納米材料在噴射混凝土中的應(yīng)用研究

張 興 德， 雷 英 強(qiáng) ， 丁 建 彤

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

常規(guī)C20～C30噴射混凝土施工作業(yè)存在綜合回彈率高、一次噴射厚度薄、混凝土強(qiáng)度經(jīng)常不合格、施工環(huán)境粉塵濃度高等問題。干(潮)噴混凝土的綜合回彈率一般達(dá)到20%以上，甚至達(dá)到40%～50%；濕噴混凝土回彈率亦經(jīng)常超過20%[1]。

新建京張鐵路8標(biāo)草帽山隧道的C25濕噴混凝土回彈率最高達(dá)30%以上，鍋浪蹺水電站1號引水隧洞的C20干噴混凝土回彈率達(dá)到25%以上，嚴(yán)重增加了施工成本且增加了噴射支護(hù)的工期。在影響噴射混凝土回彈率的各種因素中，噴射設(shè)備、施工人員素質(zhì)、圍巖條件往往難以改變或根本改變不了，因此，通過摻加新材料以降低混凝土回彈率不失為一種便捷有效的方法。

2 摻加新型納米材料在水電工程中的應(yīng)用

技術(shù)人員在錦屏二級水電站引水隧洞混凝土施工中摻加了一種新型納米材料，將CF30濕噴混凝土的綜合回彈率降至8%～10%，且其1 d強(qiáng)度達(dá)到20 MPa[2，3]。在水電七局正在施工的白鶴灘水電站地下廠房中摻加了一種納米材料后，在一次噴射厚度達(dá)到25 cm的情況下其頂拱CF30濕噴混凝土的回彈率不到15%[4，5]，其體積粒徑為100～300 nm，可顯著降低普通噴射混凝土的回彈率、提高其初期和后期強(qiáng)度，其作用機(jī)理主要是增加混凝土拌合物的內(nèi)聚性和黏結(jié)力以減少回彈，增加混凝土硬化后的密實(shí)度以提高強(qiáng)度，這一效果已經(jīng)多個項(xiàng)目進(jìn)行的現(xiàn)場工藝性試驗(yàn)驗(yàn)證，HB7-2型納米材料在多個項(xiàng)目中取得的應(yīng)用成果(部分)見表1。

表1 HB7-2型納米材料在多個項(xiàng)目中取得的應(yīng)用成果(部分)表

3 HB7-2型納米材料在成都地鐵18號線中的應(yīng)用研究

成都地鐵18號線全長約69.39 km，起于火車南站，沿天府大道東側(cè)向南敷設(shè)，經(jīng)環(huán)球中心、世紀(jì)城、麓山至天府新區(qū)博覽城片區(qū)后穿越龍泉山向東經(jīng)三岔湖片區(qū)至天府新機(jī)場。其中成都軌道交通18號線工程土建5標(biāo)的龍泉山隧道為全線關(guān)鍵控制性工程，全隧區(qū)域?yàn)辇埲接蜌馓锓植紖^(qū)域，是國內(nèi)最長穿越高瓦斯地層的軌道交通線。該隧道采用鉆爆法開挖方式，穿越巖層多為風(fēng)化頁巖，采用C25噴射混凝土作為初期支護(hù)，其鋼拱架與鋼筋網(wǎng)支護(hù)方式、地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)參數(shù)等見表2(工作面相關(guān)信息表)。據(jù)了解，其現(xiàn)場噴射混凝土回彈率達(dá)到30%左右，計(jì)劃單個工作面月進(jìn)度為100～120 m，而實(shí)際上月進(jìn)度只能達(dá)到70～80 m，混凝土28 d強(qiáng)度亦剛好達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。為此，在隧道施工中采用了HB7-2型無機(jī)納米材料進(jìn)行噴射混凝土以改善其綜合性能。

表2 工作面相關(guān)信息表

3.1 實(shí)施方案

項(xiàng)目部將現(xiàn)場工藝性試驗(yàn)與長期應(yīng)用成果相結(jié)合，在18號線現(xiàn)場原材料、施工工藝不變的情況下，對比了現(xiàn)有噴射混凝土配合比(以下簡稱基準(zhǔn)混凝土)與摻入10%的HB7-2型納米材料等量替代水泥后其混凝土配合比(以下簡稱摻納米材料混凝土)的現(xiàn)場混凝土回彈率、一次噴射厚度、施工工效、粉塵濃度、1 d抗壓強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度、28 d抗凍抗?jié)B性能、抗硫酸鹽侵蝕性能等。其中回彈率在工藝性試驗(yàn)中采用回彈物收集方法測試；施工工效采用長期應(yīng)用的通過噴射凈時(shí)間與噴射進(jìn)尺的方式進(jìn)行測試；在施工過程中實(shí)時(shí)測試噴射過程中的粉塵濃度。

3.2 原材料及納米材料應(yīng)用的現(xiàn)場條件

(1)原材料。采用都江堰拉法基水泥有限公司生產(chǎn)的P?O42.5水泥；人工砂細(xì)度模數(shù)為2.9，石粉含量為6.6%；粒徑為5～10 mm的人工碎石；堿性速凝劑摻量為6%時(shí)，初凝時(shí)間為5 min 45 s，終凝時(shí)間為10 min 23 s。納米材料采用成都東藍(lán)星新材料有限公司生產(chǎn)的HB7-2型噴射混凝土納米材料，HB7-2W型納米材料性能測試結(jié)果見表3。

表3 HB7-2W型納米材料性能測試結(jié)果表

(2)噴射混凝土的生產(chǎn)及運(yùn)輸工藝。混凝土采用拌合樓集中拌制，每次攪拌1 m3，其攪拌工藝為砂石—膠材—水的投料順序。摻納米材料混凝土的投料順序?yàn)閷胶土贤度氲缴笆分?，再進(jìn)行膠材與水的投料。速凝劑均在現(xiàn)場通過機(jī)械添加。

每次運(yùn)輸混凝土的方量為5 m3，從拌合站到工作面的距離為600～1 000 m，運(yùn)輸時(shí)間為5～15 min。

4 工藝性試驗(yàn)成果及現(xiàn)場應(yīng)用效果

4.1 現(xiàn)場試驗(yàn)配合比參數(shù)

基準(zhǔn)混凝土采用成都地鐵18號線目前使用的C25噴射混凝土，摻納米材料混凝土以10%納米材料等量替代水泥，保持配合比與設(shè)計(jì)容重不變，設(shè)計(jì)水膠比為0.46，砂率為52%，現(xiàn)場試驗(yàn)配合比參數(shù)見表4。

表4 現(xiàn)場試驗(yàn)配合比參數(shù)表

4.2 施工工藝參數(shù)

在成都地鐵18號線納米材料工藝性試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用對比過程中，并未針對納米材料單獨(dú)研究其施工工藝。考慮到對比的準(zhǔn)確性，其施工工藝邊界條件并未改變，故基準(zhǔn)混凝土與納米混凝土均采用同樣的施工工藝。雖然《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》GB 50086-2015對其施工工藝有推薦性要求，但在實(shí)際工程中，絕大部分噴射混凝土施工工藝是由噴漿手的操作習(xí)慣決定的，因此，在本次工藝性試驗(yàn)過程中并未針對施工工藝有強(qiáng)制性要求，而是以實(shí)際噴漿手的操作習(xí)慣進(jìn)行測定。施工前，工人會簡單用有壓水清理工作面，然后進(jìn)行混凝土噴射，現(xiàn)場施工工藝參數(shù)見表5。

表5 現(xiàn)場施工工藝參數(shù)表

4.3 回彈率、一次噴射厚度與粉塵濃度

回彈率測試前，在地面鋪一層彩條布，彩條布的面積應(yīng)足以收集絕大部分回彈物，記錄噴射混凝土方量，分別測試邊墻及頂拱的回彈率。測試結(jié)果表明：摻納米材料較基準(zhǔn)混凝土矮邊墻回彈率降低了73.3%，上臺階邊墻回彈率降低幅度達(dá)56%，頂拱回彈率降低幅度達(dá)62.6%，混凝土回彈率測試結(jié)果見表6、摻納米(左)與基準(zhǔn)混凝土(右)回彈率現(xiàn)場效果見圖1。

表6 混凝土回彈率測試結(jié)果表

圖1 摻納米(左)與基準(zhǔn)混凝土(右)回彈率現(xiàn)場效果圖

由于地質(zhì)條件原因，開挖過程中均出現(xiàn)了較大面積的超挖現(xiàn)象，實(shí)際厚度為25 ～55 cm。故在實(shí)際施工過程中，工人噴射基準(zhǔn)混凝土與納米材料混凝土均采用定點(diǎn)噴射。由于噴射基準(zhǔn)混凝土的回彈率較大，通常需進(jìn)行2～3次噴射才能噴滿，而噴射納米材料多為一次性噴滿，一次噴射混凝土厚度對比情況見表7。

表7 一次噴射混凝土厚度對比表

由此可見：摻納米材料混凝土一次噴射厚度較不摻納米材料混凝土可提高約1倍。

與不摻納米材料混凝土的基準(zhǔn)組相比，噴槍手普遍反映摻納米材料混凝土噴射上去后附著性好、粉塵少。經(jīng)實(shí)測其粉塵濃度降低了47%。

4.4 混凝土拌合物性能、硬化混凝土性能及混凝土耐久性能

在工藝性試驗(yàn)與現(xiàn)場應(yīng)用過程中，針對所依托的成都地鐵18號線5標(biāo)，對普通噴射混凝土中的混凝土凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、電通量、抗硫酸鹽侵蝕能力、抗凍抗?jié)B能力進(jìn)行了測試，尤其針對混凝土的初期強(qiáng)度測試了其12 h及24 h強(qiáng)度?；炷量箟簭?qiáng)度均采用大板切鉆心割法測試，抗凍試驗(yàn)測試芯樣的重量損失及抗壓強(qiáng)度損失；抗?jié)B試驗(yàn)測試芯樣的抗?jié)B等級，抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)測試芯樣在硫酸鹽侵蝕下的質(zhì)量損失及抗壓強(qiáng)度損失。混凝土凝結(jié)時(shí)間測試采用手感法，以手指按感覺吃力為初凝時(shí)間點(diǎn)，手指按不動為終凝時(shí)間點(diǎn)，混凝土凝結(jié)時(shí)間見表8，硬化混凝土性能見表9，摻納米材料混凝土耐久性見表10。由此可見：摻10%納米材料的混凝土凝結(jié)時(shí)間縮短，初凝縮短了25%，終凝縮短了50%，24 h強(qiáng)度增幅達(dá)87.5%，28 d強(qiáng)度增幅達(dá)30.9%且達(dá)到8 MPa。

表8 混凝土凝結(jié)時(shí)間表

表9 硬化混凝土性能表

表10 摻納米材料混凝土耐久性表

4.5 施工工效及經(jīng)濟(jì)效益分析

從2017年2月27日開始，在左右洞出口進(jìn)行了納米材料的應(yīng)用，一共統(tǒng)計(jì)了62次噴護(hù)循環(huán)數(shù)據(jù)，共計(jì)噴射267.3 h、噴射進(jìn)尺189.3 m、方量為1 682.9 m3的混凝土。其中摻納米材料混凝土總共噴射111.3 m，用量為921.9 m3；基準(zhǔn)組噴射78 m，用量為761 m3。

通過一個月時(shí)間的數(shù)理統(tǒng)計(jì)，以單位延米需要的噴射混凝土量表征其材料節(jié)約量，以單位延米凈噴射時(shí)間表征其噴射工效，材料節(jié)約率分析情況見表11，噴射工效分析情況見表12。由此可見：摻納米材料噴射混凝土每延米少用材料15.2%，每延米凈噴射時(shí)間節(jié)約0.4 h，工效提高了27.4%。

表11 材料節(jié)約率分析表

表12 噴射工效分析表

5 結(jié) 語

試驗(yàn)結(jié)果表明：在成都地鐵18號線5標(biāo)噴射混凝土中內(nèi)摻10%HB7-2W型納米材料，使混凝土直接回彈率降低15%以上，降幅達(dá)50%以上，一次噴射厚度達(dá)55 cm，施工工效提高27.4%；施工過程中的粉塵濃度降低幅度達(dá)47%，減少了對工人造成的粉塵危害；1 d強(qiáng)度超過10 MPa，增長率超過80%，增加了安全性能；28 d強(qiáng)度相當(dāng)于增加了一個強(qiáng)度等級，增幅達(dá)30%；可以在普通水膠比情況下噴射出高耐久性混凝土，為噴射混凝土提供了一種高性能材料。