噴射混凝土的室內(nèi)檢測(cè)方法及性能試驗(yàn)研究

汪在芹，石 妍，李家正，閆小虎

(長(zhǎng)江科學(xué)院水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

近年來(lái)，噴射混凝土技術(shù)以它簡(jiǎn)便的工藝、獨(dú)特的效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)，廣泛應(yīng)用于礦山井巷、水利水電、鐵路隧道等工程建設(shè)中。噴射混凝土是借助噴射機(jī)械，利用壓縮空氣或其他動(dòng)力，將按一定比例配合的拌合料，通過(guò)管道輸送并以高速?lài)娚涞绞車(chē)娒嫔夏Y(jié)硬化而成的一種混凝土。噴射混凝土的性能一直備受關(guān)注，因其關(guān)系到工程質(zhì)量、施工效率及工程造價(jià)等。新型材料的應(yīng)用，可以改善噴射混凝土的性能，促進(jìn)噴射混凝土的技術(shù)發(fā)展，其研究和應(yīng)用成為焦點(diǎn)。本文采用自設(shè)計(jì)的室內(nèi)濕噴混凝土性能檢測(cè)方法，開(kāi)展復(fù)合外加劑及合成粗纖維噴射混凝土的性能試驗(yàn)研究，包括力學(xué)性能、抗裂性、與圍巖粘結(jié)強(qiáng)度、回彈率及一次噴層厚度，試驗(yàn)方法及測(cè)試結(jié)果可為噴射混凝土的室內(nèi)研究及檢測(cè)提供技術(shù)參考。

1 原材料及配合比

水泥:乃托42.5普通硅酸鹽水泥，物理性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1;細(xì)骨料:大理巖人工砂，細(xì)度模數(shù)2.3;粗骨料:5～10mm的人工米石;復(fù)合外加劑:主要由納米SiO2和減水劑組成，體積平均粒徑D［4，3］為150 nm，減水率30.7%;速凝劑:初凝時(shí)間 5 min，終凝時(shí)間9 min;增韌型聚丙烯合成粗纖維(簡(jiǎn)稱(chēng)粗纖維):當(dāng)量直徑146μm，公稱(chēng)長(zhǎng)度36.86mm。

通過(guò)前期試驗(yàn)研究?jī)?yōu)選出的噴射混凝土配合比及拌和物性能見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，摻入復(fù)合外加劑的兩組混凝土含氣量均稍高。

2 試驗(yàn)方法

采用室內(nèi)濕法噴射混凝土，噴射方法參照GB/T50086—2001相關(guān)規(guī)定，噴射方向與受?chē)娒娲怪保瑖娚渚嚯x控制在0.8 m左右。在噴射過(guò)程中，液態(tài)速凝劑由噴槍出口處的導(dǎo)管定量泵送。噴射順序?yàn)閺淖笾劣?、自下而上?/p>

關(guān)于室內(nèi)噴射混凝土的性能檢測(cè)方法，我國(guó)還沒(méi)有制定專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)，本檢測(cè)方法為自行設(shè)計(jì)。采用噴大板切割的方法檢測(cè)噴射混凝土的力學(xué)性能。成型的大板鋼模尺寸為1 000mm×500mm×100mm，切割的抗壓試件為100mm×100mm×100mm，抗彎試件為400mm×100mm×100mm，力學(xué)性能測(cè)試依據(jù)SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定。

表1 水泥物理性能檢測(cè)結(jié)果Table 1 Physical properties of cement

表2 噴射混凝土試驗(yàn)配合比及拌和物性能Table 2 Mix proportions of shotcrete(by mass)

采用平板法測(cè)試噴射混凝土的抗裂性，參照CCES 01—2005《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》的規(guī)定，試驗(yàn)裝置的試模尺寸為600mm×600mm×63mm，由放置在周邊的L形鋼筋網(wǎng)提供約束，試模內(nèi)部底面上鋪一層塑料薄膜以減少對(duì)混凝土的約束。試件噴射完成后，抹平，立即置入溫度25℃ ±2℃，相對(duì)濕度60% ±5%的環(huán)境中，用風(fēng)扇吹混凝土表面，記錄試件開(kāi)裂情況。

噴射混凝土與圍巖軸拉粘結(jié)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法是:將現(xiàn)場(chǎng)取樣的巖石加工成100mm×100mm×50mm的尺寸，垂直橫置在混凝土翼型軸拉試模的正中間，試模規(guī)格見(jiàn)SL 352—2006。噴射過(guò)程中保持石塊固定，待混凝土完全充滿并覆蓋試模，停止噴射，立即平模、編號(hào)，在養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至24 h拆模，按照SL 352—2006的方法進(jìn)行觀測(cè)。

噴射混凝土的回彈率的設(shè)計(jì)方法是:首先模擬現(xiàn)場(chǎng)圍巖拱頂，搭建高約2.5 m的腳手架，頂部鋪設(shè)1 m×1 m的鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)與地面呈45°，且上方布滿80～150mm的大石。腳手架下方的地面上鋪設(shè)防水布，以收集噴射過(guò)程中自拱頂?shù)涞幕炷?。持續(xù)向拱頂噴射，并觀察混凝土與拱頂?shù)恼辰Y(jié)與跌落情況，當(dāng)?shù)涞幕炷帘壤_(kāi)始明顯增多時(shí)，停止噴射，測(cè)量噴層厚度并計(jì)算回彈率，取2次試驗(yàn)的平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)性能

單摻復(fù)合外加劑的噴射混凝土、復(fù)摻復(fù)合外加劑和粗纖維的噴射混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，噴射混凝土的變形－荷載曲線見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)結(jié)果表明:復(fù)摻復(fù)合外加劑與粗纖維，可提高噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度;復(fù)摻對(duì)噴射混凝土的抗彎強(qiáng)度及初裂強(qiáng)度沒(méi)有提高效果，但可顯著增加彎曲韌度指數(shù)和等效抗彎強(qiáng)度。單摻復(fù)合外加劑的噴射混凝土開(kāi)裂即破壞，初裂縫也就是貫穿裂縫，荷載－變形曲線的下降段比較陡，下降很快;而復(fù)合外加劑與粗纖維復(fù)摻的噴射混凝土初裂后仍能承受沖擊力，荷載－變形曲線的下降段變緩，彎曲韌性較好。

復(fù)合外加劑主要由納米硅粉組成，隨著顆粒的細(xì)化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了宏觀物質(zhì)材料所不具有的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)［1］。而粗纖維兼顧鋼纖維和合成纖維的特點(diǎn)，耐腐蝕、易分散、易施工，且表面經(jīng)特殊處理，與混凝土粘結(jié)性強(qiáng)。因此，復(fù)合外加劑可細(xì)化噴射混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，減少大孔比例，增加小孔含量，而合成粗纖維與混凝土之間有良好的握裹力，對(duì)噴射混凝土基體裂縫有橋接能力，兩者復(fù)摻可提高混凝土的力學(xué)性能和彎曲韌性。同時(shí)，噴射混凝土的性能還受施工工藝和機(jī)械設(shè)備等因素影響。

圖1 噴射混凝土的變形-荷載曲線Fig.1 Curve of deformation vs.load of shotcrete

3.2 抗裂性能

噴射混凝土抗裂性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。試驗(yàn)結(jié)果表明:單摻復(fù)合外加劑的噴射混凝土的開(kāi)裂時(shí)間早，平均開(kāi)裂面積大，單位面積的裂縫數(shù)目大，單位面積的開(kāi)裂面積大，最大裂縫寬度大，平板抗裂性等級(jí)評(píng)價(jià)為Ⅳ級(jí);復(fù)摻復(fù)合外加劑和粗纖維的噴射混凝土，平板抗裂性等級(jí)評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí)，復(fù)摻對(duì)噴射混凝土的抗裂性有利。

3.3 與圍巖軸拉粘結(jié)強(qiáng)度

表3 粗纖維噴射混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果(28 d)Table 3 Test results of mechanical properties of crude fiber shotcrete(28 d)

噴射混凝土施工性能的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。試驗(yàn)結(jié)果表明:2組配合比拌和物性能相當(dāng)?shù)那闆r下，噴射混凝土與圍巖28 d齡期軸拉粘結(jié)強(qiáng)度均在

1.0MPa以上，達(dá)到Ⅰ類(lèi)巖石的技術(shù)要求［2］，且復(fù)合外加劑與粗纖維復(fù)摻后，粘結(jié)強(qiáng)度值有所提高。

表4 噴射混凝土抗裂性能測(cè)試結(jié)果(平板法)Table 4 Test results of crack resistances of shotcrete(flat band method)

表5 噴射混凝土施工性能試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of construction performances of shotcrete

GB/T50086—2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》與DL/T 5181—2003《水電水利工程噴錨支護(hù)施工規(guī)范》，都在附錄中列出了3種噴射混凝土與圍巖粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)方法，即預(yù)留試件拉拔法、現(xiàn)場(chǎng)鉆芯拉拔法、噴大板室內(nèi)劈拉法。

相比而言，預(yù)留試件拉拔法有操作麻煩、挖環(huán)形槽難度大、埋拉桿難以保證不偏心等問(wèn)題［3］?，F(xiàn)場(chǎng)鉆芯拉拔法的芯樣損傷大、安裝拉力架與膨脹螺栓存在偏心，且取芯成功率低，得到的軸拉粘結(jié)強(qiáng)度偏低。而噴大板室內(nèi)劈拉法容易操作，只要保證巖石噴射面表面平整、加工厚度均勻，但噴射混凝土與巖石結(jié)合面不可能做到在劈拉試驗(yàn)時(shí)完全在同一垂直面上，多少存在剪切現(xiàn)象，因此，得到的劈拉粘結(jié)強(qiáng)度偏高［4］。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的噴射混凝土與圍巖軸拉粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法，操作簡(jiǎn)單、成功率高、測(cè)試值可信，適合于室內(nèi)濕噴混凝土的試驗(yàn)條件。

3.4 回彈率與一次噴層厚度

噴射拱頂?shù)脑囼?yàn)結(jié)果在表5中，落到地面混凝土重量占總噴射混凝土重量的比例就是噴射混凝土回彈率。試驗(yàn)結(jié)果表明:2組配合比的噴射混凝土回彈率分別為23%和20%，一次噴層厚度分別為22cm和25cm;回彈率和一次噴層厚度是2個(gè)對(duì)立指標(biāo)，前者大則后者小，前者小則后者大;復(fù)合外加劑與粗纖維復(fù)摻的混凝土回彈率低，一次噴層厚度大;噴射過(guò)程中混凝土泵送順暢無(wú)堵管及流漿現(xiàn)象，噴射效果好，表明混凝土配合比設(shè)計(jì)合理，拌和物性能良好。

關(guān)于噴射混凝土回彈率與一次噴層厚度的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。本試驗(yàn)方法模擬現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，施工方便快速，噴射質(zhì)量高。通過(guò)混凝土回彈率、一次噴層厚度及混凝土均勻性等指標(biāo)，可綜合比較不同配合比的噴射混凝土的施工性能。但有資料顯示［5］，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的濕法噴射混凝土回彈率約20%，摻入復(fù)合外加劑后，綜合回彈率降低至10%以下，一次噴射厚度可達(dá)到30cm。因此，室內(nèi)試驗(yàn)的模擬噴射試驗(yàn)，混凝土的回彈率普遍較現(xiàn)場(chǎng)高，這是由于室內(nèi)場(chǎng)地及試驗(yàn)機(jī)械設(shè)備的限制所致。

在試驗(yàn)條件一定的情況下，噴射混凝土的回彈率與混凝土自身的黏聚性有關(guān)。黏聚性是運(yùn)動(dòng)流體的一種宏觀屬性，指液體受外力作用移動(dòng)時(shí)，分子間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力的量度。按照牛頓黏性定律分析，新拌混凝土的黏聚性越好，則黏性系數(shù)越高，內(nèi)摩擦力越大，噴射至拱頂后，在其自身黏聚力和速凝劑的共同作用下，能夠抵抗重力作用而不跌落，則回彈率就越低，噴層越厚，噴射效果越好。復(fù)合外加劑和粗纖維復(fù)摻，可以增加混凝土的黏聚性和內(nèi)聚力，所以配合比J2的回彈率較低。

4 結(jié)論

采用自設(shè)計(jì)的室內(nèi)濕噴混凝土性能檢測(cè)方法，開(kāi)展噴射混凝土的力學(xué)、抗裂及施工性能的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)拌和物性能相當(dāng)時(shí)，復(fù)摻復(fù)合外加劑與粗纖維可顯著提高噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、彎曲韌性和抗裂性能。

(2)單摻復(fù)合外加劑和復(fù)摻復(fù)合外加劑與粗纖維的噴射混凝土，與圍巖軸拉粘結(jié)強(qiáng)度均在1.0MPa以上，且復(fù)摻的強(qiáng)度較高。

(3)2組配合比的噴射混凝土回彈率分別為23%和20%，一次噴層厚度分別為22cm和25cm，復(fù)合外加劑和粗纖維復(fù)摻，可增加混凝土的黏聚性和內(nèi)聚力，降低回彈率。

［1］王景賢，王立久.納米材料在混凝土中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.混凝土，2004，(11):18－21.(WANG Jing-xian，WANG Li-jiu.Advances in the Applied Research of Nano-material in Concrete［J］.Concrete，2004，(11):18－21.(in Chinese))

［2］GB 50086—2001，錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.(GB 50086－2001，Specification for Bolt-Shotcrete Support［S］.(in Chinese))

［3］黃國(guó)興，劉燕波，柳華英，等.對(duì)預(yù)留試件拉拔法檢測(cè)粘結(jié)強(qiáng)度的改進(jìn)建議［J］.水力發(fā)電，2008，(2):78－80.(HUANG Guo-xing，LIU Yan-bo，LIU Hua-ying，et al.Improving Suggestion for Beforehand Saving Sample Pull-out Method Check Measurement Bond Strength［J］.Water Power，2008，(2):78－80.(in Chinese))

［4］黃國(guó)興，陳文耀，尹俊宏.噴射混凝土與圍巖粘結(jié)強(qiáng)度合理指標(biāo)的探討［J］.水力發(fā)電，2007，3(2):78－80.(HUANG Guo-xing，CHEN Wen-yao，YIN Jun-hong.Discussions on the Rational Index of Bond Strength of Shotcrete and Adjoining Rock［J］.Water Power，2007，3(2):78－80.(in Chinese))

［5］陳 東.納米混凝土在不良地質(zhì)隧洞支護(hù)中的應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江，2009，4(10):32－33.(CHEN Dong.Application of Nano-concrete in Support for Poor Geological Tunnel［J］.Yangtze River，2009，4(10):32－33.(in Chinese))