其優點更加明顯。

因噴射混凝土質量參差不齊，存在強度低、回彈率高，滴水處往往導致噴射混凝土無法施工或噴射后嚴重剝落現象等缺陷，不但原材料浪費較大，而且過大的回彈量使施工現場空氣中粉塵含量過高，嚴重威脅到施工人員的健康安全[10-13]。因此通過提升噴射混凝土質量控制，對提高支護強度、有效減少回彈量、保護施工人員身體健康和控制施工成本具有重要意義。本文結合某項目中隧道實際工程，通過優化噴射混凝土的配合比，提升噴射混凝土質量控制，以有效減少噴射混凝土的回彈率。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥采用華潤水泥(南寧)有限公司的普通硅酸鹽水泥，強度等級為P.O 42.5，所用水泥進場后均經試驗檢測合格。選用廣西田東電廠生產的F類Ⅱ級粉煤灰，品質符合現行國家標準GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的有關規定。使用廣西南寧馬山縣興鴻砂石場生產碎石機制砂，細度模數3.1，石粉含量6.5%，其他指標滿足規范要求。碎石為廣西南寧馬山縣興鴻砂石場生產的5～10 mm碎石。用于噴射混凝土的外加劑主要為減水劑和速凝劑，選用廣東輝固材料科技有限公司生產的HY-JSS聚羧酸高性能減水劑和HY-SN無堿速凝劑。

1.2 試驗方法

1.2.1噴射混凝土施工工藝

為了有效控制噴射混凝土的回彈量，采用技術先進的濕式噴混凝土施工工藝。濕式噴混凝土施工工藝是預先在攪拌機內將所有材料攪拌均勻，和常規混凝土攪拌相同，用濕式噴射機將拌合好的混凝土混合料壓送到噴頭處。再在噴頭上添加速凝劑后噴出，利用壓縮空氣的沖擊成型。其工藝流程見圖1。濕式噴射混凝土施工中粉塵、回彈率均明顯小于干式噴射混凝土，并能獲得較好的施工質量，同時改善了施工環境。結合工程主洞現場生產性試驗，通過采用濕噴混凝土施工工藝，有效地提高了噴射混凝土的施工質量，降低了混凝土回彈率，具有較好的技術效果和經濟效益。

圖1 濕式噴射混凝土施工工藝示意

1.2.2抗壓強度試驗

抗壓強度試件按規程要求成型大板，加工成邊長為100 mm的立方體試塊，在標準條件下養護至28 d齡期進行抗壓強度試驗。

1.2.3回彈率測試試驗

噴射混凝土回彈率一般是在工地現場測試。按結構劃分或找一施工段側墻或頂面進行試驗，在地上鋪設帆布(以盡量不丟失回彈料為宜)，按照施工要求的厚度對預定的試驗面積進行試噴混凝土，將落到地面的混凝土收集并稱重。落到地面混凝土重量占總噴射混凝土重量的比例即噴射混凝土回彈率。

2 高性能噴射混凝土的制備

2.1 噴射混凝土配合比參數的選擇

a) 水膠比是影響噴射混凝土強度的主要因素，水膠比的大小影響噴射混凝土回彈量和強度。本文根據經驗和現場需要，噴射混凝土配合比水膠比確定為0.38～0.42。

b) 標準規范規定膠凝材料用量不應小于400 kg/m3，膠材用量過少，回彈量大，早期強度增長慢；當膠材用量增加，雖然噴射混凝土強度會提高，但會造成施工時產生的粉塵增多、回彈量多，惡化施工環境，使施工成本增加，另外混凝土凝結硬化時收縮量也會增大。為降低成本，改善混凝土拌合物性能，特摻入粉煤灰。本文膠凝材料用量經過多次試驗，確定用量為450～490 kg/m3。

c) 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。砂率過大，因粗集料不足，噴射時碎石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，膠材用量也要加大，既不經濟也會使混凝土產生收縮增大。砂率過小，則回彈率增大，易造成管路堵塞，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。通過多次試驗，確定噴射混凝土配合比砂率為50%～60%。

2.2 噴射混凝土配合比正交試驗設計

為了考察配合比設計參數對噴射混凝土的性能的影響規律，設計了正交試驗[13-15]，通過考查影響噴射混凝土的力學性能和回彈率的3個主要因素：水灰比(W/C)、砂率(P)、膠凝材料用量(C)，每個因素選擇3個水平，設計出 L9(33)的正交試驗 ，找出對噴射混凝土綜合性能有影響的因素，找出最優的水平組合，因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平

3 配合比參數對噴射混凝土回彈率的影響

3.1 噴射混凝土現場試驗結果及分析

通過試驗，分析水灰比(W/C)、砂率(P)、膠凝材料用量(C)3個因素對噴射混凝土回彈率的影響，具體正交試驗結果見表2。

表2 噴射混凝土試驗室正交試驗結果

通過對表2進行正交實驗結果分析，具體結果見表3。針對噴射混凝土的回彈率指標而言，試驗5的效果最好，回彈率最低，為12.5%，水平組合為A1(0.40)、B2(56%)、C3(480)。通過R值的大小可以看出，本試驗因素存在顯著性順序，其主次關系為B>A>C，即影響噴射混凝土回彈率的因素最主要的是砂率，其次是水灰比、膠凝材料用量。

表3 因素對噴射混凝土回彈率實驗結果分析結果

3.2 噴射混凝土的出機口性能

選取1(回彈率最大)、5(回彈率最小)和8號(回彈率次小)3個配合比再次現場試拌后，出機坍落度、擴展度、含氣量等都能滿足設計要求，拌合物狀態較好，無泌漿抓底現象。放置1 h后，拌合物狀態也較好，坍落度損失很小，但擴展度損失稍微偏大，從而推斷出保坍時間不能太久。噴射混凝土拌合物的性能見表4。

表4 噴射混凝土拌合物出機口性能

3.3 噴射混凝土現場力學性能

現場采用大型濕噴機械手作業，噴射順序遵循自下而上、先墻后拱的原則。選取5號配合比現場施工時，速凝劑摻量為5%，噴射過程中，從拱腳往拱頂進行噴射，拱腳噴射時混凝土散失較小，但噴射拱頂時有掉塊現象，經仔細觀察，掉塊處存在松動巖石，直接往上噴，造成混凝土與巖面黏結力不夠，初噴后有局部剝落現象，總體回彈量比較小；1號配合比現場施工時，速凝劑摻量剛開始為3%，從拱腳往拱頂進行噴射，經觀察，回彈量較大，粉塵較多，存在掉塊現象；速凝劑摻量提高至4.5%后，掉塊現象減少，但總體回彈量還是較大。通過現場留置大板試件，1、5號配合比的實測強度基本都能滿足大于等于30 MPa的要求，具體結果見表5。

表5 混凝土強度試驗數據 單位：MPa

3.4 噴射混凝土的現場回彈率

回彈產生是不可避免的，當混凝土噴射于堅固表面、鋼筋拱架或噴射集料顆粒本身在噴射過程中相互碰撞，就會從受噴面彈落下來。回彈率的大小與多種因素有關，在工程噴射混凝土配合比選定后，針對影響回彈率的因素，通過現場施工調查歸納總結。回彈率過高主要由以下原因造成：①風壓、水壓控制不好，噴射距離過大或過小；②噴射順序不合理；③未分層噴射，一次噴射厚度過大；④外加劑添加不規范；⑤現場配合比不合理，合理的噴射混凝土配合比也是減少混凝土回彈率的根本。

現場回彈率試驗結果見表6，配合比5和配合比1均可以滿足工程使用需要，但配合比5的噴射回彈率更小。

4 結論

a) 正交試驗結果表明，當水平組合為水灰比(0.40)、砂率(56%)和膠凝材料(480)時，噴射混凝土的回彈率最低，為12.5%。通過對極差分析結果可知，即影響噴射混凝土回彈率的因素最主要的是砂率，其次是水灰比、膠凝材料用量。

b) 選取回彈率最大、回彈率最小和回彈率次小3個配合比再次現場試拌后，出機坍落度、擴展度、含氣量等都能滿足設計要求，拌合物狀態較好，無泌漿抓底現象。放置1 h后，拌合物狀態也較好，坍落度損失很小，實測強度基本都能滿足≥30 MPa的要求。

c) 按照本文推薦的配合比參數選擇原則，正交試驗中最大回彈率和最小回彈率的配合比均可以滿足工程使用需要，但合理選擇參數可以具有更小的噴射回彈率。