北方地區(qū)輸水隧洞工程施工混凝土噴涂質(zhì)量控制技術(shù)探討

張秀春

(朝陽(yáng)市江河流域保護(hù)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

輸水隧洞通過(guò)噴射機(jī)械將水泥、骨料以及速凝劑按照一定比例拌和均與后，通過(guò)噴嘴將配比混凝土與水混合后在噴面上進(jìn)行噴射，凝結(jié)硬化后對(duì)混凝土進(jìn)行支護(hù)[1]。噴射混凝土按照施工工藝分為干法和濕法2種類型[2]。第一個(gè)噴嘴將骨料混凝土和水泥攪勻后進(jìn)行噴射，水從第二個(gè)噴嘴噴射到隧洞巖體面上為干法噴射施工工藝[3]。這種工藝噴射回彈率以及施工粉塵均較大，施工環(huán)境較差[4]。濕法噴射是將骨料和水泥拌勻后，通過(guò)空氣壓縮機(jī)在拌勻后的混凝土中添加速凝劑并將其噴射到巖土表層[5]。這種工藝回彈率和施工粉塵都要好于干法噴射，且可以較好地改善施工環(huán)境以及施工質(zhì)量。近年來(lái)，我國(guó)在水利工程質(zhì)量控制技術(shù)方面主要通過(guò)國(guó)家重點(diǎn)水利工程項(xiàng)目總結(jié)了大量成功的經(jīng)驗(yàn)[6-14]，但這些成果大都以南方地區(qū)輸水隧洞的研究為主，北方地區(qū)尤其是嚴(yán)寒地區(qū)的輸水隧洞噴射混凝土質(zhì)量控制技術(shù)研究還相對(duì)較少，基于此，本文通過(guò)大直徑輸水隧洞圍巖初襯用噴射混凝土配合比回彈率試驗(yàn)分析，得出配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)及降低原材料浪費(fèi)的綜合評(píng)價(jià)分析結(jié)果，對(duì)于北方地區(qū)輸水隧洞混凝土噴射質(zhì)量控制具有重要的參考和推廣價(jià)值。

1 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定方法

回彈率試驗(yàn)：在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)回彈率進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，對(duì)施工段側(cè)墻或者頂面按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分試驗(yàn)。將帆布鋪設(shè)在地面上，按照一定質(zhì)量比噴涂混凝土，對(duì)滴落到地面的混凝土進(jìn)行采集和質(zhì)量稱定?；炷粱貜椔适堑温浠炷临|(zhì)量占總質(zhì)量的百分率?；貜椔适腔炷羾娚滟|(zhì)量控制較為重要的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：在控制相同的用水量和通過(guò)減水劑控制相同的坍落度(140～160mm)條件下，調(diào)整每立方米混凝土的單位水泥用量(采用P·O42.5級(jí)水泥)，進(jìn)行噴射混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 回彈率試驗(yàn)

在某輸水隧洞施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行回彈率試驗(yàn)，該隧洞工程屬于斷面面積較大的工程隧洞，隧洞開(kāi)挖支護(hù)采用噴射混凝土方式進(jìn)行施工。通過(guò)試驗(yàn)，干噴與濕噴混凝土的回彈率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 干噴與濕噴混凝土的回彈率試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，在強(qiáng)度等級(jí)和塌落度相同的條件下，濕噴混凝土的回彈率是干噴混凝土的50%～55%。說(shuō)明濕法噴射混凝土明顯降低原材料的浪費(fèi)。

不同塌落度對(duì)濕法噴射混凝土回彈率影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 塌落度對(duì)回彈率的影響

從圖1可知，混凝土噴射的回彈率隨著塌落度的遞增呈先遞減后遞增變化，噴射的混凝土在不同塌落區(qū)間產(chǎn)生較為顯著的變化?；貜椔试谒涠确謩e為140及160mm時(shí)趨于最小值，也表明當(dāng)塌落度在140～160mm之間時(shí)回彈率較低，為塌落度最優(yōu)區(qū)間。因此，將混凝土的塌落度控制在140～160mm之間以及采用濕法噴射工藝可有效降低混凝土噴射的回彈率，提高原材料的利用率。

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

采用前述方法對(duì)噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，不同水泥用量按照每立方米噴射混凝土量進(jìn)行抗壓強(qiáng)度分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著水泥用量增加混凝土抗壓強(qiáng)度不斷增加，但當(dāng)水泥用量達(dá)到460kg/m3以后，無(wú)論是干噴混凝土還是濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)度均沒(méi)有顯著增長(zhǎng)；在相同的水泥用量條件下，濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯高于干噴混凝土。由試驗(yàn)可知，當(dāng)采用P·O42.5級(jí)水泥配制干噴混凝土?xí)r，混凝土最高配制等級(jí)只能達(dá)到C25，無(wú)論怎么增加水泥用量也不能再提高混凝土的等級(jí)；而采用濕噴混凝土?xí)r，配制強(qiáng)度等級(jí)可達(dá)C35。

圖2 水泥用量對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度的影響

由此可見(jiàn)，在配制相同噴射混凝土等級(jí)時(shí)，濕噴混凝土更節(jié)約水泥用量，但水泥用量不宜超過(guò)460kg/m3。

2.3 噴射混凝土用的速凝劑試驗(yàn)

選擇粉狀堿性速凝劑(以鋁氧熟料為主要成分)、堿性液體速凝劑(水玻璃為主要成分)和無(wú)堿液體速凝劑(硫酸鋁為主要成分)進(jìn)行試驗(yàn)研究，為選擇噴射混凝土用的速凝劑提供參考。3個(gè)品種的速凝劑的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，當(dāng)速凝劑凝結(jié)時(shí)間基本相同時(shí)，速凝劑的摻量由小至大為有堿液體速凝劑、粉狀堿性速凝劑、無(wú)堿液體速凝劑。其中，3種速凝劑的砂漿和混凝土的1d抗壓強(qiáng)度差異較小，粉狀速凝劑約偏高；28d抗壓強(qiáng)度比由大至小為無(wú)堿液體速凝劑、有堿液體速凝劑、粉狀堿性速凝劑，但無(wú)堿液體速凝劑的砂漿28d抗壓強(qiáng)度比達(dá)到102%，混凝土28d抗壓強(qiáng)度比達(dá)到95%。液體速凝劑的回彈率明顯低于粉狀速凝劑。速凝劑的總堿量有低至高為無(wú)堿液體速凝劑、有堿液體速凝劑、粉狀堿性速凝劑；當(dāng)混凝土中骨料存在疑似堿活性或堿活性骨料時(shí)，應(yīng)選擇無(wú)堿液體速凝劑，不得選用堿性速凝劑。

表2 不同品種速凝劑性能試驗(yàn)結(jié)果

由此可見(jiàn)，在噴射混凝土中宜優(yōu)先選用無(wú)堿液體速凝劑，混凝土后期強(qiáng)度可得到有效保證，混凝土回彈率也可同時(shí)得到不同程度的降低，從而提高混凝土的施工強(qiáng)度和耐久度。

2.4 速凝劑初凝時(shí)間對(duì)噴射混凝土回彈率的影響

速凝劑凝結(jié)時(shí)間按照J(rèn)C477《噴射混凝土用速凝劑》的方法進(jìn)行質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的控制，噴射混凝土回彈率再按照混凝土初凝時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。噴射混凝土回彈率受速凝劑初凝時(shí)間影響分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 速凝劑初凝時(shí)間對(duì)回彈率的影響

從圖3可知，混凝土噴射的回彈率隨著速凝劑凝結(jié)時(shí)間的遞增呈先遞減后遞增的變化，干噴混凝土的回彈率在速凝劑初凝時(shí)間為2～3min時(shí)處于相對(duì)較低值，濕噴混凝土的回彈率在速凝劑初凝時(shí)間為3～4min時(shí)處于相對(duì)較低值。因此，為提高混凝土噴射原材料的利用率，干噴和濕噴混凝土速凝劑初凝最優(yōu)時(shí)間應(yīng)分別控制在2～3min和3～4min之間。

2.5 粉煤灰對(duì)噴射混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

速凝劑凝結(jié)時(shí)間按照標(biāo)準(zhǔn)JC477的方法進(jìn)行試驗(yàn)控制，不同粉煤灰摻量下水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，隨著粉煤灰摻量的增加速凝劑的凝結(jié)時(shí)間不斷增加，當(dāng)粉狀速凝劑的粉煤灰摻量達(dá)到30%時(shí)，初凝的凝結(jié)時(shí)間大于5min，凝結(jié)時(shí)間不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(不大于5min)；當(dāng)無(wú)堿液體速凝劑的粉煤灰摻量達(dá)到25%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)可知，粉狀堿性速凝劑粉煤灰的最大摻量為25%，無(wú)堿液體速凝劑粉煤灰的最大摻量為20%。

表4 粉煤灰摻量對(duì)水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間的影響

2.6 粉煤灰摻量對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度的影響

粉煤灰不同摻量對(duì)干噴混凝土和濕噴混凝土的強(qiáng)度的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4—5所示。

圖4 粉煤灰摻量對(duì)干噴混凝土強(qiáng)度的影響

從圖4—5可知，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的提高呈先遞增后遞減變化，干噴混凝土抗壓強(qiáng)度最大值出現(xiàn)于粉煤灰摻量為10%時(shí)，隨著粉煤灰摻量不斷增加,其抗壓強(qiáng)度逐步減小。同樣，濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度最大值出現(xiàn)于粉煤灰摻量為15%時(shí)，隨著粉煤灰摻量不斷增加，其抗壓強(qiáng)度逐步減小。

圖5 粉煤灰摻量對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度的影響

3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)噴射混凝土施工工藝應(yīng)優(yōu)選濕法噴射，可以降低噴射混凝土的回彈率，降低施工時(shí)的粉塵，改善工作環(huán)境。

(2)濕噴和干噴2種方式粉煤灰最優(yōu)摻量比建議分別控制為15%和10%。摻入粉煤灰可以降低噴射混凝土的回彈率、提高了混凝土前期強(qiáng)度和耐久性，保證了混凝土后期強(qiáng)度。

(3)在混凝土噴射時(shí)，坍落度應(yīng)控制在140～160mm之間，坍落度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)使得其混凝土噴射的回彈率有所增加，從而降低原材料的利用率。

(4)水泥的最大用量在后續(xù)研究中還需要進(jìn)行優(yōu)化確定，當(dāng)水泥用量大于一定量以后噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有增加。