增黏劑在隧道工程噴射混凝土中的應用研究

楊彪

（中鐵十二局集團第三工程有限公司 山西太原 030024）

隨著國家現代化工程建設的標準化施工及砼實體質量要求越來越高，新材料新工藝也越來越多地研發出來，且應用在各種混凝土施工中。增黏劑又被稱為增效劑、抑制劑，是一種新型混凝土外加劑，在自密實混凝土和水下不分散混凝土中應用較多，今后在噴射混凝土中也會得到推廣。它能夠減少材料組分的分離率，提高水泥膠材的黏結力和黏聚性，提高混凝土勻質性和硬化性能。

工程概況：高原鐵路工程項目位于青藏高原的東南部，周邊山高谷深，地勢險要，高寒缺氧，高原低溫，熱量不足，高原強紫外線輻射，風沙大、溫差大等，氣候條件復雜，隧道工程掌子面大多面臨滲水或涌水現象，這無疑增加了初期支護結構物的施工難度，對于噴射混凝土工作性能進行研究是面臨的一個新的課題，引入增黏劑的應用能有效解決這一難題［1］。

1 濕噴混凝土施工技術

濕噴混凝土是利用濕噴機將速凝混凝土噴向隧道巖層表面或結構物工作面的技術，使巖石或結構物得到及時有效的支護。其憑借原材料來源廣泛、施工簡便、施工速度快、施工適用性強等優點，在隧道支護中得到了廣泛的應用，但噴射砼存在回彈率高、粉塵大、強度低的缺陷。因此，優化出性能良好的噴射砼，對隧道工程初期支護的早期強度、作業環境、人身健康和減少浪費具有重要意義。

2 研究增黏劑應用目的和意義

噴射混凝土為隧道工程初期支護最為常見的支護結構，通過濕噴機械臂摻入速凝劑將混凝土噴射至巖面，能快速凝固形成一層支護結構，從而為圍巖起到有效的支護作用。因此，要求噴射混凝土的一個重要性能就是與圍巖的附著性，或者說噴射混凝土與圍巖的附著強度，這就是隧道工程施作的初期支護。但普通噴射混凝土存在常見問題：回彈量大，拱頂或復水處噴上去后易剝落。目前，國內隧道施工通常采用濕噴機械臂施作，但技術不成熟，對噴射混凝土性能要求較高，現場容易堵管，通過加入增黏劑的噴射混凝土可以有效地改變這些弊端［2］。

3 增黏劑的技術性質

（1）增黏劑是通過選擇系列聚合物無堿增效劑進行優化改性的外加劑。

（2）噴射混凝土的黏性程度是影響回彈率的重要因素，在噴射混凝土中加入增黏劑，可有效降低施工過程中的回彈率。

（3）由于速凝劑會使水泥漿體結構凝結過快，造成混凝土中的孔隙無法得到填充，從而導致前期強度低，且后期強度損失嚴重。因此，增黏劑可促進C3S（硅酸三鈣）水化析出水化硅酸鈣［C-S-H（CaOx.SiO2.（H2O）y）］凝膠的物質，以及時填充空隙。

4 增黏劑的作用機理

AFt——棒狀鈣礬石，互接形成“微鋼筋”網狀結構，如圖1至圖4所示。

圖1 加增黏劑前

圖2 加增黏劑1h

圖3 加增黏劑1d

圖4 加增黏劑28d

Mg（OH）2——為C-S-H 凝膠的形成提供晶核，促進C-S-H大量結晶。

C-S-H——CaOx.SiO2.（H2O）y凝膠填充空隙，使得漿體結構致密，保證強度。

（1）增黏劑水溶性高，分子鏈較長，在與水泥混合時伸展開來，起到了增黏作用，使新拌的混凝土具有觸變性，可減少噴射時的回彈［3］。

（2）在高分子鏈上帶有3種不同基因，可起到不同作用。在水泥剛與水混合時，水泥顆粒表面帶正電荷，高聚合物所帶陰離子基因可與水泥粒子相互吸引，加速水泥顆粒的凝聚。酰胺基因是親水性基因，分布在水泥粒子的外層，有保水潤濕作用，可形成一種絮凝結構，阻止水泥粒子飛散形成粉塵。但是，這種絮狀結構會包裹過量的水，影響水泥水化，加入的第三基因則是要適當破壞這種絮凝結構，使水分子免受束縛，從而可以進行正常的水化反應，不至于因加入增黏劑影響各齡期強度。

（3）保證混凝土長期強度不受影響。因為高分子鏈上的陰離子基因可與水泥漿中存在的鎂、鈣等二價金屬離子發生反應，形成了不溶于水的交聯網狀結構。

5 增黏劑在隧道工程噴射混凝土中的應用

5.1 增黏劑應用效果

通過摻加液體增黏劑來優化噴射混凝土配合比，降低噴射混凝土回彈率，且摻加增黏劑后，噴射混凝土實際用量為原配合比實際用量的82%，施工工期可縮短4.5%的時間，切實達到了提質增效的作用。加增黏劑后，初期支護的外觀質量、回彈率及作業環境都得到了顯著的改善［4］。

5.2 噴射混凝土強度試驗

試驗室數據表明，摻加5%摻量增黏劑的噴射混凝土每方混凝土速凝劑摻量相應減少2%，且混凝土24h強度提高5.3MPa，試驗強度如表1所示。

表1 強度數據表

5.3 現場噴射混凝土回彈率檢測

噴射混凝土在生產過程中，水泥、砂、石、減水劑、拌和水均采用S180 強制式攪拌機智能系統計量投料攪拌，檢測拌合物性能，罐車運輸至施工現場。噴射混凝土用增黏劑采用自吸泵自動投料進入水秤進行計量。現場噴射砼回彈率檢測數據如表2所示。

表2 現場噴射砼回彈率檢測數據表

根據現場實測噴射回彈率比較，用普通噴射混凝土測得回彈率3次平均值為（30%+31%+29%）/3=30%；摻加增黏劑后，測得回彈率3 次平均值為（5.9%+8.3%+5.5%）/3=6.6%，得到了明顯的改善和降低。

5.4 增黏劑的應用優勢

添加增黏劑的優點有：（1）回彈量小于10%，降低了成本，且縮短工期；（2）早期強度大于10MPa，滿足規范要求；（3）28d 強度（后期強度）保留率大于90%；（4）新型增黏劑無腐蝕，施工環境友好，對施工人員身體傷害小。

6 增黏劑在噴射混凝土中性能研究

摻增黏劑噴射混凝土配合比設計如表3所示。

表3 摻增黏劑噴射混凝土配合比設計參數表

6.1 改善混凝土工作性能

通過試驗表明，加入增黏劑后，與普通噴射混凝土相比，增黏劑明顯改善了噴射混凝土拌合物的工作性、穩定性，對混凝土結構的勻質性非常有利，可以保障混凝土結構強度和耐久性，最主要的功效還在于提高了噴射混凝土拌合物的工作性能，并確保噴射混凝土具有良好和易性，在施作時減少了堵管概率，節約了工作時間和降低了人工成本［5］。

增黏劑摻入噴射混凝土中，使混凝土黏度增加，賦予其觸變性，降低了混凝土流動性，即當剪切力達到一定程度時才可以流動，這種性能隨著增黏劑摻量的增大，坍落度隨著減小，但不影響砼澆筑性能，能夠明顯減少砼離析、泌水現象。

6.2 提高速凝劑與噴射砼水化速度，減少凝結時間

對于噴射砼施工，凝結時間會在很大程度上影響混凝土的應用性能，噴射砼在保持一個較快的凝固速度下可更有效地起到支護作用。加入增黏劑后，初凝時間控制在50～80s，終凝時間控制在1～3min，有效地扼制了噴射砼因自重導致的掉落［6］。

6.3 降低噴射回彈量

加入增黏劑后的噴射混凝土凝結時間較快，可以有效地減少回彈量，回彈率基本可以控制在10%以內，有效地控制噴射混凝土的超耗，并比單摻速凝劑噴射砼的綜合成本得到了節約，在噴射混凝土施工過程中，可以有效抑制混凝土噴上去掉塊現象，減少二次補噴引起的不密實風險，加快了每循環施作時間。

6.4 提高噴射混凝土早期強度

從現場噴射砼施工配合比數據比對情況可以看出，摻加增黏劑后，每方噴射混凝土速凝劑和減水劑的用量都明顯減少，且噴射混凝土的早期強度不降反增。

7 增黏劑應用的經濟效益

摻加增黏劑的噴射混凝土每方混凝土速凝劑用量相應減少2%。用普通配合比噴射混凝土實測回彈率為30%左右；摻加增黏劑后，測得3次實測回彈率分別為5.9%、8.3%、5.5%，回彈率平均值為6.6%，回彈率大大降低，洞內環境進一步改善。

噴射混凝土在加入增黏劑后，不僅解決了混凝土超耗問題，還極大地節約了混凝土的用量及外加運輸和人工機械成本，同時縮短了施工工期，降低了混凝土回彈率，提高了噴射混凝土強度，優化了作業面的作業環境，因工期提前帶來了成本和經濟效益。

8 結語

中國鐵路在“十三五”期間按下了發展“加速鍵”，為貫徹落實黨中央、國務院決策部署，圍繞將高原鐵路工程建成“精品工程、安全工程、綠色工程、創新工程、廉潔工程”要求，在科學施工、安全施工、綠色施工高質量推進工程建設等方面譜寫新時代鐵路高質量發展的新篇章。因此，智能化新材料、新技術、新工藝等應用不斷創新，在工程建設中的各種難題不斷被攻克。本文中關于增黏劑在高原鐵路隧道噴射砼中的應用得到了很好的施工效果，不僅在工藝上得到了很大的改觀，在工作環境上得到了顯著的優化，在突水、突泥等惡劣的隧道地質條件下遏制了掉塊現象，提高了人身、設備、財產質量安全保障，更重要的是，有效地降低了砼回彈率，縮短了施工時間，促進了經濟效益，為建設“五優”工程奠定了堅實基礎。