濕噴混凝土配合比設(shè)計室內(nèi)試驗方法研究

孟曉燕，劉錄錄

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

噴射混凝土是將拌和后的水泥、砂、石和速凝劑等混合料，通過噴射機直接噴射在圍巖表面，同圍巖緊密結(jié)合形成混凝土支護面，從而達到圍巖穩(wěn)定的目的，普遍適用于隧道、洞室、邊坡、基坑等工程支護或面層結(jié)構(gòu)[1]。但隨著噴射混凝土的不斷發(fā)展，目前也適用于因地震、火災(zāi)、振動等因素引起的建筑物損害的修復(fù)加固工程，也可以用于因施工不良造成的混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的修補[2]。但是噴射混凝土配合比設(shè)計在我國沒有制定統(tǒng)一標(biāo)準，其試驗方法一直存在爭議。

經(jīng)查閱相關(guān)資料可知，現(xiàn)使用的噴射混凝土配合比試驗方法主要分為兩種：一種是在室內(nèi)搭建臺壁，模擬現(xiàn)場地質(zhì)結(jié)構(gòu)，使用小型濕噴機完成試驗[3]。其優(yōu)點是試驗環(huán)境好，實驗設(shè)備要求低；缺點是試驗準備周期長，得出的理論配比還需要在施工前結(jié)合工地現(xiàn)場再次濕噴來修正配合比。另一種是先在試驗室提出基準配合比后，再結(jié)合工地現(xiàn)場施工環(huán)境，依靠現(xiàn)場的噴護設(shè)備完成配合比試驗[4]。其優(yōu)點是試驗后的配合比可以直接在工程中使用；缺點是試驗成本大，人力物力耗費多，造成資源浪費。兩種試驗方法都存在試驗成本大、周期長等缺點。因此，本文通過結(jié)合工程實例，在試驗室內(nèi)完成噴射混凝土配合比試驗，采用100 mm試模成型混凝土試塊作為抗壓強度試驗試塊，并結(jié)合施工現(xiàn)場制備噴射混凝土大板驗證室內(nèi)噴射混凝土配合比試驗方法的可靠性，為濕噴混凝土配合比設(shè)計的試驗方法提供參考價值。

1 原材料及配合比確定

1.1 原材料

水泥為阜康天山水泥廠生產(chǎn)的中抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，粉煤灰為烏魯木齊乾元盛貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級F類粉煤灰，減水劑為五家渠格輝新材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的高性能減水劑，速凝劑為新疆五家渠格輝新材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的無堿液態(tài)速凝劑，試驗用拌和水為自來水。經(jīng)檢驗，以上5種原材料的物理力學(xué)性能均滿足規(guī)程規(guī)范要求。

試驗用骨料取于工地現(xiàn)場4家施工單位所使用的料場，分別為C10 料場生產(chǎn)的河砂，鑫明料場生產(chǎn)的天然砂和小石，P5料場由凝灰質(zhì)砂巖破碎后的人工砂和小石，砂粒徑均為<5 mm，小石粒徑均為5～10 mm。各級骨料的主要指標(biāo)檢測結(jié)果見表1。

表1 混凝土骨料檢測結(jié)果

1.2 試驗配合比確定

根據(jù)工程設(shè)計參數(shù)要求，噴射混凝土設(shè)計參數(shù)為出機坍落度為180±20 mm、含氣量<5%、抗壓強度大于30 MPa。按照《混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(DL/T 5330-2015)中“當(dāng)設(shè)計齡期為28 d且抗壓強度保證率P為95%時，混凝土配制強度計算后應(yīng)為37.4 MPa；用于濕法噴射的混合料拌制后，應(yīng)進行坍落度測試，其坍落度宜為80～120 mm”兩點要求[5]。但在實際工程中受到骨料品質(zhì)、施工環(huán)境、運輸距離、噴射條件、施工性能等因素的影響，當(dāng)混凝土出機坍落度為80～120 mm時，加入速凝劑后的噴射混凝土的回彈率高、強度低，根本無法達到施工質(zhì)量要求。經(jīng)過多次試驗優(yōu)選調(diào)整后，每方混凝土中用水量在175～185 kg、膠凝材料用量不低于470 kg，出機坍落度控制在180～200 mm范圍內(nèi)，才能滿足設(shè)計指標(biāo)和施工性能要求。通過前期的試驗研究，現(xiàn)從中優(yōu)選出的4組噴射混凝土配合比見表2。

表2 噴射混凝土試驗優(yōu)選配合比

2 試驗方案

2.1 室內(nèi)100 mm試模成型試驗

在試驗室內(nèi)成型加入速凝劑的混凝土的方法在各個規(guī)范中還未做出規(guī)定，本次試驗中首次提出成型100 mm立方體試件的試驗方法。

將選定的基準配合比按照各原材料比例放入試驗用混凝土攪拌機中拌和，出機后直接裝入100 mm×100 mm的立方體試模中成型，做7 d，28 d抗壓強度試驗。需加速凝劑的混凝土再次拌和出機后，倒入實驗平臺，待測定坍落度等指標(biāo)后攤鋪開，將速凝劑快速均勻撒在混凝土表面，充分人工拌和20～30 s后，然后快速裝入試模成型，并放到振動臺上振動5～10 s，振動時充分壓摁拌和物，類似模擬濕噴機噴槍壓力，使試模填充密實，成型1天后脫模放置養(yǎng)護室養(yǎng)護。

2.2 現(xiàn)場噴大板試驗

為驗證室內(nèi)試驗方法的可行性，將4個配合比在施工隧洞中完成噴大板試驗，現(xiàn)場使用混凝土拌和站拌和，每次拌制2 m3，由混凝土罐車拉至隧洞內(nèi)，倒入混凝土濕噴機，噴射時在噴嘴處加入速凝劑，然后開始噴射工作，噴射順序為從左往右，自上而下。在成型大板前，先對著巖壁噴射一段時間，然后將中間部分混凝土噴入試模，每個配比成型5個大板，噴大板試模為450 mm×350 mm×200 mm的木制試模。成型1天后脫模，放入標(biāo)準養(yǎng)護室養(yǎng)護，養(yǎng)護3天后將大板切割成100 mm×100 mm的立方體試塊，試件尺寸及試驗方法應(yīng)符合《水利水電工程錨噴支護技術(shù)規(guī)范》(SL 377-2007)的規(guī)定。

3 試驗結(jié)果及分析

室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗噴射混凝土物理力學(xué)性能試驗結(jié)果分別見表3和表4，噴射混凝土7 d、28 d抗壓強度比對分析見圖1。

表3 室內(nèi)混凝土物理力學(xué)性能試驗結(jié)果

表4 噴大板混凝土性能試驗結(jié)果

圖1 噴射混凝土7 d和28 d抗壓強度比對分析圖

從表3中可以看出，4個配合比在室內(nèi)不加速凝劑的情況下，噴射混凝土拌和物出機坍落度在190～200 mm之間，含氣量在2.8%～4.8%之間，表觀密度在2 320～2 350 kg/m3范圍內(nèi)，各項指標(biāo)均在設(shè)計要求內(nèi)，且混凝土3，7，28 d抗壓強度均較大；加速凝劑后混凝土抗壓強度明顯小于不加速凝劑的混凝土，特別是3 d抗壓強度只達到30%，28 d抗壓強度達到80%左后，經(jīng)分析原因主要是受速凝劑的影響，前期強度增長緩慢，整體強度損失較大，但都能滿足設(shè)計指標(biāo)。

從表4中可以看出，現(xiàn)場噴大板混凝土出機狀態(tài)和易性良好，坍落度在210～220 mm，含氣量在4.0%～5.1%，兩項指標(biāo)略有增大，造成增大的原因是由于混凝土拌和設(shè)備和試驗環(huán)境與室內(nèi)存在較大差異行成的。現(xiàn)場噴射混凝土拌和物性能和28 d抗壓強度均能滿足設(shè)計指標(biāo)。

對圖1的試驗數(shù)據(jù)對比可知，現(xiàn)場噴大板混凝土的7 d、28 d抗壓強度均大于室內(nèi)成型混凝土，但都相差不大，且兩種試驗方法成型的混凝土28 d抗壓強度都大于配制強度；加入速凝劑的混凝土7 d抗壓強度只達到28 d抗壓強度的50%左右，這一規(guī)律與普通混凝土強度增長規(guī)律存在較大差異[6]。

綜上所述，噴射混凝土配合比設(shè)計試驗采用室內(nèi)試驗方法較以往的試驗方法存在以下幾個明顯的優(yōu)點：①配合比試驗使用的原材料總量大幅度減少；②試驗周期縮短，不需要太多時間做準備工作；③試驗成本降低，不需要購買濕噴機、搭建試驗臺壁，試驗人員數(shù)量少；④高效環(huán)保，不發(fā)生污染環(huán)境的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1) 采用4種不同成因和巖性的骨料用于噴射混凝土配合比中，從抗壓強度變化規(guī)律得知，在設(shè)計基準混凝土配合比時，28 d抗壓強度要高于配置強度，這樣配制的噴射混凝土拌和物性能和抗壓強度才能滿足設(shè)計參數(shù)；同時室內(nèi)試驗方法不受骨料差異的影響。

2) 施工現(xiàn)場制備噴射混凝土大板所得的抗壓強度略大于室內(nèi)成型100 mm立方體試件的試驗結(jié)果，即采用濕噴機后噴射混凝土強度得到提高，間接增大了混凝土抗壓強度保證率，進一步提高了工程實體質(zhì)量。

3) 室內(nèi)成型100 mm立方體試塊進行噴射混凝土配合比設(shè)計的方法經(jīng)試驗驗證后是可行的，且具有試驗成本低、試驗周期短、工作量少、高效環(huán)保等優(yōu)點，因此該試驗方法可在工程中予以推廣應(yīng)用。