3種速凝劑對水工噴射混凝土性能影響研究

任玉杰

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

水工噴射混凝土是指在高壓縮空氣驅動下將通過噴濕機管道內的水工混凝土均勻地噴射在結構受噴面上[1]，以達到自動壓實并短時間內產生強度的一種特殊水工混凝土[2]。由于水工噴射混凝土終凝時間較短、早期強度較高、靈活性較大等優點[3]，其被廣泛應用于水利襯砌等工程中[4]。例如，在水工隧洞開挖施工中，主要面臨地下突涌水、高地應力造成的巖爆以及斷層破碎帶等方面工程地質問題[5]。為了引水隧洞開挖既快速又便捷，以及洞室永久穩定，有必要對強巖爆、強滲水等洞段特殊噴射混凝土性能加以關注[6]。為實現速凝快硬、降低回彈損失、防止由于重力驅動而造成的脫落現象、提升噴射水工混凝土在潮濕、含水巖層中等使用的適應性能以及降低層間的噴射間隔時間，一般在水工噴射混凝土中摻入適量的速凝劑[7]。

目前，速凝劑在組成、制備、性能與水利工程應用方面取得了較為豐碩的研究成果[8]。然而，各類速凝劑的特性與速凝機理還不完善。在施工過程中，若盲目摻入速凝劑，可能會引發諸多質量事故[9]。基于上述研究背景，本文研究3種普通速凝劑量對水工噴射混凝土性能影響，以期在實現加快水利工程建設進度、節省水工混凝土用量等具有重要的工程實用價值。

1 試驗材料

1.1 速凝劑材料

取10 g±0.2 g共3種普通速凝劑開展檢測試驗。檢測試驗依據為《噴射混凝土用速凝劑》(JC 477-2005)。主要儀器設備有微機電液伺服壓力試驗機、維卡儀。試驗結果見表1。

表1 3種速凝劑材料檢測結果

由表1可知，本次所取3種速凝劑的單項判定均達標，可以開展摻速凝劑水工噴射混凝土性能試驗。

1.2 水 泥

配制混凝土時，一般按照配制混凝土的強度等級選擇水泥標號。混凝土配制過程中一般會釋放熱量，尤其對于大體積混凝土而言，為了控制混凝土內外溫差，減小混凝土收縮的負面影響，因此須嚴格控制混凝土拌和物中水泥用量。

水泥采用烏魯木齊當地水泥廠生產的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，其化學成分、物理性能以及力學性能試驗結果見表2-表4。

表2 水泥化學成分試驗結果

表3 水泥物理性能試驗結果

表4 水泥力學性能檢測結果

由表2-表4可知，本次試驗所用硅酸鹽水泥判定達標，可以開展摻速凝劑水工噴射混凝土性能試驗。

1.3 砂、石骨料、水

骨料均采用飽和面干狀態為基準；混凝土試驗用60 L自落式混凝土攪拌機、拌和時間3 min。人工砂、石骨料的品質試驗結果分別見表5、表6。

表5 人工砂品質試驗結果

表6 人工粗骨料品質試驗結果

試驗所采用的粗、細骨料的各項指標均滿足《水工混凝土施工規范》(DL/T 5144-2001)的要求。拌和用水為所在地自來水廠供應的系統用水。

2 試驗方法

針對每種速凝劑，試驗均設計了4種方案，具體見表7。

表7 4種設計方案

2.1 混凝土配合比設計

現場試驗混凝土配合比設計均根據所采用的材料，按照強度、和易性、抗滲性、彈性模量等因素進行設計考慮，使混凝土滿足強度，具有較好的抗滲性及耐久性能。本試驗根據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55-2011)采用全計算法配合比設計方法。本試驗擬采用的摻合料為仿鋼纖維、納米材料，按照4個試驗方案，采用雙摻的方式，對混凝土配合比進行設計，并進行對比試驗，同時對相關的強度指標進行比較。

2.2 混凝土濕噴工藝流程圖

水工混凝土現場濕噴工藝流程見圖1。

圖1 濕噴水工混凝土現場施工工藝流程

2.3 試驗要點

1) 噴頭移動方式。現場試驗噴射過程中，噴射手應根據隧洞周圍圍巖松緊等具體情況，緩慢地呈S、8字及螺旋線等移動，從而較容易保證洞壁混凝土在噴射到規定厚度后移開，并逐步噴射到其它須噴面上，通常按照由下往上、先墻后拱的順序施工。若混凝土表面坑洼較大時，需先用混凝土填平表面，滿足要求后，再調節噴頭成S形或螺旋狀均勻緩慢地按照噴射部位加以移動，減少濕噴混凝土現場回彈現象發生。相鄰兩圈噴射試驗時，后圈必須壓一半前圈噴射面噴射，建議每圈噴射4～5 m。總之，務必確保混凝土表面平整、光滑，為后續洞壁施工提供一定的便利性。

2) 回彈量調整。噴射混凝土與鋼筋、骨料顆粒等障礙物發生碰撞后，掉落的混凝土即為回彈量。鑒于一般水泥用量、鋼筋直徑(使用量)、粗細骨料粒徑、噴槍傾斜角度、濕射機風壓力、水灰比等均是影響回彈量大小的因素，因此一般在初噴時回彈量均較大，混凝土塑性層形成后由于嵌入的粗骨料會導致回彈量變小，因此建議首次噴射厚度不得小于4 cm。通常回彈料中的水泥用量較小，而雜物很多，因此不宜將回彈料放入濕噴機中留待二次噴射使用。

3) 噴射角及距離。噴射時，噴嘴需保持與洞壁巖面相垂直。而在邊墻噴射時，為了將混凝土方便地噴射到已噴較厚的混凝土頂端，噴嘴建議向下傾斜一定的角度(約10°)，參照直徑方向為準對隧洞頂部進行噴射，受噴面若因鋼筋、格柵等障礙物的覆蓋，則允許噴頭加以適當傾斜(傾斜角度不宜過大)，同時又要防止二者之間角度太小導致混凝土拌和物在受噴面滾動，而產生波形噴面的同時會造成回彈量變大；需要根據最小回彈量即最高強度來計算設計混凝土噴射距離。建議主要以回彈量最小并結合料束較集中為前提加以考慮，噴射距離一般不允許突破0.5～1.0 m，噴嘴處的風壓力控制在0.3～0.5 MPa的范圍內。

3 試驗結果

經過前后12次進行現場取樣分析，其抗壓強度等指標均能夠較好滿足要求，3種速凝劑對水工噴射混凝土性能影響相差較小。根據取樣均值進行統計，具體實驗結果見表8。

表8 試驗結果

4 結 論

1) 3種速凝劑對水工噴射混凝土性能影響相差較小。

2) 噴射現場速凝劑摻入量控制為水泥用量的3%～5%左右為宜，不同工程需要的摻入量需以試驗調整后確定為準。

3) 摻入量過多會大大降低混凝土強度，失去其速凝的價值；摻入量較少，則易造成已噴射成型的水工混凝土大面積脫落，以及回彈量較大，難以達到理想效果。