無機(jī)納米材料在噴射混凝土中的應(yīng)用研究

李鳳玉，婁　鑫（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川郫縣611730）

無機(jī)納米材料在噴射混凝土中的應(yīng)用研究

李鳳玉，婁鑫（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川郫縣611730）

隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，作為主要建筑結(jié)構(gòu)材料之一的混凝土已經(jīng)逐漸向高強(qiáng)、高性能、多功能方向發(fā)展。無機(jī)納米材料是一種高分子氣化微粒，具有較高活性、高減水性、能顯著改善混凝土的和易性、泵送性。摻無機(jī)納米材料的噴射混凝土具有強(qiáng)度高的特性，特別適用于巖層較差，易變性和巖爆突出急需快速支護(hù)的部位。本文介紹了在白鶴灘水電站地下洞室開挖中高應(yīng)力洞段、圍巖易碎洞段進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)過程中開展的無機(jī)納米噴射混凝土性能試驗(yàn)研究。

無機(jī)納米材料；噴射混凝土；應(yīng)用研究

1　前言

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，控制流域面積43.03萬km2，占金沙江以上流域面積的91%。白鶴灘水電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，電站總裝機(jī)容量16000MW，電站建成后將成為僅次于三峽水電站的中國(guó)第二大水電站。左岸主副廠房巖石主要為堅(jiān)硬巖，巖體結(jié)構(gòu)以次塊狀、塊狀結(jié)構(gòu)為主。邊墻圍巖類別以Ⅲ1類為主，部分為Ⅱ類圍巖，局部Ⅳ類圍巖以條帶形式分布于層間錯(cuò)動(dòng)帶C2附近。在前期的洞室開挖支護(hù)中采用普通的濕噴（素）混凝土及濕噴鋼纖維混凝土進(jìn)行支護(hù)，由于圍巖條件約束需要進(jìn)行多次復(fù)噴才能達(dá)到支護(hù)效果，這樣極大的增加了施工周期，而且在后續(xù)的開挖過程中已經(jīng)支護(hù)過的部位仍有開裂的的情況出現(xiàn)，給施工安全帶來了一定風(fēng)險(xiǎn)。在這樣一個(gè)大前提下，我們開展了納米噴射混凝土的性能研究，通過在噴射混凝土中摻入無機(jī)納米材料來改善噴射混凝土性能，并最終得到較好的施工效益。

2　應(yīng)用研究

普通錨噴支護(hù)中使用的噴射混凝土一次噴射厚度約為5～10cm，若想達(dá)到支護(hù)效果需要復(fù)噴1～2次，大大的增加了施工周期，且普通濕噴混凝土受材料的約束，早期強(qiáng)度不高，和圍巖粘結(jié)強(qiáng)度較低等因素導(dǎo)致支護(hù)效果有限，不能有效地保證圍巖的穩(wěn)定與安全。因此通過討論研究提出在普通噴射混凝土中摻入無機(jī)納米材料來改善噴射混凝土性能，以達(dá)到提高施工質(zhì)量和快速施工的目的。

2.1納米噴射混凝土室內(nèi)試驗(yàn)

選取P.O42.5水泥、玄武巖人工砂石骨料、跨越2000型納米材料、無堿速凝劑進(jìn)行室內(nèi)性能試驗(yàn)，通過參數(shù)選取，試驗(yàn)過程中根據(jù)拌和物性能反復(fù)調(diào)整后確定了基本配合比參數(shù)，根據(jù)確定的基本配合比參數(shù)進(jìn)行了拌和物性能試驗(yàn)及硬化性能試驗(yàn)，試驗(yàn)成果如表1～2。

表1　拌和物性能試驗(yàn)成果表

結(jié)合拌和物性能試驗(yàn)成果可以看出，拌和物的可噴性良好，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，硬化性能試驗(yàn)成果滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果推薦的噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)用配合比參數(shù)見表3。

2.2納米噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)

表2　室內(nèi)試驗(yàn)噴射混凝土硬化性能試驗(yàn)成果表

表3　推薦的噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)用參數(shù)表

結(jié)合室內(nèi)拌制成果，選取合適洞段開展生產(chǎn)性試驗(yàn)，本次生產(chǎn)性試驗(yàn)噴射作業(yè)施工地點(diǎn)的圍巖為Ⅲ類圍巖。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)成果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，并對(duì)配合比參數(shù)加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以達(dá)到盡可能的降低噴射時(shí)回彈率、增加一次噴層厚度、提高噴射混凝土各項(xiàng)硬化性能的目的。

2.2.1回彈率測(cè)定

噴射混凝土在噴射過程中由于沖擊力的作用，部分噴射料會(huì)反彈至地面。噴射時(shí)的回彈率的大小是衡量噴射混凝土配合比參數(shù)優(yōu)化程度的一個(gè)重要參數(shù)。由于在邊墻與頂拱的噴射角度不同，噴射回彈率不盡相同，回彈率試驗(yàn)在頂拱與邊墻兩個(gè)施工部位進(jìn)行回彈率的測(cè)試?；貜椔蕶z測(cè)結(jié)果見表4。

表4

2.2.2噴層厚度測(cè)定

噴射混凝土噴射至基巖面后，初期粘結(jié)強(qiáng)度較低，當(dāng)達(dá)到一定噴層厚度后會(huì)由于噴射混凝土的自重因素發(fā)生掉塊的現(xiàn)象，造成噴射混凝土的浪費(fèi)。但當(dāng)一次噴層厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，巖層會(huì)由于應(yīng)力因素發(fā)生掉塊現(xiàn)象，起不到支護(hù)作用，因而進(jìn)行噴層厚度試驗(yàn)及研究是必要的。本次生產(chǎn)性試驗(yàn)過程中對(duì)噴射效果進(jìn)行了觀察，噴射過程中未發(fā)生掉塊現(xiàn)象。噴射完成后對(duì)一次噴層厚度進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量結(jié)果詳見表5。

表5

2.2.3現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土的硬化性能試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土過程中混凝土的密實(shí)程度與室內(nèi)成型的密實(shí)度差別很大，因此現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土的強(qiáng)度與室內(nèi)成型的強(qiáng)度差別也比較大。按照規(guī)范要求在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了噴射混凝土成型，采用了噴射混凝土大板、切割的方法進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度的成型，成型齡期均為7d和28d。硬化性能試驗(yàn)結(jié)果詳見表6。

表6

2.2.4納米噴射混凝土性能與非納米噴射混凝土性能對(duì)比

結(jié)合本工程前期非納米噴射鋼纖維混凝土的各項(xiàng)性能成果，綜合比較兩種鋼纖維混凝土性能，對(duì)比結(jié)果如表7所示。

表7

從表7的結(jié)果比對(duì)分析可以看出無機(jī)納米材料噴射混凝土的回彈率較噴射混凝土的回彈率降低約6%，28d抗壓強(qiáng)度提高約8.0MPa，從3d、7d的抗壓強(qiáng)度開看，無機(jī)納米噴射混凝土的前期強(qiáng)度較高，利于圍巖支護(hù)穩(wěn)定。無機(jī)納米噴混凝土的一次噴層厚度遠(yuǎn)大于普通噴混凝土。

3　研究成果及成果應(yīng)用

（1）根據(jù)拌和物的拌制與檢測(cè)情況以及噴射現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)檢測(cè)情況可以看出采用室內(nèi)推薦的配合比參數(shù)拌制的噴射混凝土拌和物性能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，工作性能良好。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土大板硬化性能試驗(yàn)成果可知，采用室內(nèi)推薦的配合比參數(shù)施工的噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，而且較以往普通噴射混凝土的強(qiáng)度都有很大的提高。

（3）根據(jù)噴射時(shí)回彈率測(cè)試成果可知，采用納米噴射混凝土進(jìn)行施工，回彈率滿足《水電水利工程錨噴支護(hù)施工規(guī)范》（DL/T5181-2003）規(guī)范邊墻不宜大于15%、頂拱不宜大于25%要求，而且比傳統(tǒng)普通噴射混凝土回彈率減少了很多，從而產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）研究成果表明，采用納米噴射混凝土支護(hù)洞室圍巖一次噴層厚度均滿足施工噴射厚度（＞20cm）要求，且噴射過程未發(fā)生掉塊、脫落現(xiàn)象。從而極大的縮短了支護(hù)工期，提高圍巖整體穩(wěn)定性。

（5）室內(nèi)試驗(yàn)成果及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)研究成果表明推薦的納米噴射混凝土配合比參數(shù)在實(shí)際工程運(yùn)用是成功，而且較傳統(tǒng)的普通噴射混凝土有很大的優(yōu)勢(shì)，所以最終全面用于地下洞室支護(hù)。

4　結(jié)束語

通過對(duì)比本次試驗(yàn)研究成果和以往施工效果發(fā)現(xiàn)，在噴射混凝土中摻入無機(jī)納米材料混凝土各項(xiàng)性能都有了顯著的改善，尤其是在早期強(qiáng)度、一次噴層厚度、粘結(jié)強(qiáng)度、回彈率上面表現(xiàn)尤為明顯。提高早期強(qiáng)度及粘結(jié)強(qiáng)度可以有效地抑制圍巖變形開裂提高圍巖安全穩(wěn)定性，一次噴層厚度的增加可以明顯縮短支護(hù)施工的工期、并且能夠及時(shí)起到支護(hù)強(qiáng)度作用?；貜椔实臉O大降低可以有效地降低混凝土成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。通過試驗(yàn)研究成果明確了在白鶴灘地下洞室群錨噴支護(hù)施工中采用納米噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)，從后期的支護(hù)效果來看取得了理想的效果。

TU528.042

A

2095-2066（2016）31-0161-02

2016-10-10

李鳳玉（1981-），男，寧夏中衛(wèi)人，工程師，從事建筑材料檢測(cè)技術(shù)管理工作。

婁 鑫（1987-），男，河南新鄉(xiāng)人，助理工程師，從事建筑材料檢測(cè)技術(shù)管理工作。