3種速凝劑對水工噴射混凝土性能影響研究

任玉杰

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

水工噴射混凝土是指在高壓縮空氣驅(qū)動下將通過噴濕機管道內(nèi)的水工混凝土均勻地噴射在結(jié)構(gòu)受噴面上[1]，以達到自動壓實并短時間內(nèi)產(chǎn)生強度的一種特殊水工混凝土[2]。由于水工噴射混凝土終凝時間較短、早期強度較高、靈活性較大等優(yōu)點[3]，其被廣泛應(yīng)用于水利襯砌等工程中[4]。例如，在水工隧洞開挖施工中，主要面臨地下突涌水、高地應(yīng)力造成的巖爆以及斷層破碎帶等方面工程地質(zhì)問題[5]。為了引水隧洞開挖既快速又便捷，以及洞室永久穩(wěn)定，有必要對強巖爆、強滲水等洞段特殊噴射混凝土性能加以關(guān)注[6]。為實現(xiàn)速凝快硬、降低回彈損失、防止由于重力驅(qū)動而造成的脫落現(xiàn)象、提升噴射水工混凝土在潮濕、含水巖層中等使用的適應(yīng)性能以及降低層間的噴射間隔時間，一般在水工噴射混凝土中摻入適量的速凝劑[7]。

目前，速凝劑在組成、制備、性能與水利工程應(yīng)用方面取得了較為豐碩的研究成果[8]。然而，各類速凝劑的特性與速凝機理還不完善。在施工過程中，若盲目摻入速凝劑，可能會引發(fā)諸多質(zhì)量事故[9]?；谏鲜鲅芯勘尘?，本文研究3種普通速凝劑量對水工噴射混凝土性能影響，以期在實現(xiàn)加快水利工程建設(shè)進度、節(jié)省水工混凝土用量等具有重要的工程實用價值。

1 試驗材料

1.1 速凝劑材料

取10 g±0.2 g共3種普通速凝劑開展檢測試驗。檢測試驗依據(jù)為《噴射混凝土用速凝劑》(JC 477-2005)。主要儀器設(shè)備有微機電液伺服壓力試驗機、維卡儀。試驗結(jié)果見表1。

表1 3種速凝劑材料檢測結(jié)果

由表1可知，本次所取3種速凝劑的單項判定均達標，可以開展摻速凝劑水工噴射混凝土性能試驗。

1.2 水 泥

配制混凝土時，一般按照配制混凝土的強度等級選擇水泥標號?；炷僚渲七^程中一般會釋放熱量，尤其對于大體積混凝土而言，為了控制混凝土內(nèi)外溫差，減小混凝土收縮的負面影響，因此須嚴格控制混凝土拌和物中水泥用量。

水泥采用烏魯木齊當?shù)厮鄰S生產(chǎn)的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，其化學成分、物理性能以及力學性能試驗結(jié)果見表2-表4。

表2 水泥化學成分試驗結(jié)果

表3 水泥物理性能試驗結(jié)果

表4 水泥力學性能檢測結(jié)果

由表2-表4可知，本次試驗所用硅酸鹽水泥判定達標，可以開展摻速凝劑水工噴射混凝土性能試驗。

1.3 砂、石骨料、水

骨料均采用飽和面干狀態(tài)為基準；混凝土試驗用60 L自落式混凝土攪拌機、拌和時間3 min。人工砂、石骨料的品質(zhì)試驗結(jié)果分別見表5、表6。

表5 人工砂品質(zhì)試驗結(jié)果

表6 人工粗骨料品質(zhì)試驗結(jié)果

試驗所采用的粗、細骨料的各項指標均滿足《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144-2001)的要求。拌和用水為所在地自來水廠供應(yīng)的系統(tǒng)用水。

2 試驗方法

針對每種速凝劑，試驗均設(shè)計了4種方案，具體見表7。

表7 4種設(shè)計方案

2.1 混凝土配合比設(shè)計

現(xiàn)場試驗混凝土配合比設(shè)計均根據(jù)所采用的材料，按照強度、和易性、抗?jié)B性、彈性模量等因素進行設(shè)計考慮，使混凝土滿足強度，具有較好的抗?jié)B性及耐久性能。本試驗根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55-2011)采用全計算法配合比設(shè)計方法。本試驗擬采用的摻合料為仿鋼纖維、納米材料，按照4個試驗方案，采用雙摻的方式，對混凝土配合比進行設(shè)計，并進行對比試驗，同時對相關(guān)的強度指標進行比較。

2.2 混凝土濕噴工藝流程圖

水工混凝土現(xiàn)場濕噴工藝流程見圖1。

圖1 濕噴水工混凝土現(xiàn)場施工工藝流程

2.3 試驗要點

1) 噴頭移動方式。現(xiàn)場試驗噴射過程中，噴射手應(yīng)根據(jù)隧洞周圍圍巖松緊等具體情況，緩慢地呈S、8字及螺旋線等移動，從而較容易保證洞壁混凝土在噴射到規(guī)定厚度后移開，并逐步噴射到其它須噴面上，通常按照由下往上、先墻后拱的順序施工。若混凝土表面坑洼較大時，需先用混凝土填平表面，滿足要求后，再調(diào)節(jié)噴頭成S形或螺旋狀均勻緩慢地按照噴射部位加以移動，減少濕噴混凝土現(xiàn)場回彈現(xiàn)象發(fā)生。相鄰兩圈噴射試驗時，后圈必須壓一半前圈噴射面噴射，建議每圈噴射4～5 m。總之，務(wù)必確?；炷帘砻嫫秸?、光滑，為后續(xù)洞壁施工提供一定的便利性。

2) 回彈量調(diào)整。噴射混凝土與鋼筋、骨料顆粒等障礙物發(fā)生碰撞后，掉落的混凝土即為回彈量。鑒于一般水泥用量、鋼筋直徑(使用量)、粗細骨料粒徑、噴槍傾斜角度、濕射機風壓力、水灰比等均是影響回彈量大小的因素，因此一般在初噴時回彈量均較大，混凝土塑性層形成后由于嵌入的粗骨料會導致回彈量變小，因此建議首次噴射厚度不得小于4 cm。通?；貜椓现械乃嘤昧枯^小，而雜物很多，因此不宜將回彈料放入濕噴機中留待二次噴射使用。

3) 噴射角及距離。噴射時，噴嘴需保持與洞壁巖面相垂直。而在邊墻噴射時，為了將混凝土方便地噴射到已噴較厚的混凝土頂端，噴嘴建議向下傾斜一定的角度(約10°)，參照直徑方向為準對隧洞頂部進行噴射，受噴面若因鋼筋、格柵等障礙物的覆蓋，則允許噴頭加以適當傾斜(傾斜角度不宜過大)，同時又要防止二者之間角度太小導致混凝土拌和物在受噴面滾動，而產(chǎn)生波形噴面的同時會造成回彈量變大；需要根據(jù)最小回彈量即最高強度來計算設(shè)計混凝土噴射距離。建議主要以回彈量最小并結(jié)合料束較集中為前提加以考慮，噴射距離一般不允許突破0.5～1.0 m，噴嘴處的風壓力控制在0.3～0.5 MPa的范圍內(nèi)。

3 試驗結(jié)果

經(jīng)過前后12次進行現(xiàn)場取樣分析，其抗壓強度等指標均能夠較好滿足要求，3種速凝劑對水工噴射混凝土性能影響相差較小。根據(jù)取樣均值進行統(tǒng)計，具體實驗結(jié)果見表8。

表8 試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 3種速凝劑對水工噴射混凝土性能影響相差較小。

2) 噴射現(xiàn)場速凝劑摻入量控制為水泥用量的3%～5%左右為宜，不同工程需要的摻入量需以試驗調(diào)整后確定為準。

3) 摻入量過多會大大降低混凝土強度，失去其速凝的價值；摻入量較少，則易造成已噴射成型的水工混凝土大面積脫落，以及回彈量較大，難以達到理想效果。