濕噴混凝土的回彈機(jī)理試驗(yàn)研究

何 鵬，曹宇春

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，杭州 310023)

采用濕式混凝土噴射工藝較干式工藝能有效降低粉塵濃度和回彈率，保證了混凝土質(zhì)量[1-3]。寧逢偉等和陶坤從原材料、配合比、施工工藝三方面闡述降低回彈率的方法[4-5]。劉康引入超細(xì)礦物摻合料及回彈抑制材料來(lái)改變混凝土的黏聚性及工作性,以降低噴射混凝土回彈率[6]。姜波對(duì)噴射混凝土回彈機(jī)理進(jìn)行了分析,結(jié)合某隧道工程進(jìn)行了濕噴試驗(yàn),針對(duì)濕噴角度、濕噴距離和速凝劑摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)三個(gè)影響因素對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響進(jìn)行了研究[7]，Burns的研究表明，噴射面積對(duì)回彈率幾乎無(wú)影響[8]。Armelin認(rèn)為適當(dāng)?shù)卣{(diào)整混凝土的配合比以及噴射技術(shù)可以降低混凝土的回彈率，骨料粒徑及噴射速度是影響混凝土回彈率的最主要因素[9]。Parker等引入了“回彈率比”來(lái)反映回彈量的大小[10]，Melbye等認(rèn)為噴射角度是影響回彈率最重要的因素[11]。王飛研究了工作風(fēng)壓、工作水壓、噴射距離、噴射角度、初噴厚度等潮式噴射工藝參數(shù)對(duì)噴射過(guò)程回彈率的影響程度,最終確定施工工藝最優(yōu)參數(shù)[12]。王斌對(duì)噴射混泥土施工工藝進(jìn)行了分析與探討,使噴射混凝土回彈率有效降低[13]。王璞東等通過(guò)對(duì)濕法噴射混凝土回彈率的試驗(yàn),提出摻入適量粉煤灰和硅灰，控制速凝劑初凝時(shí)間和水泥用量以及混凝土適宜坍落度,能明顯降低噴射混凝土的回彈率[14]。李俊均依托港珠澳大橋珠海連接線就濕噴混凝土原材料、配合比、回彈率等因素對(duì)其強(qiáng)度的影響進(jìn)行試驗(yàn)分析,提出機(jī)械手施工濕噴混凝土的一些技術(shù)指標(biāo)要求[15]。陳文耀等根據(jù)碰撞能量守恒原理，對(duì)噴射混凝土回彈機(jī)理進(jìn)行研究[16]。通過(guò)已有研究發(fā)現(xiàn)，在降低濕噴混凝土回彈率方面，人們對(duì)回彈機(jī)理的試驗(yàn)研究有所欠缺，因此有必要開(kāi)展石子貫入砂漿的試驗(yàn)，以揭示濕噴混凝土的回彈機(jī)理和規(guī)律。

濕噴混凝土技術(shù)作為公路隧道支護(hù)應(yīng)用廣泛[17]，浙江紹興某隧道施工中使用濕噴混凝土技術(shù)作為隧道支護(hù)，但是統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)回彈率約為26%，遠(yuǎn)高于濕噴機(jī)廠家指導(dǎo)水平，造成了人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，在初開(kāi)挖巖面上濕噴混凝土，前期石子會(huì)有較多回彈，隨著混凝土厚度的增加，混凝土中的砂漿作為緩沖層，石子的回彈情況會(huì)降低。本文主要探討在初開(kāi)挖巖面先噴射適當(dāng)厚度的砂漿層，再噴射混凝土的施工流程，探索石子貫入砂漿層的影響機(jī)理，并提出相關(guān)建議，從而達(dá)到降低混凝土回彈率，提高工作效率，節(jié)約成本的目的。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料選擇及基準(zhǔn)配比確定

根據(jù)就地取材原則,水泥選用P·O42.5水泥；砂為機(jī)制砂，粒徑小于4.75 mm，其性能指標(biāo)符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》[18]標(biāo)準(zhǔn)的要求；水為經(jīng)過(guò)處理的地表水；按M30水泥砂漿要求設(shè)計(jì)基準(zhǔn)配合比[19]，水泥∶水∶砂=1∶0.75∶3。

1.2 濕噴室內(nèi)模擬試驗(yàn)

因?qū)嶋H回彈過(guò)程較為復(fù)雜，可以用石子貫入砂漿來(lái)模擬粗骨料貫入混凝土的過(guò)程，考慮本試驗(yàn)的目的是研究規(guī)律、提出建議，可利用彈弓作為發(fā)射裝置，將接近圓球的石子彈射貫入砂漿，石子的動(dòng)能被砂漿吸收而停止運(yùn)動(dòng)。測(cè)量石子貫入砂漿層前的速度、質(zhì)量和粒徑，并且測(cè)量石子貫入砂漿層后的深度，得到砂漿平均阻尼值，由此提出初噴砂漿層的建議厚度。重復(fù)上述流程，通過(guò)彈射經(jīng)過(guò)加工后的圓球石子貫入砂漿層，得到不同質(zhì)量的石子貫入深度與初始速度之間的關(guān)系曲線。

1.2.1 公式推導(dǎo)

利用能量守恒定理得到石子貫入砂漿的公式：

(1)

w=ps。

(2)

式(1)～(2)中：m為石子的質(zhì)量；v0為石子貫入前的速度；v1為石子貫入后的剩余速度；w為石子在貫入過(guò)程中由于砂漿層吸收所損失的能量；p為石子在砂漿中運(yùn)動(dòng)所受的黏結(jié)阻力；s為石子在砂漿層中運(yùn)動(dòng)的距離。因?yàn)楸驹囼?yàn)石子重力做功相比石子初始沖量過(guò)小，可忽略不計(jì)。

由式(1)～(2)可知：

(3)

假設(shè)式(3)中石子貫入后速度v1等于0，此時(shí)砂漿噴層厚度最小理論值為：

(4)

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)所選用的石子為石料廠加工巖石而得到，料粒徑為5～10 mm，選取32顆接近圓球的石子作為試驗(yàn)材料，依次進(jìn)行編號(hào)并記錄其質(zhì)量m和直徑L0。利用基準(zhǔn)配比配置M30水泥砂漿，經(jīng)過(guò)攪拌機(jī)攪拌后放入事先準(zhǔn)備好的容器內(nèi)，讓砂漿表面與容器邊緣齊平，在砂漿表面平均劃分16個(gè)方形網(wǎng)格，利用彈弓作為發(fā)射裝置，有效速度控制在10～20 m/s，將石子依次通過(guò)彈射經(jīng)過(guò)測(cè)速儀，垂直進(jìn)入配置好的砂漿網(wǎng)格中，用游標(biāo)卡尺測(cè)量石子頂部與砂漿表面的距離L1,從而得到石子貫入深度s=L1+L0/2(石子貫入砂漿示意見(jiàn)圖1)。

2)利用基準(zhǔn)配比配置M30水泥砂漿，放入事先準(zhǔn)備好的4組容器內(nèi)。讓每組容器中砂漿表面與容器邊緣齊平，平均劃分16個(gè)網(wǎng)格，選用事先加工好的直徑為0.8 cm，大小相同密度不同的4、5、6、7 g各16顆光滑圓球石子，通過(guò)彈弓進(jìn)行彈射垂直貫入足夠深度的砂漿，用測(cè)速儀記錄石子貫入前初速度，其有效速度控制在10～20 m/s，用游標(biāo)卡尺間接測(cè)得貫入的深度s(深度測(cè)試方式同上)。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 最優(yōu)噴射厚度優(yōu)化

因?yàn)槭邮墙茍A球的，依據(jù)其直徑可以得到盲測(cè)貫入深度。記錄每顆石子的質(zhì)量、速度和貫入砂漿深度值，以及經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得到的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 石子貫入情況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Stone penetration statistics

2.2 石子貫入砂漿深度與粗骨料的速度、質(zhì)量的關(guān)系

用表面光滑、相同體積、不同密度的4、5、6、7 g圓球石子分別垂直貫入4組砂漿容器，得到石子的質(zhì)量、速度與貫入砂漿深度的關(guān)系曲線(圖2)。由圖2可知，在石子質(zhì)量相同時(shí)，隨著速度的增大，貫入深度也增大，呈正相關(guān)。在速度相同時(shí)，隨著質(zhì)量的增大，貫入深度也增大，呈正相關(guān)。因此在濕噴初期的施工過(guò)程中，依據(jù)石子大小盡量控制好噴射速度。當(dāng)石子顆粒較小時(shí)，可適當(dāng)增大風(fēng)壓，得到較快噴射速度；當(dāng)石子顆粒較大時(shí)，可適當(dāng)降低風(fēng)壓，得到較慢噴射速度。這樣可以降低濕噴混凝土的回彈率。

圖2 石子的速度與貫入深度的關(guān)系曲線Fig.2 Curve of relationship between stone speed and penetration depth

表2 試件抗壓強(qiáng)度值Table 2 Compressive strength values of test piece

將M30砂漿噴射到初開(kāi)挖巖面，厚度約為1.8 cm，再噴射混凝土，通過(guò)依托工程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)回彈試驗(yàn)結(jié)果，新的噴射混凝土回彈率為11%，較原統(tǒng)計(jì)回彈率26%降低約15%，從而減少了回彈，降低施工成本，縮短工期。通過(guò)鉆芯取樣的方法，去掉端部水泥砂漿層，加工得到濕噴混凝土圓柱，并制作標(biāo)準(zhǔn)試件6組，記錄其抗壓強(qiáng)度值，見(jiàn)表2，得到平均抗壓強(qiáng)度32.51 MPa，較原來(lái)施工統(tǒng)計(jì)的抗壓強(qiáng)度31.11 MPa增加4.5%，這說(shuō)明新方法中混凝土抗壓強(qiáng)度得到了提高。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)濕噴混凝土回彈率的試驗(yàn)研究可得出如下結(jié)論：

1)在開(kāi)挖圍巖上初噴適當(dāng)厚度的砂漿薄層，可以降低后續(xù)濕噴混凝土回彈率和增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度。

2)石子貫入深度隨著其質(zhì)量或貫入前速度的增大而增大。

3)在濕噴初期的施工過(guò)程中，當(dāng)整體石子顆粒較小時(shí)，可適當(dāng)增大風(fēng)壓，當(dāng)整體石子顆粒較大時(shí)，可適當(dāng)降低風(fēng)壓，這樣可以降低濕噴混凝土的回彈率，并且保證了濕噴混凝土質(zhì)量。