納米材料在噴射混凝土中的應(yīng)用研究

張 興 德， 雷 英 強(qiáng) ， 丁 建 彤

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

常規(guī)C20～C30噴射混凝土施工作業(yè)存在綜合回彈率高、一次噴射厚度薄、混凝土強(qiáng)度經(jīng)常不合格、施工環(huán)境粉塵濃度高等問(wèn)題。干(潮)噴混凝土的綜合回彈率一般達(dá)到20%以上，甚至達(dá)到40%～50%；濕噴混凝土回彈率亦經(jīng)常超過(guò)20%[1]。

新建京張鐵路8標(biāo)草帽山隧道的C25濕噴混凝土回彈率最高達(dá)30%以上，鍋浪蹺水電站1號(hào)引水隧洞的C20干噴混凝土回彈率達(dá)到25%以上，嚴(yán)重增加了施工成本且增加了噴射支護(hù)的工期。在影響噴射混凝土回彈率的各種因素中，噴射設(shè)備、施工人員素質(zhì)、圍巖條件往往難以改變或根本改變不了，因此，通過(guò)摻加新材料以降低混凝土回彈率不失為一種便捷有效的方法。

2 摻加新型納米材料在水電工程中的應(yīng)用

技術(shù)人員在錦屏二級(jí)水電站引水隧洞混凝土施工中摻加了一種新型納米材料，將CF30濕噴混凝土的綜合回彈率降至8%～10%，且其1 d強(qiáng)度達(dá)到20 MPa[2，3]。在水電七局正在施工的白鶴灘水電站地下廠(chǎng)房中摻加了一種納米材料后，在一次噴射厚度達(dá)到25 cm的情況下其頂拱CF30濕噴混凝土的回彈率不到15%[4，5]，其體積粒徑為100～300 nm，可顯著降低普通噴射混凝土的回彈率、提高其初期和后期強(qiáng)度，其作用機(jī)理主要是增加混凝土拌合物的內(nèi)聚性和黏結(jié)力以減少回彈，增加混凝土硬化后的密實(shí)度以提高強(qiáng)度，這一效果已經(jīng)多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)驗(yàn)證，HB7-2型納米材料在多個(gè)項(xiàng)目中取得的應(yīng)用成果(部分)見(jiàn)表1。

表1 HB7-2型納米材料在多個(gè)項(xiàng)目中取得的應(yīng)用成果(部分)表

3 HB7-2型納米材料在成都地鐵18號(hào)線(xiàn)中的應(yīng)用研究

成都地鐵18號(hào)線(xiàn)全長(zhǎng)約69.39 km，起于火車(chē)南站，沿天府大道東側(cè)向南敷設(shè)，經(jīng)環(huán)球中心、世紀(jì)城、麓山至天府新區(qū)博覽城片區(qū)后穿越龍泉山向東經(jīng)三岔湖片區(qū)至天府新機(jī)場(chǎng)。其中成都軌道交通18號(hào)線(xiàn)工程土建5標(biāo)的龍泉山隧道為全線(xiàn)關(guān)鍵控制性工程，全隧區(qū)域?yàn)辇埲接蜌馓锓植紖^(qū)域，是國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)穿越高瓦斯地層的軌道交通線(xiàn)。該隧道采用鉆爆法開(kāi)挖方式，穿越巖層多為風(fēng)化頁(yè)巖，采用C25噴射混凝土作為初期支護(hù)，其鋼拱架與鋼筋網(wǎng)支護(hù)方式、地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)參數(shù)等見(jiàn)表2(工作面相關(guān)信息表)。據(jù)了解，其現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土回彈率達(dá)到30%左右，計(jì)劃單個(gè)工作面月進(jìn)度為100～120 m，而實(shí)際上月進(jìn)度只能達(dá)到70～80 m，混凝土28 d強(qiáng)度亦剛好達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。為此，在隧道施工中采用了HB7-2型無(wú)機(jī)納米材料進(jìn)行噴射混凝土以改善其綜合性能。

表2 工作面相關(guān)信息表

3.1 實(shí)施方案

項(xiàng)目部將現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)與長(zhǎng)期應(yīng)用成果相結(jié)合，在18號(hào)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)原材料、施工工藝不變的情況下，對(duì)比了現(xiàn)有噴射混凝土配合比(以下簡(jiǎn)稱(chēng)基準(zhǔn)混凝土)與摻入10%的HB7-2型納米材料等量替代水泥后其混凝土配合比(以下簡(jiǎn)稱(chēng)摻納米材料混凝土)的現(xiàn)場(chǎng)混凝土回彈率、一次噴射厚度、施工工效、粉塵濃度、1 d抗壓強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度、28 d抗凍抗?jié)B性能、抗硫酸鹽侵蝕性能等。其中回彈率在工藝性試驗(yàn)中采用回彈物收集方法測(cè)試；施工工效采用長(zhǎng)期應(yīng)用的通過(guò)噴射凈時(shí)間與噴射進(jìn)尺的方式進(jìn)行測(cè)試；在施工過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)試噴射過(guò)程中的粉塵濃度。

3.2 原材料及納米材料應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)條件

(1)原材料。采用都江堰拉法基水泥有限公司生產(chǎn)的P?O42.5水泥；人工砂細(xì)度模數(shù)為2.9，石粉含量為6.6%；粒徑為5～10 mm的人工碎石；堿性速凝劑摻量為6%時(shí)，初凝時(shí)間為5 min 45 s，終凝時(shí)間為10 min 23 s。納米材料采用成都東藍(lán)星新材料有限公司生產(chǎn)的HB7-2型噴射混凝土納米材料，HB7-2W型納米材料性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 HB7-2W型納米材料性能測(cè)試結(jié)果表

(2)噴射混凝土的生產(chǎn)及運(yùn)輸工藝。混凝土采用拌合樓集中拌制，每次攪拌1 m3，其攪拌工藝為砂石—膠材—水的投料順序。摻納米材料混凝土的投料順序?yàn)閷胶土贤度氲缴笆分校龠M(jìn)行膠材與水的投料。速凝劑均在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)機(jī)械添加。

每次運(yùn)輸混凝土的方量為5 m3，從拌合站到工作面的距離為600～1 000 m，運(yùn)輸時(shí)間為5～15 min。

4 工藝性試驗(yàn)成果及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)配合比參數(shù)

基準(zhǔn)混凝土采用成都地鐵18號(hào)線(xiàn)目前使用的C25噴射混凝土，摻納米材料混凝土以10%納米材料等量替代水泥，保持配合比與設(shè)計(jì)容重不變，設(shè)計(jì)水膠比為0.46，砂率為52%，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)配合比參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)配合比參數(shù)表

4.2 施工工藝參數(shù)

在成都地鐵18號(hào)線(xiàn)納米材料工藝性試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)比過(guò)程中，并未針對(duì)納米材料單獨(dú)研究其施工工藝。考慮到對(duì)比的準(zhǔn)確性，其施工工藝邊界條件并未改變，故基準(zhǔn)混凝土與納米混凝土均采用同樣的施工工藝。雖然《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》GB 50086-2015對(duì)其施工工藝有推薦性要求，但在實(shí)際工程中，絕大部分噴射混凝土施工工藝是由噴漿手的操作習(xí)慣決定的，因此，在本次工藝性試驗(yàn)過(guò)程中并未針對(duì)施工工藝有強(qiáng)制性要求，而是以實(shí)際噴漿手的操作習(xí)慣進(jìn)行測(cè)定。施工前，工人會(huì)簡(jiǎn)單用有壓水清理工作面，然后進(jìn)行混凝土噴射，現(xiàn)場(chǎng)施工工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝參數(shù)表

4.3 回彈率、一次噴射厚度與粉塵濃度

回彈率測(cè)試前，在地面鋪一層彩條布，彩條布的面積應(yīng)足以收集絕大部分回彈物，記錄噴射混凝土方量，分別測(cè)試邊墻及頂拱的回彈率。測(cè)試結(jié)果表明：摻納米材料較基準(zhǔn)混凝土矮邊墻回彈率降低了73.3%，上臺(tái)階邊墻回彈率降低幅度達(dá)56%，頂拱回彈率降低幅度達(dá)62.6%，混凝土回彈率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6、摻納米(左)與基準(zhǔn)混凝土(右)回彈率現(xiàn)場(chǎng)效果見(jiàn)圖1。

表6 混凝土回彈率測(cè)試結(jié)果表

圖1 摻納米(左)與基準(zhǔn)混凝土(右)回彈率現(xiàn)場(chǎng)效果圖

由于地質(zhì)條件原因，開(kāi)挖過(guò)程中均出現(xiàn)了較大面積的超挖現(xiàn)象，實(shí)際厚度為25 ～55 cm。故在實(shí)際施工過(guò)程中，工人噴射基準(zhǔn)混凝土與納米材料混凝土均采用定點(diǎn)噴射。由于噴射基準(zhǔn)混凝土的回彈率較大，通常需進(jìn)行2～3次噴射才能?chē)姖M(mǎn)，而噴射納米材料多為一次性噴滿(mǎn)，一次噴射混凝土厚度對(duì)比情況見(jiàn)表7。

表7 一次噴射混凝土厚度對(duì)比表

由此可見(jiàn)：摻納米材料混凝土一次噴射厚度較不摻納米材料混凝土可提高約1倍。

與不摻納米材料混凝土的基準(zhǔn)組相比，噴槍手普遍反映摻納米材料混凝土噴射上去后附著性好、粉塵少。經(jīng)實(shí)測(cè)其粉塵濃度降低了47%。

4.4 混凝土拌合物性能、硬化混凝土性能及混凝土耐久性能

在工藝性試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，針對(duì)所依托的成都地鐵18號(hào)線(xiàn)5標(biāo)，對(duì)普通噴射混凝土中的混凝土凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、電通量、抗硫酸鹽侵蝕能力、抗凍抗?jié)B能力進(jìn)行了測(cè)試，尤其針對(duì)混凝土的初期強(qiáng)度測(cè)試了其12 h及24 h強(qiáng)度。混凝土抗壓強(qiáng)度均采用大板切鉆心割法測(cè)試，抗凍試驗(yàn)測(cè)試芯樣的重量損失及抗壓強(qiáng)度損失；抗?jié)B試驗(yàn)測(cè)試芯樣的抗?jié)B等級(jí)，抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)測(cè)試芯樣在硫酸鹽侵蝕下的質(zhì)量損失及抗壓強(qiáng)度損失。混凝土凝結(jié)時(shí)間測(cè)試采用手感法，以手指按感覺(jué)吃力為初凝時(shí)間點(diǎn)，手指按不動(dòng)為終凝時(shí)間點(diǎn)，混凝土凝結(jié)時(shí)間見(jiàn)表8，硬化混凝土性能見(jiàn)表9，摻納米材料混凝土耐久性見(jiàn)表10。由此可見(jiàn)：摻10%納米材料的混凝土凝結(jié)時(shí)間縮短，初凝縮短了25%，終凝縮短了50%，24 h強(qiáng)度增幅達(dá)87.5%，28 d強(qiáng)度增幅達(dá)30.9%且達(dá)到8 MPa。

表8 混凝土凝結(jié)時(shí)間表

表9 硬化混凝土性能表

表10 摻納米材料混凝土耐久性表

4.5 施工工效及經(jīng)濟(jì)效益分析

從2017年2月27日開(kāi)始，在左右洞出口進(jìn)行了納米材料的應(yīng)用，一共統(tǒng)計(jì)了62次噴護(hù)循環(huán)數(shù)據(jù)，共計(jì)噴射267.3 h、噴射進(jìn)尺189.3 m、方量為1 682.9 m3的混凝土。其中摻納米材料混凝土總共噴射111.3 m，用量為921.9 m3；基準(zhǔn)組噴射78 m，用量為761 m3。

通過(guò)一個(gè)月時(shí)間的數(shù)理統(tǒng)計(jì)，以單位延米需要的噴射混凝土量表征其材料節(jié)約量，以單位延米凈噴射時(shí)間表征其噴射工效，材料節(jié)約率分析情況見(jiàn)表11，噴射工效分析情況見(jiàn)表12。由此可見(jiàn)：摻納米材料噴射混凝土每延米少用材料15.2%，每延米凈噴射時(shí)間節(jié)約0.4 h，工效提高了27.4%。

表11 材料節(jié)約率分析表

表12 噴射工效分析表

5 結(jié) 語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明：在成都地鐵18號(hào)線(xiàn)5標(biāo)噴射混凝土中內(nèi)摻10%HB7-2W型納米材料，使混凝土直接回彈率降低15%以上，降幅達(dá)50%以上，一次噴射厚度達(dá)55 cm，施工工效提高27.4%；施工過(guò)程中的粉塵濃度降低幅度達(dá)47%，減少了對(duì)工人造成的粉塵危害；1 d強(qiáng)度超過(guò)10 MPa，增長(zhǎng)率超過(guò)80%，增加了安全性能；28 d強(qiáng)度相當(dāng)于增加了一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，增幅達(dá)30%；可以在普通水膠比情況下噴射出高耐久性混凝土，為噴射混凝土提供了一種高性能材料。