濕法噴射混凝土在軌道交通工程中的研究與應用

羅永秋 唐林洋 鄧旭華 王芳利

（廣東基礎新世紀混凝土有限公司）

0 前言

地下工程所處的工程環(huán)境決定了防水是確保施工質量和運營安全的關鍵，而影響防水施工效果的關鍵環(huán)節(jié)之一便是防水層鋪設前的基面處理［2］。我市軌道交通工程某標段因地理位置和環(huán)保原因，現(xiàn)場制備用以錨固基坑的噴射混凝土條件不成熟，且相關生產(chǎn)設備所生產(chǎn)出來的噴射混凝土精度不夠，無法滿足大方量一次噴射要求的情況下，提出通過商品站制備完成運輸至現(xiàn)場加速凝劑噴射的想法。而根據(jù)試配結論，如果在商品站生產(chǎn)混合均勻的濕噴砼，就需加水攪拌，而混凝土在加水后即發(fā)生水化，運輸?shù)竭_現(xiàn)場后，混凝土坍落度損失較大且凝結時間較短，對施工速度及混凝土凝結時間控制精度要求較高，稍不注意即容易造成混凝土結轂以致無法施工的問題。

為解決上述情況，結合商品混凝土傳統(tǒng)工藝，必須解決下面兩個問題：

⑴設計一個配合比，此配合比既要滿足結構部位強度和抗?jié)B等級，同時使混凝土的凝結時間在不摻速凝劑情況下從3～6 小時延長至6～8 小時，還需在坍落度方面易于工地施工，且安定性耐久性達到設計要求。

⑵研發(fā)一種具有高減水高保坍無緩凝效果的外加劑，使混凝土的和易性得到有效改善，同時通過提高混凝土的保坍效果以提高混凝土到場工作性能，降低混凝土車內(nèi)結轂幾率。通過提高減水率以降低單方混凝土水泥用量，提高混凝土配置強度，降低配方成本。

1 研究過程

1.1 原材料情況

1.1.1水泥

海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5R 水泥。

1.1.2 粉煤灰

黃埔電廠生產(chǎn)的優(yōu)質Ⅱ級F 類粉煤灰。

1.1.3 速凝劑

速凝劑是一種使水泥混凝土快速凝結硬化的外加劑，是噴射混凝土施工的必備材料。

實驗以基準水泥未膠凝材料，依據(jù)國家標準GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》對選用的恒都牌HD-3 型無堿性液態(tài)速凝劑進行分析。

1.1.4 外加劑各母液

減水母液為六合減水母液；保坍為六合和泰格，引氣選擇AE2 搭配K12 粉劑，消泡選擇德國巴斯夫消泡劑。

1.1.5 粗骨料

選用級配良好、粒徑為5mm～10mm、含泥量≤1.0%的博羅碎石。

1.1.6 細骨料

選用細度模數(shù)為2.5%～2.8%、含泥量較小的砂為最佳。

1.1.7 水

本試驗使用飲用自來水。

1.2 配合比設計過程

生產(chǎn)C25P6 細石噴射混凝土，要求到場坍落度在120～140 之間，依據(jù)國家標準JGJ/T55—2011《普通混凝土設計規(guī)程》設計計算書，可以得出混凝土各組分重量配比見表1。

通過不同摻量粉煤灰對混凝土和易性劑強度影響表可以看出，當粉煤灰摻量為0%時，混凝土初凝時間和終凝時間與砂漿實驗基本相符，混凝土1 天強度與28天強度均達到設計要求。當粉煤灰摻量為20%時，混凝土各項數(shù)據(jù)達到設計要求，28 天強度達到峰值。故本配方暫定粉煤灰摻量為20%。

根據(jù)混凝土配合比設計規(guī)范要求，在用水量不變的情況下，水膠比分別增減0.05，砂率分別增減1%。進行試配實驗見表2。

根據(jù)以上強度，繪制強度與水膠比的線性關系見圖1：

圖1 混凝土強度增長曲線

從對比數(shù)據(jù)可以看出，S1 樣在上調(diào)0.05 水膠比后，混凝土強度大幅下降，凝結時間基本可控。S3 樣在下調(diào)0.05 水膠比后，混凝土強度提高明顯，但強度富余太多，其實不必要。故而決定，仍采用原始配方作為基準以進行施工實驗和下一步檢測。

1.3 高粘聚高致密外加劑研發(fā)

1.3.1 外加劑基準配方設計

現(xiàn)場施工要求的C25P6 細石噴射混凝土在設計過程中，將混凝土凝結時間通過混凝土膠凝材料中礦物摻合料比例來進行調(diào)整控制，則混凝土用外加劑中減水組分和保坍組分乃至引氣和消泡組分對混凝土的凝結時間應在理論上不存在影響，與速凝劑作用機理應在理論上不存在相互抵抗的問題。而保坍組分則是通過對阻斷水泥分子與水接觸空間，對不帶電粒子實施有效阻隔，對速凝劑等帶電荷粒子不存在影響。故而在研發(fā)此外加劑時已具備理論基礎。

為確保自制外加劑的加入是能夠有效提高混凝土的各項性能，且與速凝劑不相沖突。在制備高粘聚高致密外加劑后，仍需進行正交實驗已確保無虞。相關研究對比見表3。

通過上述正交實驗可以得出如下結論：

⑴當外加劑中減水組分逐漸增加時，混凝土強度呈逐步增長到趨于平穩(wěn)趨勢，當減水母液用到到達150 以后，效果達到最大化，后續(xù)繼續(xù)提高減水率，混凝土強度增長不明顯。

⑵當外加劑中保坍組分逐漸增加時，混凝土凝結時間逐步增長，當保坍母液用量為50Kg/t、減水母液用量為150Kg/t 時，混凝土凝結時間達到最長，為555 分鐘。

⑶混凝土的壓力泌水率和回彈率隨著減水母液的用量增長逐漸降低后有反升趨勢，凝結時間則變化不大。

綜上所述，正交實驗中編號A4 的外加劑配比表現(xiàn)最為優(yōu)異，自制聚羧酸系高粘聚高致密混凝土外加劑的基準配方配方并檢測數(shù)據(jù)如表4。

表1 設計配合比及實測數(shù)據(jù)

表3 不同配方外加劑對混凝土性能影響

表4 自制外加劑基準配方及檢驗數(shù)據(jù)

表5 摻入不同外加劑摻量混凝土配合比

1.3.2 摻入外加劑混凝土配合比調(diào)整

在混凝土水膠比控制在0.54 時，通過調(diào)整不同外加劑摻量可得出不同混凝土配合比，經(jīng)重復試配和數(shù)據(jù)檢測，相關混凝土配方見表5。

經(jīng)綜合分析，確定外加劑摻量為1.2%時，C25P6 細石噴射混凝土各項數(shù)據(jù)表現(xiàn)最優(yōu)。故確定噴射混凝土最終采用配方為水泥:煤灰:砂:碎石:外加劑:水=279:70:784:998:4.19:188。

1.4 實驗結果數(shù)據(jù)分析

⑴抗壓強度實驗：試件采用150×150×150 標準立方體試模，每組三個測量噴射混凝土抗壓強度。采用噴射法進行現(xiàn)場取樣，直接向邊長為150mm 的鋼模進行噴射混凝土制作試件，經(jīng)多次失敗后終于成型1h、3h、24h、7d、28d、90d 共6 組試件，實驗結果見表6。

表6 不同齡期混凝土強度

從強度檢測結果可以看出，加入速凝劑后噴射混凝土快速形成強度，早強強度增長穩(wěn)定，后期強度增長逐漸趨于平穩(wěn)。1d 強度達到了14.4MPa，遠大于7MPa，28d抗壓強度45.6MPa，遠大于設計值25MPa。

⑵回彈率測定：本團隊聯(lián)合施工方對噴射施工工藝進行評估后，參照JGJ/T372—2016《噴射混凝土應用技術規(guī)程》附錄“噴射混凝土回彈率實驗”中提到的方法，開展了噴射混凝土回彈率試驗測試。測試結束后，噴射施工效果良好，結構表面平整，無裸露鋼筋等支護設備。實驗共用濕噴混凝土8 方，合計18560Kg，速凝劑用量為195.44Kg，實際掉落混凝土質量為1312.8Kg。噴射混凝土膠材用量為349Kg/m3，因此，速凝劑的用量為7%，混凝土的回彈率為8.1%。施工過程混凝土和易性可控，泵送順暢，現(xiàn)場無二次調(diào)整過程，無論速凝劑的用量，膠凝材料使用總量，總用水量都得到大大降低。混凝土回彈率更是低至10%以下。

2 結論

當前國內(nèi)對于噴射混凝土的研究多為工程角度，少有從混凝土性能和外加劑相關入手調(diào)整混凝土性能以優(yōu)化施工方案等跨專業(yè)研究領域的文獻和實際應用案例見諸報道。無論干噴還是濕噴，目前各項目多數(shù)以現(xiàn)場制備為主，極少有啟用商品混凝土的案例。本研究通過對比工地特點與商品混凝土性能相結合的方法，提出通過混凝土中摻入礦物摻合料設計配合比以延長混凝土凝結時間，創(chuàng)造性研發(fā)聚羧酸引氣型高粘聚性高致密外加劑，與速凝劑完美適應，成功克服混凝土不能長途運輸和粘聚性差，現(xiàn)場施工苦難等問題，在使用中，做到了隨到隨泵，可施工時間長和混凝土粘聚性優(yōu)良，流動性優(yōu)良，加入速凝劑快速凝結且強度增長迅速等特點。為噴射混凝土在更多更大范圍的應用鋪平了道路。