噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)方式探討

韋剛壯

摘要：當(dāng)前噴射混凝土技術(shù)已經(jīng)在地下工程、隧道工程及邊坡支護(hù)工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)展成為非常關(guān)鍵的支護(hù)手段。我國從20世紀(jì)60年代開始利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行礦山及隧道等初期支護(hù)，當(dāng)前已經(jīng)得到了快速發(fā)展。文章對噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)方式進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：噴射混凝土；配合比設(shè)計(jì)方式；地下工程；隧道工程；邊坡支護(hù)工程 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U414 文章編號(hào)：1009-2374（2016）18-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.010

噴射混凝土是一種集運(yùn)輸、澆筑及振搗于一身的施工方法，借助于噴射機(jī)械將混凝土高速噴射到受噴面上凝結(jié)硬化而成，采用較小的水灰比，具有較高的強(qiáng)度和良好的耐久性，與磚石、混凝土以及鋼材等有很高的黏結(jié)強(qiáng)度。目前噴射混凝土主要用于結(jié)構(gòu)物的修復(fù)和加固工作中。通?？梢杂糜谛迯?fù)加固因地震、火災(zāi)、振動(dòng)等因素引起的建筑結(jié)構(gòu)損害，修補(bǔ)因施工不良造成的混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重缺陷。

1 噴射混凝土的概念

噴射混凝土是一種黏結(jié)力超強(qiáng)、抗?jié)B性較好、強(qiáng)度較高的材料，這種混凝土的施工工藝不需要利用模板，充分將混凝土輸送、澆灌等施工工序結(jié)合在一起，各工序都非常簡單，當(dāng)前已經(jīng)在隧道工程、邊坡工程等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。具體來說噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)主要包括一般混凝土配合比設(shè)計(jì)及現(xiàn)場試噴兩個(gè)組成部分，前者主要結(jié)合噴射混凝土的具體要求，通過常規(guī)配合比設(shè)計(jì)將基準(zhǔn)配合比提出來，后者利用試噴對配合比進(jìn)行調(diào)整，以滿足設(shè)計(jì)要求與施工要求，二者互為補(bǔ)充、缺一不可。

2 噴射混凝土的設(shè)計(jì)思路

噴射混凝土主要利用空氣壓縮的方式，由噴射機(jī)噴射口利用高速高壓將一定配合比的混凝土噴出，這樣就可以在被噴面形成一層混凝土層，和傳統(tǒng)澆筑混凝土不同，噴射混凝土不需要立模和振搗等環(huán)節(jié)，只要按照高速噴射的動(dòng)能將混合料噴射到受噴面上，經(jīng)過擠壓和沖擊以后，最終達(dá)到密實(shí)的效果。噴射混凝土施工主要有干、濕兩種方式，其中濕法需要預(yù)先在攪拌機(jī)中將所有材料攪拌好，然后進(jìn)行噴射，而干法則需要將水泥與集料攪拌均勻，然后從一個(gè)噴嘴中射出，并從另外噴嘴中噴水，在噴水位置開始和干料共同混合成混凝土。

本工程中主要采用濕法施工工藝，其設(shè)計(jì)思想可以從四個(gè)方面展開分析：第一，充分認(rèn)識(shí)到噴射混凝土是唯一的與圍巖牢固接觸的方式，且這種方式是其他方式不能代替的；第二，噴射混凝土和巖層附著力可以起到分散的作用，將作用在噴射混凝土上的外力分散到圍巖上，為節(jié)理和裂縫等保持塊體平衡，避免出現(xiàn)局部掉塊問題的出現(xiàn)，并在壁面附近形成一個(gè)承載環(huán)；第三，為圍巖變形提供約束作用的支護(hù)力，這樣圍巖就形成了近于三維的應(yīng)力狀態(tài)，對圍巖應(yīng)力釋放加以控制，可以將土壓力傳遞到錨桿和鋼支撐上；第四，向上噴射到設(shè)計(jì)要求的厚度，同時(shí)其回彈量是最少的，通常情況下4～8h的強(qiáng)度就能對變形進(jìn)行控制，在滿足速凝劑用量的情況下，必須達(dá)到設(shè)計(jì)28d的強(qiáng)度，保證良好的耐

久性。

3 配合比設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要素

高壓液力噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)主要涉及到混凝土強(qiáng)度確定、膠凝材料選擇、水膠比用量與選擇、外加劑摻量等關(guān)鍵要素。此外，噴射混凝土的配合比宜通過試配試噴確定，當(dāng)前許多施工單位沒有做這項(xiàng)工作。

3.1 混凝土強(qiáng)度確定

通?，F(xiàn)場用噴射混凝土強(qiáng)度等級在C20～C35之間，在其中加入一定量的速凝劑，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，噴射混凝土后期強(qiáng)度損失應(yīng)該在30%以內(nèi)，所以在添加速凝劑的前提下，噴射混凝土設(shè)計(jì)試配強(qiáng)度高于普通混凝土30%。強(qiáng)度等級≤C60以內(nèi)的普通混凝土，其配置強(qiáng)度應(yīng)按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：表示混凝土配制強(qiáng)度；表示混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；表示混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，這里取5.0。

3.2 膠凝材料選擇與用量

凝膠材料中主要的成分是水泥，為了提升噴射混凝土的耐久性、工作性，降低回彈，可以將一些活性材料加入其中，例如礦渣、粉煤灰等，這些填料的添加有利于增強(qiáng)噴射混凝土的和易性，對于降低成本非常有利，當(dāng)前逐漸受到了人們的重視。

3.2.1 水泥的選擇。上文提到水泥是噴射混凝土中的主要材料，它直接影響著噴射混凝土的效果，特別是其中的化學(xué)成分和速凝劑存在著適應(yīng)性方面的問題，如果二者不適應(yīng)，將會(huì)大大降低速凝劑的效果，在噴射施工過程中將會(huì)造成大量回彈。水泥強(qiáng)度等級直接影響了噴射混凝土的質(zhì)量，早期強(qiáng)度的增長速度會(huì)減慢，而水泥強(qiáng)度等級過低，水泥量多，那么噴射過程中粉塵量也會(huì)非常大，所以應(yīng)該選擇水泥強(qiáng)度等級不低于32.5的硅酸鹽水泥作為噴射混凝土的主要材料。

3.2.2 其他膠凝材料的選擇。當(dāng)前工程建設(shè)中使用的噴射混凝土，使用其他膠凝材料比較少，通常礦渣和粉煤灰等材料在噴射混凝土中都不適用，這些材料和速凝劑發(fā)生反應(yīng)時(shí)，會(huì)起到緩凝的作用，大大降低了速凝劑的效果，因此為了配制出高性能的噴射混凝土，可以在其中摻入一些硅灰，為水泥質(zhì)量的5%～10%，這樣可以有效提升混凝土強(qiáng)度，并使噴射時(shí)的回彈量得到降低。

3.3 骨料選擇與砂率確定

噴射混凝土中選用的骨料必須保證堅(jiān)硬、清潔、級配好，且不能使用含有細(xì)長石片及泥粉超量的骨料。應(yīng)選擇堅(jiān)硬的中粗砂，其細(xì)度模數(shù)不宜小于2.5，否則將會(huì)對水泥和集料之間的黏結(jié)造成不利影響。砂的含水率最好在5%～7%之間，如果含水率過低，噴射中將會(huì)出現(xiàn)大量粉塵，如果含水率過高，其混合料的濕度就會(huì)過大，這樣一來可能會(huì)造成堵管的問題，對施工的順利進(jìn)行造成影響。此外，應(yīng)選擇堅(jiān)硬耐久的碎石或者卵石，以減少噴射裝置的磨損，為了減少回彈，集料中最大粒徑最好不要超過16mm，加入速凝劑時(shí)不能采用活性二氧化硅作為粗集料，防止堿骨料反應(yīng)破壞噴射混凝土。

噴射混凝土和普通混凝土相比，對砂率的選擇要求非常高，如果砂率過高，骨料總面積將會(huì)增大，水泥漿量也會(huì)增大，進(jìn)而加大混凝土后期收縮。如果砂率過低，需要的粗骨料就會(huì)增多，直接造成了噴射過程中回彈量增大的后果。

3.4 摻聚丙烯纖維、鋼纖維

為了防止裂紋的產(chǎn)生，通常會(huì)利用一些有機(jī)纖維摻加到混凝土中，尤其是加入聚丙烯纖維，聚丙烯纖維可以有效降低混凝土高溫時(shí)的孔壓力，纖維在噴射混凝土中立體分布，能改變噴射混凝土的抗裂性能，通過這種方式可以有效減小混凝土出現(xiàn)裂縫的幾率。

3.5 速凝劑選擇與摻量

對于噴射混凝土來說，速凝劑的選擇非常關(guān)鍵，其質(zhì)量的好壞與混凝土品質(zhì)直接相關(guān)，當(dāng)前主要有粉狀和液態(tài)兩種速凝劑，相關(guān)規(guī)范中要求不能利用干噴混凝土，所以，液態(tài)速凝劑的應(yīng)用前景非常廣闊。液態(tài)速凝劑主要有無堿和高堿兩種速凝劑，其中無堿液態(tài)速凝劑的摻量通常在6%～10%之間，高堿速凝劑對混凝土后期強(qiáng)度的損失影響非常大，因此當(dāng)前工程建設(shè)中主要利用無堿和低堿兩種速凝劑。表1為速凝劑分類，供參考：

表1 速凝劑分類

形態(tài) 種類 成分（主要）

堿性 無機(jī)鹽、鋁酸鹽

液態(tài) 無（低）堿 水溶性硫酸鋁酸鹽

有機(jī)無機(jī)復(fù)合 有機(jī)物混合無機(jī)物

粉狀 水泥礦物質(zhì) 礬土、硫鋁酸鈣

無機(jī)鹽 鋁酸鹽

3.6 噴射機(jī)的操作

噴射機(jī)的操作可影響回彈、混凝土的密實(shí)性和料流的均勻性。要正確地控制噴射機(jī)的工作風(fēng)壓和保證噴嘴料流的均勻性。噴射機(jī)處的工作風(fēng)壓應(yīng)根據(jù)適宜的噴射速度而進(jìn)行調(diào)整，若工作風(fēng)壓過高，即噴射速度過大、動(dòng)能過大，使回彈增加，若工作風(fēng)壓過低、壓實(shí)力小，影響混凝土強(qiáng)度，噴射機(jī)的料流要均勻一致，以保證速凝劑在混凝土中均勻分布。不同的噴射機(jī)及不同的操作手對同一配合比，噴射的混凝土質(zhì)量也會(huì)不一樣，也就是上文提到的噴射混凝土的配合比宜通過試配試噴確定的原因。

4 配合比的調(diào)整

噴射混凝土和其他混凝土不同，其配合比需要在實(shí)際試噴中進(jìn)行確定。噴射混凝土配合比要滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等相關(guān)要求，同時(shí)必須回彈量少、黏附性好、粉塵少，可以獲得較為密實(shí)的噴射混凝土，這樣才能滿足施工要求。噴射混凝土配合比參數(shù)的確定與調(diào)整，應(yīng)該在工區(qū)中選擇與施工場地相似的巖壁進(jìn)行試噴，試噴過程中，應(yīng)對混凝土用水量是否適當(dāng)進(jìn)行判斷，通常應(yīng)通過操作手觀察試噴效果來實(shí)現(xiàn)，如果表面干濕不宜、附著性差、回彈量大，這時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加基準(zhǔn)配合比用水量，相反則應(yīng)減少用水量。待混凝土穩(wěn)定以后，與材料自然含水率相結(jié)合折算成單位用水量，這樣才能得到實(shí)際配合比的最佳用水量。試噴過程中，還應(yīng)在幾種設(shè)定砂率下，通過檢測每種砂率回彈率，判斷最佳砂率，并結(jié)合試噴調(diào)整的用水量來確定水灰比。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著噴射混凝土技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，工程建設(shè)對其性能的要求也逐漸升高，因此配合比設(shè)計(jì)成為噴射混凝土中非常關(guān)鍵的一個(gè)步驟，必須對水膠比、水泥選擇與用量、砂率等參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。隨著噴射混凝土強(qiáng)度、耐久性的發(fā)展，外加劑選擇的重要性開始突出出來，其中粉塵抑制劑可以減少粉塵的用量，增粘劑可以對噴射施工中回彈進(jìn)行控制，而減水劑有助于噴射混凝土后期強(qiáng)度的提升等。從目前的使用情況來看，噴射混凝土技術(shù)還要對與其相關(guān)的配套設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，從多方面對配合比設(shè)計(jì)問題進(jìn)行考慮。

參考文獻(xiàn)

[1] 高志華，何真，趙曉，李洋，蔡新華.利用磨細(xì)礦渣提高地下水封洞庫噴射混凝土耐久性試驗(yàn)研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2014，（4）.

[2] 蘇安雙，寧逢偉，韓旭東，丁建彤，蔡躍波.含水率及加載速率對纖維增韌噴射混凝土彎曲韌性的影響

[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2013，（5）.

[3] 噴射混凝土加固技術(shù)規(guī)程（CECS 161：2004）[S].

[4] 高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)（TB10753-2010）[S].

（責(zé)任編輯：黃銀芳）