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(xiàn)代化工程建設的標準化施工及砼實體質(zhì)量要求越來越高，新材料新工藝也越來越多地研發(fā)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(jié)力和黏聚性，提高混凝土勻質(zhì)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(xiàn)象，這無疑增加了初期支護結(jié)構(gòu)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(shù)

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(jié)構(gòu)物工作面的技術(shù)，使巖石或結(jié)構(gòu)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(yōu)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(yōu)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(yè)環(huán)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(nèi)隧道施工通常采用濕噴機械臂施作，但技術(shù)不成熟，對噴射混凝土性能要求較高，現(xiàn)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(shù)性質(zhì)

（1）增黏劑是通過選擇系列聚合物無堿增效劑進行優(yōu)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(jié)構(gòu)凝結(jié)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(zhì)，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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，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(jié)晶。

C-S-H——CaOx.SiO2.（H2O）y凝膠填充空隙，使得漿體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，阻止水泥粒子飛散形成粉塵。但是，這種絮狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(fā)生反應，形成了不溶于水的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

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(yōu)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(zhì)增效的作用。加增黏劑后，初期支護的外觀質(zhì)量、回彈率及作業(yè)環(huán)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表

5.3 現(xiàn)場噴射混凝土回彈率檢測

噴射混凝土在生產(chǎn)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(tǒng)計量投料攪拌，檢測拌合物性能，罐車運輸至施工現(xiàn)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(xiàn)場噴射砼回彈率檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 現(xiàn)場噴射砼回彈率檢測數(shù)據(jù)表

根據(jù)現(xiàn)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(yōu)勢

添加增黏劑的優(yōu)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(guī)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(huán)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(shù)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(wěn)定性，對混凝土結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性非常有利，可以保障混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)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(xiàn)象。

6.2 提高速凝劑與噴射砼水化速度，減少凝結(jié)時間

對于噴射砼施工，凝結(jié)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(jié)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(nèi)，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(jié)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(xiàn)象，減少二次補噴引起的不密實風險，加快了每循環(huán)施作時間。

6.4 提高噴射混凝土早期強度

從現(xiàn)場噴射砼施工配合比數(shù)據(jù)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(jīng)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(nèi)環(huán)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(jié)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(yōu)化了作業(yè)面的作業(yè)環(huán)境，因工期提前帶來了成本和經(jīng)濟效益。

8 結(jié)語

中國鐵路在“十三五”期間按下了發(fā)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(chuàng)新工程、廉潔工程”要求，在科學施工、安全施工、綠色施工高質(zhì)量推進工程建設等方面譜寫新時代鐵路高質(zhì)量發(fā)展的新篇章。因此，智能化新材料、新技術(shù)、新工藝等應用不斷創(chuàng)新，在工程建設中的各種難題不斷被攻克。本文中關(guān)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(huán)境上得到了顯著的優(yōu)化，在突水、突泥等惡劣的隧道地質(zhì)條件下遏制了掉塊現(xiàn)象，提高了人身、設備、財產(chǎn)質(zhì)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(jīng)濟效益，為建設“五優(yōu)”工程奠定了堅實基礎(chǔ)。