摻不同速凝劑的水工噴射混凝土試驗(yàn)研究

王賀楠

(盤錦禹泰水利工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，遼寧 盤錦 124200)

水工噴射混凝土是指噴濕機(jī)管道內(nèi)的混凝土在高壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下均勻地噴射于結(jié)構(gòu)受噴面上，從而達(dá)到短時(shí)間內(nèi)形成強(qiáng)度和自動(dòng)壓實(shí)的一種水工混凝土[1-2]。由于具有靈活性大、早期強(qiáng)度高、終凝時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，在水利襯砌等工程中水工噴射混凝土得到廣泛的應(yīng)用[3-4]。例如，水工隧洞開挖施工面臨著斷層破碎帶、高地應(yīng)力引起的巖爆及地下突涌水等工程地質(zhì)問題[5]。因此，為了實(shí)現(xiàn)引水隧洞的永久穩(wěn)定以及便捷、快速地開挖施工，必須改善強(qiáng)滲水、強(qiáng)巖爆等特殊洞段噴射混凝土性能。實(shí)踐表明[6-7]，將適量的速凝劑摻入水工噴射混凝土中，有利于降低層間的噴射時(shí)間間隔、提升潮濕含水巖層中使用噴射水工混凝土的適應(yīng)性、防止出現(xiàn)重力驅(qū)動(dòng)造成的脫落現(xiàn)象、降低回彈損失以及實(shí)現(xiàn)速凝快硬等。

目前，關(guān)于水利工程中速凝劑的應(yīng)用及其性能、制備、組成等研究取得了豐碩的成果，但對(duì)不同速凝劑的作用機(jī)理和特性尚不夠完善，速凝劑的盲目摻入還可能會(huì)導(dǎo)致許多的質(zhì)量問題[8-10]。鑒于此，文章探討了水工噴射混凝土的性能及其現(xiàn)場(chǎng)噴射技術(shù)要點(diǎn)，旨在為節(jié)約水工混凝土用量以及加快水利工程施工速度等提供一定技術(shù)支持。

1 原材料

1.1 速凝劑材料

根據(jù)《噴射混凝土用速凝劑》技術(shù)要求試驗(yàn)檢測(cè)3種不同速凝劑，所用儀器設(shè)備主要有微卡儀、壓力試驗(yàn)機(jī)等，速凝劑性能檢測(cè)結(jié)果，見表1。

表1 速凝劑性能檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)表明，3種速凝劑的細(xì)度、含水量、初凝與終凝時(shí)間、3d與28d抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)均達(dá)到合格品質(zhì)量要求，可以用于水工噴射混凝土試驗(yàn)研究。

1.2 水泥性能

一般地，水泥標(biāo)號(hào)的選擇以混凝土配制強(qiáng)度等級(jí)為主要依據(jù)，混凝土拌合過程中特別是大體積混凝土配制時(shí)會(huì)釋放大量熱量，為有效控制內(nèi)外溫差，降低混凝土收縮帶來的不利影響，對(duì)拌和物中的水泥用量必須實(shí)行嚴(yán)格的控制。試驗(yàn)選用渾河P·O 42.5級(jí)硅酸鹽水泥，水泥性能檢測(cè)結(jié)果，見表2。

表2 水泥性能檢測(cè)結(jié)果

結(jié)果顯示，渾河P·O 42.5級(jí)硅酸鹽水泥的物理、化學(xué)以及力學(xué)等性能指標(biāo)均符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以用于水工噴射混凝土試驗(yàn)研究。

1.3 粗細(xì)骨料、水

試驗(yàn)選用飽和面干狀態(tài)的粗、細(xì)骨料，采用拌和時(shí)間3min的自落式攪拌機(jī)，拌和用水為水廠供應(yīng)的自來水，經(jīng)檢測(cè)粗、細(xì)骨料品質(zhì)均符合《水工混凝土施工規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求。人工砂、碎石的基本性能指標(biāo)，見表3。

表3 人工砂、碎石的基本性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

2.1 配合比設(shè)計(jì)

綜合考慮混凝土彈性模量、抗?jié)B性、和易性及抗壓強(qiáng)度等因素，以《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》為基準(zhǔn)，采用全計(jì)算法合理設(shè)計(jì)混凝土配合比，確保混凝土具有較好的耐久性、抗?jié)B性和力學(xué)性能[11]。本試驗(yàn)擬選用無機(jī)納米材料、防鋼纖維等摻合料，采用雙摻的方式設(shè)計(jì)4個(gè)試驗(yàn)方案，通過對(duì)比試驗(yàn)分析對(duì)比不同方案的強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)以上原材料性能和試驗(yàn)?zāi)康模瑢?duì)于每種速凝劑均設(shè)計(jì)了4個(gè)試驗(yàn)方案，摻速凝劑試驗(yàn)方案，見表4。

表4 摻速凝劑試驗(yàn)方案

2.3 技術(shù)要點(diǎn)

為現(xiàn)場(chǎng)濕噴摻速凝劑水工混凝土的工藝流程，相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)如下：

1)噴頭移動(dòng)方式：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)噴射過程中應(yīng)考慮隧洞周邊圍巖松緊等實(shí)際情況緩慢地呈螺旋線型、8字型及S型移動(dòng)，保證噴射的洞壁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)厚度后移開，然后按先墻后拱、從下往上的順序逐步噴射到其它待噴面上；若表面存在較大的坑洼必須先用混凝土填平，待滿足要求后再調(diào)節(jié)成螺旋狀或S型緩慢均勻地移動(dòng)噴射相應(yīng)的部位，噴射過程中盡量減少現(xiàn)場(chǎng)回彈情況的發(fā)生；相鄰兩圈噴射時(shí)后圈必須壓前圈噴射面的一半噴射，每圈建議噴射4～5m。總體而言，就是要保證噴涂表面的光滑平整，為后期的洞壁施工提供有力條件。

2)回彈量控制：主要是指粗細(xì)骨料、鋼筋等障礙物與混凝土噴射碰撞后所掉落的混凝土量，鑒于影響回彈量大小的因素有水灰比、濕射機(jī)風(fēng)壓力、噴槍傾斜角度、粗細(xì)骨料粒徑、鋼筋使用量(直徑)和水泥用量等，所以回彈量在初噴時(shí)往往比較大，由于嵌入的粗骨料混凝土形成塑性層后會(huì)使得回彈量變小，故初次噴射厚度≥4cm。一般地，回彈料中的雜物較多而水泥用量很小，所以回彈料不宜用于二次噴射。

3)噴射角與距離：噴射時(shí)洞壁巖面需與噴嘴保持垂直，為了使得邊墻噴射過程中能夠方便地將混凝土噴射至已噴較厚的頂端，建議將噴嘴向下傾斜約10°，對(duì)隧洞頂部以直徑方向?yàn)闇?zhǔn)實(shí)行騙誰呢和，若格柵、鋼筋等障礙物覆蓋了受噴面，則可以適當(dāng)調(diào)整噴頭傾斜角度，但不宜過大；同時(shí)，還要防止角度過小致使受噴面拌和物出現(xiàn)滾動(dòng)，在形成波形噴面的情況下還會(huì)增大回彈量，所以混凝土噴射距離應(yīng)按照最高強(qiáng)度即最小回彈量來計(jì)算確定。噴射時(shí)，建議以料束較集中并結(jié)合回彈量最小為基本前提，一般不允許噴射距離超過0.5～1.0m，控制噴嘴處的風(fēng)閥處于0.3～0.5MPa的合理區(qū)間內(nèi)。

濕噴水工混凝土工藝流，見圖1。

圖1 濕噴水工混凝土工藝流程

2.4 結(jié)果分析

統(tǒng)計(jì)整理現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)結(jié)果，見表5。現(xiàn)場(chǎng)多次取樣結(jié)果表明，摻速凝劑的水工噴射混凝土抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，混凝土性能受不同速凝劑的影響差異較小。

表5 現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié) 論

文章探討了水工噴射混凝土性能及其現(xiàn)場(chǎng)噴射技術(shù)要點(diǎn)，結(jié)果顯示水工噴射混凝土性能受不同速凝劑的影響差異較小；速凝劑摻入量過高會(huì)失去速凝的作用，使得混凝土強(qiáng)度大大降低，而摻入量過低會(huì)導(dǎo)致已成型的水工混凝土回彈量偏高以及大范圍脫落，難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。因此，控制速凝劑現(xiàn)場(chǎng)噴射摻入量3%～5%為最佳，不同工程要結(jié)合實(shí)際情況經(jīng)試驗(yàn)調(diào)整后合理確定。