納米材料在隧道初支噴射混凝土中的試驗研究

聶榮輝，李祖權(quán)，田海龍

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

我國隧道等地下工程的初期支護噴射混凝土在采用濕噴工藝之后，雖然能夠解決部分干噴工藝帶來的粉塵大、環(huán)境很差、材料浪費大，噴射混凝土的密實度較差，質(zhì)量難保證［1］等問題，但實際施工過程中，在確保配合比、速凝劑摻量、施工工藝等影響濕噴混凝土回彈的主要因素［2，3］基本滿足要求的前提下，回彈率仍在30%左右，且掉塊是濕噴工藝獨有的一種問題。馬忠誠等人［4］的研究也強調(diào)了要研究低成本的原料，優(yōu)化濕噴技術(shù)工藝才能更好地推廣應用。為了進一步降低回彈率，減少掉塊，采用一種市售納米材料摻入混凝土中，與基準混凝土進行對比試驗，以驗證該納米材料對混凝土工作性能、回彈率、噴射厚度、平整度及成本的影響。

1 概況

某高速公路位于廣東省清遠市境內(nèi)，標段起訖里程樁號K136+211.6～K154+652.5，全長18.441 km。全線共隧道3座，隧道總長度約為5.511 km，單洞總長達11.14 km。圖紙設(shè)計初期支護噴射混凝土用量約為93 670 m3，用量大，成本高。

在隧道噴射混凝土施工過程中，噴射混凝土回彈率較大，拱頂噴射時掉塊較多，造成混凝土超方嚴重，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平均超方都在30%左右，且速凝劑用量超耗嚴重，造成很大浪費和工程成本大幅上升；工作性能受材料變化影響、以及濕噴機設(shè)備泵管直徑小，泵管彎頭多、角度大等影響，易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，影響掌子面施工進度，且噴射混凝土平整度一次性合格率低，影響防水板鋪設(shè)，需要補噴才能滿足要求。

2 混凝土配合比

2.1 原材料

水泥為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，粗骨料是巖性為石灰?guī)r的自加工5～10 mm 碎石，母巖飽和抗壓強度86 MPa，細骨料為自制機制砂，細度模數(shù)3.0，石粉含量12.5%；減水劑為聚羧酸高效減水劑，1.0%摻量時減水率達25%以上；速凝劑為液體無堿速凝劑，7%摻量時的凈漿初、終凝時間分別為4.0 min、7.5 min。

納米材料是由某廠生產(chǎn)的一種有機無機復合型噴射混凝土專用材料。摻入噴射混凝土中可有效提高混凝土粘聚性及工作性，增加噴射混凝土與基體的粘結(jié)性，降低噴射混凝土回彈率，可部分甚至全部取代防水劑、防腐劑、減水劑及常用的材料（粉煤灰、礦粉、硅灰等）。該產(chǎn)品復合了部分防腐、調(diào)節(jié)膠凝體系的化學組成，維持體系中各相的化學平衡，從而有效提升混凝土的抗硫酸鹽、鹽類物質(zhì)腐蝕性能，可有效降低混凝土在硫酸鹽、鹽類物質(zhì)侵蝕條件下發(fā)生的表面脹裂、剝落等風險，提高混凝土強度和耐久性能。其作用機理為：

⑴通過漿體流變調(diào)控技術(shù)，能夠使混凝土“液相增稠、動態(tài)低粘、靜態(tài)高粘”的特性，即在流動狀態(tài)時混凝土具有高粘聚性，在噴射過程中粘聚性降低，在噴射到基巖面后具有高粘結(jié)性。

⑵同時基于最緊密堆積設(shè)計，通過納米改性技術(shù)，可提高噴射混凝土密實度，進而提高強度和保證率。

2.2 配合比設(shè)計

噴射混凝土標號為C25，坍落度要求為140～200 mm，摻納米材料混凝土配合比是在基準混凝土配合比的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，試驗各項指標如表1所示。

表1 濕噴混凝土配合比Tab.1 Mix Proportion of Wet Shotcrete

3 摻納米材料混凝土試驗應用效果

3.1 改善混凝土工作性能

噴射混凝土拌合物的和易性是由水灰比、灰漿體積以及骨料的配比、級配、形狀、空隙決定的［5］。納米材料具有減水性，在保證坍落度的同時，降低單位用水量，降低水灰比；納米材料能夠填充水泥的空隙，增加水泥漿的體積，能夠充分包裹骨料表面；納米材料改善了混凝土的工作性能，使混凝土對材料的變化影響敏感性減小，未出現(xiàn)離析或泌水現(xiàn)象，在泵送過程中未發(fā)生泵送困難及堵管現(xiàn)象。

而在前期施工中，基準混凝土的和易性一般，受材料變化影響、以及濕噴機設(shè)備泵管直徑小，泵管彎頭多、角度大等影響，容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，造成施工暫停和混凝土的浪費，影響掌子面施工進度。

2種噴射混凝土的性能如表2所示。

表2 摻納米材料混凝土與基準混凝土性能Tab.2 Performance of Concrete Mixed with Nano Materials and Reference Concrete

3.2 降低噴射混凝土回彈率、提高一次噴射厚度及平整度一次性合格率

納米材料的摻入能夠增加膠凝材料的比表面積，包裹能力增強，改善了粘聚性、增加了稠度，進而能夠提高混凝土拌合物的粘結(jié)強度，較大程度上減少了由于噴射時的沖擊力造成的混凝土回彈，這點與寧逢偉等人［6］，Pickelmann 等人［7］、Markus 等人［8］的相關(guān)研究中提到的結(jié)論相似。

在噴射到初噴混凝土面后，強度增長較快，減少了噴射時因自重因素導致掉塊現(xiàn)象的發(fā)生，提高了一次噴射厚度和平整度一次性合格率。在噴射混凝土時邊墻分層厚度可達到200 mm、拱部分層厚度控制在150 mm，要達到設(shè)計噴射厚度，只需要噴射1～2 層就能噴射完成，完成單個循環(huán)支護時間約為3.5 h，減少了噴射混凝土噴射時間，節(jié)約人工機械水電成本，縮短單個循環(huán)時間。摻納米材料混凝土噴射邊墻情況如圖1a所示，噴射拱頂情況如圖1b所示。

圖1 摻納米材料噴射情況Fig.1 Spraying of Concrete Mixed with Nano Materials

而基準混凝土粘結(jié)強度較差，且自身強度增長慢、導致回彈和掉塊均較大，拱頂部位尤為明顯，容易造成初支噴射混凝土不密實、背后形成空洞，平整度一次性合格率低，進而影響防水板的鋪設(shè)，造成防水板后不密實或者脫空?；鶞驶炷猎趪娚浠炷習r邊墻分層厚度控制在80～150 mm、拱部分層厚度控制在60～100 mm［9］，噴射時需分2～3 層才能完成噴射，完成單個循環(huán)支護時間為4 h?；鶞驶炷羾娚溥厜η闆r如圖2a 所示，噴射拱頂情況如圖2b所示。

圖2 基準混凝土噴射情況Fig.2 Spraying of Reference Concrete

在完成基準混凝土與摻納米材料混凝土噴射施工后，收集散落在彩條布上的混凝土，使用體積計量法確定回彈量，噴射混凝土回彈率和掉塊數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表3 噴射混凝土回彈率數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of Rebound Rate Data of Shotcrete

3.3 提高噴射混凝土強度

王龍等人［10］的相關(guān)研究表明納米材料能填充水泥顆粒之間的空隙，使結(jié)構(gòu)更加密實，提高混凝土的強度。同時，納米材料具有火山灰活性，在水化硬化過程中，與水泥基材料能生成強度較高的水化硅酸鈣凝膠，提高水泥硬化漿體的強度。

按照文獻［9］要求，在現(xiàn)場用模具制作了噴射混凝土試驗板件，使用鉆芯法取得標準試塊。經(jīng)試驗，相關(guān)試件不同齡期的強度如表4 所示，從表4 中可以看出，摻納米材料混凝土對強度有較大提高，驗證了納米材料能夠填充水泥顆粒間的空隙，提高混凝土的密實度，進一步提高混凝土的強度。

表4 噴射混凝土強度數(shù)據(jù)對比Tab.4 Comparison of Shotcrete Strength Data

3.4 降低成本

通過對隧道噴射混凝土配合比的優(yōu)化，對現(xiàn)場基準混凝土與摻納米材料混凝土的噴射情況進行對比，摻納米材料混凝土的噴射施工質(zhì)量優(yōu)于基準混凝土，且綜合成降低了88.5 元/m3。噴射混凝土綜合成本分析如表5所示。

表5 噴射混凝土綜合成本分析對比Tab.5 Comparison of Comprehensive Cost Analysis of Shotcrete

4 結(jié)語

通過對比試驗表明，摻納米材料噴射混凝土比基準噴射混凝土具有以下優(yōu)勢：

⑴改善混凝土的和易性，提高混凝土可泵性，降低了堵管風險。

⑵降低噴射混凝土施工過程的回彈率、提高一次噴射厚度、有效地降低掉塊現(xiàn)象、提高噴射混凝土表面平整度一次性合格率。

⑶提高噴射混凝土施工效率、節(jié)約噴射混凝土的施工時間。

⑷降低噴射混凝土的綜合成本（人員、設(shè)備、水電等），提高混凝土施工質(zhì)量。

盡管納米材料的價格相對較高，但其對隧道初期支護的施工質(zhì)量及帶來的綜合效益顯著，具有推廣使用價值。