水利工程噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)與施工工藝試驗(yàn)

陳 剛

（中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 301700）

0 引言

噴射混凝土是指將混凝土的運(yùn)輸、澆筑和振搗工作集為一體的施工方法。其由于操作簡單便捷，具有一定的靈活性，已經(jīng)廣泛運(yùn)用在交通隧道、水工隧道和洞室等地下工程中。現(xiàn)階段，現(xiàn)場施工一般采用濕噴或者潮噴的施工工藝進(jìn)行施工，借助轉(zhuǎn)子活塞式濕噴機(jī)來對空氣進(jìn)行壓縮，物料在管道中進(jìn)行流動然后傳送到噴嘴處，直接進(jìn)行噴出。轉(zhuǎn)子活塞式濕噴機(jī)含有兩套輸送系統(tǒng)，一套是混凝土輸送系統(tǒng)，使用混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌之后輸送到噴射機(jī)的料斗內(nèi)，借助喂料系統(tǒng)將物料均勻分配然后輸送到氣料混合倉內(nèi)，借助高壓風(fēng)將其進(jìn)行充分混合，然后到達(dá)噴嘴；另一套系統(tǒng)是液體速凝劑添加系統(tǒng)，根據(jù)液體速凝劑的添加量來對計(jì)量泵的流量進(jìn)行調(diào)整，計(jì)量泵泵出的液體與高壓風(fēng)進(jìn)行均勻混合之后轉(zhuǎn)化為霧化的狀態(tài)輸送到噴嘴混合環(huán)中與混凝土進(jìn)行充分混合，最終從噴嘴噴到施工面上[1]。在施工過程中，為了確保工程質(zhì)量，需要對混凝土的配比進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，從而確定最佳的施工參數(shù)。

本文結(jié)合瑪爾擋水電站哈德黑溝排洪洞工程，就噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)與施工工藝試驗(yàn)進(jìn)行分析。

1 工程概況

瑪爾擋水電站壩址位于青海省瑪沁縣拉加鎮(zhèn)上游約5km 的黃河干流上，左岸為果洛州瑪沁縣，右岸為海南州同德縣，距上游規(guī)劃的寧木特水電站約80km，距下游規(guī)劃的爾多水電站約33km。西寧~果洛省道（S101）通過壩址右壩肩，距西寧市公路里程約363km，對外交通便利。工程規(guī)模為I等大（1）型，樞紐建筑物主要由面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪洞和右岸地下廠房引水發(fā)電系統(tǒng)組成。水庫正常蓄水位3275m，電站裝機(jī)容量為2200MW，多年平均發(fā)電量72.202億kW·h。

瑪爾擋水電站哈德黑溝排洪洞工程位于壩址區(qū)黃河右岸，全長1255.06m，排洪洞斷面為城門洞型，斷面尺寸為3.0m×3.5m。排洪洞工程施工過程中，隧洞的一次支護(hù)采用噴射混凝土的施工技術(shù)進(jìn)行施工，為了保證施工質(zhì)量，需要合理確定混凝土的配合比和施工參數(shù)，并控制好施工中的重點(diǎn)。

2 配合比設(shè)計(jì)

混凝土的強(qiáng)度為C20，按照實(shí)際的混凝土配合比來進(jìn)行設(shè)計(jì)，對原材料的性能進(jìn)行檢測，從而選擇出最佳的混凝土配合比。混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1所示。

表1 混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 原材料

2.1.1 水泥

配合比試驗(yàn)采用青海祁連山有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，水泥物理力學(xué)指標(biāo)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007），經(jīng)檢驗(yàn)，水泥的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，檢驗(yàn)結(jié)果見表2所示。

表2 水泥物理力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 細(xì)骨料

配合比試驗(yàn)的細(xì)骨料為水電三局瑪爾擋篩分廠生產(chǎn)，參照《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5144-2001）對細(xì)骨料各性能指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表3所示。

表3 細(xì)骨料檢驗(yàn)結(jié)果(人工)

2.1.3 粗骨料

配合比試驗(yàn)的粗骨料為水電三局瑪爾擋篩分廠生產(chǎn)，參照《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5144-2001）對粗骨料進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表4所示。

表4 粗骨料檢驗(yàn)結(jié)果（人工）

2.1.4 外加劑

（1）水泥與減水劑適應(yīng)性及減水劑最優(yōu)摻量選擇試驗(yàn)。

采用水泥凈漿流動度方法進(jìn)行水泥與外加劑適應(yīng)性及最優(yōu)摻量試驗(yàn)；JQ-A1 高效減水劑、JQ-A1 高效減水劑按0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%等5個(gè)摻量進(jìn)行試驗(yàn)。JQ-A1高效減水劑與祁連山P·O42.5水泥的適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果見圖1所示。

圖1 祁連山水泥與JQ-A1適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，隨著JQ-A1高效減水劑摻量的增加，水泥凈漿流動度有不同幅度的增長，當(dāng)其摻量達(dá)到1.0%時(shí)，水泥凈漿流動度達(dá)到峰值，以后隨著摻量的增加水泥凈漿流動度反而降低，因此JQ-A1高效減水劑最佳摻為1.0%量。

（2）外加劑性能檢測。

對青海省西寧遠(yuǎn)艦建筑材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的JQ-A1高效減水劑，依據(jù)《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5100-1999）進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，JQ-A1 高效減水劑所檢驗(yàn)的項(xiàng)目指標(biāo)滿足“高效減水劑”標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 減水劑檢驗(yàn)結(jié)果

（3）速凝劑性能檢測。

對北京金盾建筑材料有限公司生產(chǎn)的JD-13 型粉狀速凝劑和JD-12液體速凝劑，依據(jù)JC 477-2005《噴射混凝土用速凝劑》進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果（見表6所示）表明JD-13型粉狀速凝劑和JD-12液體速凝劑相關(guān)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 速凝劑檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 最優(yōu)砂率選擇試驗(yàn)

進(jìn)行砂率優(yōu)選試驗(yàn),控制用水量與膠凝材料用量不變，檢驗(yàn)拌制混凝土拌合物和易性的各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果見表7所示。

表7 用水量及砂率試拌試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，控制膠凝材料460kg/m3，用水量198kg/m3時(shí)，當(dāng)砂率為53%時(shí)，所試拌的混凝土各項(xiàng)指標(biāo)較好，確定濕噴混凝土的最優(yōu)砂率為53%。

2.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.3.1 混凝土配制強(qiáng)度

依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5330-2005），混凝土配制強(qiáng)度按下式計(jì)算。

式中：?cu，0——混凝土配制強(qiáng)度，MPa；

?cu，k——混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，MPa；

t——概率度系數(shù)；當(dāng)設(shè)計(jì)齡期為28d時(shí)，抗壓強(qiáng)度保證率P為95%。

σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差σ值見表8所示。配制強(qiáng)度計(jì)算見表9所示。

表8 標(biāo)準(zhǔn)差σ值

表9 混凝土配制強(qiáng)度

依據(jù)《水電水利工程噴錨支護(hù)施工規(guī)范》（DL/T5181-2003）對各類噴射混凝土的水泥、砂石和水的比例進(jìn)行噴射混凝土的設(shè)計(jì)和試拌。比例見表10所示。

表10 各類噴射混凝土的水泥、砂石和水的比例

2.3.2 噴射混凝土水灰比與強(qiáng)度的關(guān)系

采用祁連山P·O42.5水泥，根據(jù)配制強(qiáng)度選擇不同水膠比進(jìn)行混凝土水膠比-強(qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)。試驗(yàn)編號RSR-01~RSR-02 為干噴混凝土試噴配合比，速凝劑采用北京金盾建筑材料有限公司生產(chǎn)的JD-13 型粉狀速凝劑；試驗(yàn)編號RSR-03~RSR-04 為濕噴混凝土試噴配合比，速凝劑采用北京金盾建筑材料有限公司生產(chǎn)的JD-12液體速凝劑和青海省西寧遠(yuǎn)艦建筑材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的JQ-A1高效減水劑，混凝土試噴配合比及其抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表11所示。

表11 混凝土拌合物性能與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3.3 選定施工配合比

根據(jù)所拌制的混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，對施工配合比進(jìn)行選定，選定結(jié)果見表12所示。

表12 施工配合比選定結(jié)果

2.4 推薦混凝土施工配合比

綜合混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果，所選定的施工配合比均滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)以往工程混凝土配合比設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，推薦混凝土施工配合比，見表13所示。

表13 黃河瑪爾擋水電站哈德黑溝排洪洞混凝土施工配合比

3 試驗(yàn)段混凝土噴射施工

3.1 試驗(yàn)場地布置

在現(xiàn)場的洞口進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)分干噴射和濕噴射2個(gè)方案，每個(gè)試驗(yàn)方案所占有的現(xiàn)場施工面積為6m2。由于現(xiàn)場施工的洞室面積較大，為了更好地進(jìn)行施工試驗(yàn)，需要進(jìn)行腳手架的搭設(shè)，并且鋪設(shè)跳板。

3.2 施工工藝試驗(yàn)

3.2.1 施工工藝

濕噴法噴射混凝土施工主要包含以下幾方面的內(nèi)容：前期的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作、混凝土的拌制和運(yùn)輸、混凝土的噴射作業(yè)等[2]。噴射混凝土施工工藝流程如圖2所示。

圖2 混凝土濕噴法施工工藝流程

在噴射混凝土之前需要做好前期準(zhǔn)備工作，主要包含混凝土的配合比、材料的準(zhǔn)備、技術(shù)支持、試驗(yàn)場地的確定和安裝噴射混凝土厚度控制標(biāo)識等工作。

3.2.2 噴射混凝土的拌制和運(yùn)輸

采用型號為HZD80的強(qiáng)制式拌合機(jī)來對噴射混凝土進(jìn)行攪拌。在進(jìn)行拌合前需要對原材料進(jìn)行嚴(yán)格的稱重，將誤差控制在允許范圍內(nèi)。

采用型號為NISSAN的混凝土攪拌運(yùn)輸車來進(jìn)行噴射混凝土的運(yùn)輸。在運(yùn)輸過程中，需要對噴射混凝土進(jìn)行攪拌，確保不會出現(xiàn)接團(tuán)、粘連的現(xiàn)象，運(yùn)送的距離大約為1km。在現(xiàn)場的施工試驗(yàn)中，需要對各個(gè)工序之間的聯(lián)系進(jìn)行加強(qiáng)，避免混凝土在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)長時(shí)間停放的現(xiàn)象。此外，混凝土在進(jìn)運(yùn)輸過程中需要避免淋雨或者雜物混入，在進(jìn)行喂料之前需要進(jìn)行過篩處理，對有可能存在的雜質(zhì)進(jìn)行剔除。

3.2.3 混凝土噴射試驗(yàn)

在混凝土進(jìn)行噴射前，需要采用高壓水槍將圍巖周圍的噴射面進(jìn)行充分沖洗，并且保持圍巖濕潤，然后用砂漿將料斗和輸料管道進(jìn)行濕潤，噴射機(jī)的工作風(fēng)壓控制在0.1~0.2MPa 之間，通過對風(fēng)壓的調(diào)節(jié)來控制回彈率，減少粉塵的飛揚(yáng)。噴槍嘴到受噴面之間的距離控制在0.6~1.0m之間，并且盡量將噴槍嘴與受噴面保持90°。在進(jìn)行噴射作業(yè)時(shí)一般采用先墻后拱、從下向上的順序來進(jìn)行作業(yè)，噴頭直徑為20~25cm圓圈繞動并且按照螺旋形路線的順序進(jìn)行施工作業(yè)。在噴射凹凸不平的平面時(shí)，首先對凹面進(jìn)行噴射，然后再對其他的部分進(jìn)行噴射。如果一次的噴射厚度不符合施工要求，則可以進(jìn)行分層噴射，第一次噴射的厚度為不產(chǎn)生墜落為宜；第二次噴射需要在第一次噴射的混凝土凝結(jié)之后再進(jìn)行，如果兩次噴射時(shí)間間隔超過1h，則需要對第一次噴涂表面上的雜質(zhì)進(jìn)行沖洗，方可進(jìn)行第二次噴射。由計(jì)量泵來進(jìn)行速凝劑的噴射，使用濕噴機(jī)振動篩來進(jìn)行混凝土的供料，這樣可以避免管道的堵塞。在噴層凝結(jié)2h后，需要進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，在14d內(nèi)應(yīng)該確保噴層表面保持濕潤的狀態(tài)。對于噴射工程量大的施工現(xiàn)場，需要設(shè)置有專業(yè)的人員來進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[3]。當(dāng)外界氣溫低于5℃時(shí)，不得進(jìn)行噴水，必要時(shí)還需要對噴射面采取保溫處理。對外表光滑、美觀度有要求的洞段，在噴層初凝之后，使用刮刀將多余的部分除去，并且對其表面進(jìn)行處理。

4 試驗(yàn)段檢測分析

4.1 回彈率的測定

回彈率檢測方法為，在圍巖上劃出面積為2m2的試驗(yàn)塊，在地上鋪設(shè)彩條布來收集回彈料，回彈料的重量與噴射料的重量比為回彈率。回彈量試驗(yàn)成果見表14所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，濕噴射混凝土回彈量降低。

表14 不同方案回彈量試驗(yàn)結(jié)果

4.2 一次噴射混凝土厚度試驗(yàn)

混凝土噴射到圍巖上之后，受到重力的作用，在混凝土厚度達(dá)到一定的厚度時(shí)，會出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。為了檢驗(yàn)混凝土在圍巖上的噴射厚度，需要將測針插入圍巖周圍。具體試驗(yàn)結(jié)果見表15所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，噴射厚度最高的為濕噴射混凝土。

表15 一次噴射混凝土厚度試驗(yàn)結(jié)果

5 噴射混凝土最終的施工參數(shù)

經(jīng)過現(xiàn)場噴射試驗(yàn)和成果檢測分析，最終確定施工工藝參數(shù)為：

（1）風(fēng)壓：邊墻的噴射壓力為0.18~0.2MPa；拱起部分的噴射壓力為0.15~0.17MPa；

（2）砂漿泵性能：輸送能力超過4m3/h；

（3）噴射距離：拱部噴射距離為0.8~1.0m，邊墻噴射距離為0.6~0.7m；

（4）噴射角度：噴槍嘴與受噴面呈90°；

（5）一次噴射厚度：控制在90~110mm；

（6）養(yǎng)護(hù)：噴層終凝2h后，在外界溫度在5℃以上需要噴水養(yǎng)護(hù)14d；

（7）混凝土拌合物的坍落度：宜控制在（14±2）cm。

6 結(jié)束語

綜上所述，在進(jìn)行噴射混凝土施工時(shí)受工程特點(diǎn)、原材料差異、機(jī)械設(shè)備差異、工程環(huán)境差異等因素的影響，不同地區(qū)噴射混凝土施工參數(shù)存在比較大的差異。為了保證工程施工質(zhì)量，需要根據(jù)工程的具體情況，通過試驗(yàn)確定施工參數(shù)。該工程按照上述參數(shù)施工后取得了良好的施工效果，值得類似工程借鑒和參考。