降低噴射混凝土回彈率的研究

婁 鑫

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司試驗(yàn)檢測(cè)研究院，四川 成都 620860)

1 概 述

固增水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上，系木里河干流(上通壩～阿布地河段)水電規(guī)劃“一庫(kù)六級(jí)”中的第五個(gè)梯級(jí)電站，其上、下游分別與俄公堡、立洲電站銜接。工程樞紐由攔河閘壩、進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道、地面發(fā)電廠房組成，為典型的引水式電站。閘壩最大閘高為27 m，壓力引水隧洞沿木里河左岸布置，引水線路長(zhǎng)11.06 km，噴射混凝土累計(jì)施工約8.9萬(wàn)m3。

噴射混凝土從引水隧洞斷面尺寸、圍巖情況、工程進(jìn)度等方面考慮最終決定采用多點(diǎn)小型噴射機(jī)潮噴工藝施工。該工藝可靈活調(diào)配噴射混凝土施工機(jī)械，有效做好圍巖較差洞段的初期支護(hù)。鑒于噴射混凝土回彈率對(duì)項(xiàng)目的成本控制及施工進(jìn)度具有較大的影響，因此，結(jié)合噴射混凝土施工現(xiàn)狀研究如何降低噴射混凝土回彈率的方法具有較大的經(jīng)濟(jì)效益及工程意義[1]。

2 回彈率影響因素分析

由于噴射混凝土施工工藝與一般混凝土施工工藝相差較大，其主要依靠風(fēng)槍噴射時(shí)的壓力將混凝土噴射在基巖面上，使噴射混凝土與其黏結(jié)并在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的強(qiáng)度進(jìn)而達(dá)到支護(hù)的目的。但由于混凝土自重及噴射面具有的彈性，使部分混凝土不能很好地與基巖面或混凝土面黏結(jié)(脫落部分的噴射混凝土與總施工噴射混凝土的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱為回彈率)。由于固增水電站引水隧洞的尺寸不能滿足大型機(jī)械設(shè)備直接施工的條件，故只能采用小型手扶式噴射機(jī)進(jìn)行噴射混凝土的施工，其受作業(yè)環(huán)境及圍巖影響因素較多，通過(guò)規(guī)范施工操作降低噴射混凝土回彈率的難度較大，所投入的施工成本與取得的工程意義與經(jīng)濟(jì)效益不相符。因此，在降低噴射混凝土回彈率方面不考慮施工人員噴射時(shí)操作方面的影響。本文著重對(duì)其余影響因素進(jìn)行的分析研究，進(jìn)而達(dá)到降低噴射混凝土回彈率的目的[2]。

2.1 混合料級(jí)配

當(dāng)噴射混凝土的水膠比在0.4～0.45之間時(shí)，將砂與豆石的比例控制在50∶50～60∶40之間能夠在其它參數(shù)不變的情況得到較小的回彈率。但在噴射混凝土施工過(guò)程中，由于骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)質(zhì)量的波動(dòng)、母巖的變化、運(yùn)輸?shù)雀鞣矫嬖驎?huì)導(dǎo)致所使用的細(xì)骨料及豆石質(zhì)量發(fā)生波動(dòng)，因而，在配合比設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量控制過(guò)程中需要對(duì)混合骨料級(jí)配進(jìn)行篩分試驗(yàn)以確?；旌狭系暮Y分結(jié)果滿足規(guī)范要求。

進(jìn)行混合骨料篩分試驗(yàn)前，需要將細(xì)骨料與粗骨料按比例進(jìn)行混合，混合均勻后采用四分法進(jìn)行分樣。按照《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》GB50086-2015的要求進(jìn)行試驗(yàn)，混合料的篩分試驗(yàn)結(jié)果宜控制在表1范圍內(nèi)。噴射混凝土骨料通過(guò)各篩徑的累計(jì)重量百分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

表1 噴射混凝土骨料通過(guò)各篩徑的累計(jì)重量百分?jǐn)?shù)表 /%

在洞室開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中，由于連續(xù)性施工的方量較大，因此，還應(yīng)在施工過(guò)程中進(jìn)行檢查。

按照《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》GB50086-2015的要求，選取3種不同細(xì)骨料與粗骨料的比例進(jìn)行混合料篩分試驗(yàn)，不同比例下混合料篩分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同比例下混合料篩分試驗(yàn)結(jié)果表

采用以上三種不同比例的混合料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)同一工作面上進(jìn)行了噴射混凝土回彈率試驗(yàn)。

選擇C25濕法噴射混凝土配合比進(jìn)行了上述三種比例的混合料噴射混凝土回彈率試驗(yàn)。配合比參數(shù)為：容重2 320 kg/m3、水220 kg、水泥489 kg、速凝劑19.6 kg，砂和豆石按以上三種比例進(jìn)行計(jì)算。邊墻部位噴射時(shí)的回彈率為：砂∶豆石=50∶50，回彈率為16.3%，砂∶豆石=55∶45，回彈率為14.8%，砂∶豆石=60∶40，回彈率為13.9%；頂拱部位噴射時(shí)的回彈率為砂∶豆石=50∶50，回彈率為27.3%，砂∶豆石=55∶45，回彈率為23.7%；砂∶豆石=60∶40，回彈率為21.6%。

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著砂率的增大，噴射時(shí)的回彈率不斷下降，但降低的幅度在減小。而當(dāng)混凝土砂率增加時(shí)，混凝土的強(qiáng)度則會(huì)降低，進(jìn)而導(dǎo)致單m3膠凝材料用量增加，成本增加。

2.2 速凝劑摻量

速凝劑做為噴射混凝土獨(dú)有的外加劑，除了能夠快速使混凝土硬化早期強(qiáng)度提升外，還對(duì)噴射混凝土的回彈率及后期強(qiáng)度具有較為明顯的影響[3]。為了確定速凝劑對(duì)回彈率及后期強(qiáng)度的影響，對(duì)不同速凝劑摻量的噴射混凝土回彈率及后期強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用金冠P·O42.5水泥，速凝劑采用石家莊市長(zhǎng)安育才建材有限公司生產(chǎn)的GK-3A型粉狀堿性速凝劑。速凝劑不同摻量對(duì)凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 速凝劑不同摻量試驗(yàn)結(jié)果表

從表3的檢測(cè)結(jié)果可知：速凝劑隨著摻量的增加其凝結(jié)時(shí)間均呈現(xiàn)明顯縮短，但抗壓強(qiáng)度比明顯下降。因此，選擇噴射時(shí)回彈率最小的混合料比例在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了速凝劑摻量對(duì)噴射時(shí)回彈率的影響試驗(yàn)。邊墻部位回彈率試驗(yàn)結(jié)果為:3%摻量時(shí)為16.3%、4%摻量時(shí)為13.8%、5%摻量時(shí)為14.2%；頂拱部位回彈率試驗(yàn)結(jié)果為：3%摻量時(shí)為27.3%、4%摻量時(shí)為22.7%、5%摻量時(shí)為22.5%。

2.3 水泥及其它

由于水泥的品質(zhì)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為穩(wěn)定，因此，施工過(guò)程中在保證強(qiáng)度的前提條件下應(yīng)盡可能地降低其使用量。由于用水量的多少主要與混合料中的含水率相關(guān)，因此，用水量需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行確定且存在一定程度的波動(dòng)。而用水量過(guò)多或過(guò)少都會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土的回彈率變大。

3 控制措施

由于固增水電站噴射混凝土的施工條件復(fù)雜且圍巖條件較差，因此，對(duì)噴射混凝土的施工作業(yè)人員的技能要求相對(duì)較高。所有的噴射手均需經(jīng)過(guò)培訓(xùn)合格后方能進(jìn)行噴射混凝土的施工作業(yè)。在保證施工操作的一致性后，降低噴射混凝土的回彈率就要從原材料的控制方面著手[4]。項(xiàng)目部結(jié)合影響回彈率的因素進(jìn)行了分析，制定了相應(yīng)的控制措施。

3.1 混合料比例控制

噴射混凝土回彈率的大小與混合料的級(jí)配情況有直接關(guān)系。但由于骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)質(zhì)量的波動(dòng)、母巖的變化、運(yùn)輸?shù)雀鞣矫嬖驎?huì)導(dǎo)致所使用的細(xì)骨料及豆石質(zhì)量發(fā)生波動(dòng)，因而需要在配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行過(guò)程控制。需要通過(guò)混合骨料級(jí)配篩分試驗(yàn)確認(rèn)混合料的篩分結(jié)果滿足規(guī)范要求，且需其接近配合比設(shè)計(jì)時(shí)的篩分結(jié)果。但在進(jìn)行混合料篩分試驗(yàn)時(shí)，所使用的資源較多且用時(shí)較長(zhǎng)，不適宜現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程控制，導(dǎo)致無(wú)法很好地對(duì)噴射混凝土施工進(jìn)行很好的控制。

進(jìn)行混合料級(jí)配控制需要進(jìn)行混合料的篩分試驗(yàn)。但因制備與配合比相適應(yīng)的混合料樣品及相關(guān)試驗(yàn)花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，不適宜直接用于對(duì)混合料比例的控制與糾偏，會(huì)造成實(shí)際施工過(guò)程噴射混凝土回彈率增大而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的情況、進(jìn)而造成不必要的浪費(fèi)。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目部結(jié)合篩分試驗(yàn)特點(diǎn)，選取分別對(duì)砂和豆石的篩分試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論推算進(jìn)而控制混合料級(jí)配的方法代替混合料篩分，省去了制備混合料的時(shí)間，減少了樣品數(shù)量，縮短了檢測(cè)時(shí)間，確保了能夠有效、持續(xù)、穩(wěn)定地使噴射混凝土作業(yè)保持在較低回彈率水平。

項(xiàng)目部對(duì)噴射混凝土混合料篩分及分別篩分砂、豆石理論推算混合料級(jí)配的試驗(yàn)進(jìn)行了適應(yīng)性分析。

直接對(duì)混合料進(jìn)行篩分時(shí)，每個(gè)比例的混合料拌制質(zhì)量為50 kg。為了防止其它物質(zhì)的污染，選取在試驗(yàn)室拌和間的鋼板上進(jìn)行拌和的方式，拌和時(shí)翻拌的次數(shù)為5遍，投入拌和的人員為5人，由1名試驗(yàn)人員在拌和后的混合骨料中進(jìn)行取樣，取樣質(zhì)量為17～18 kg，然后進(jìn)行篩分試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)用時(shí)為4 h 30 min。由于直接篩分混合料耗時(shí)長(zhǎng)，不適宜做為控制混合料級(jí)配的方法。

采用分別篩分砂、豆石理論推算混合料級(jí)配，分別對(duì)細(xì)骨料、粗骨料進(jìn)行取樣，然后分別稱取500 g細(xì)骨料及10 kg粗骨料進(jìn)行篩分試驗(yàn)。投入1名試驗(yàn)員在原有的骨料性能檢測(cè)間進(jìn)行篩分試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程用時(shí)為30 min。檢測(cè)用時(shí)較短，能夠在混合料級(jí)配發(fā)生變化時(shí)及時(shí)對(duì)砂石比例進(jìn)行調(diào)整。

兩種試驗(yàn)方法對(duì)不同比例組合的混合骨料的篩分試驗(yàn)結(jié)果基本一致。而采用分別篩分砂石推算混合料級(jí)配的方法用時(shí)短，能夠有效控制噴射混凝土混合料的級(jí)配，進(jìn)而達(dá)到降低噴射混凝土回彈率的目的。

3.2 速凝劑摻量控制

速凝劑做為噴射混凝土外加劑在其施工過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。結(jié)合第2節(jié)回彈率影響因素分析“速凝劑摻量”內(nèi)容的描述得知，主要影響回彈率的因素為混凝土的凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)采用速凝劑凝結(jié)時(shí)間(初凝)試驗(yàn)結(jié)果為2 min左右時(shí)，此時(shí)速凝劑摻量下的回彈率最小。對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行分析可以看出：當(dāng)凝結(jié)時(shí)間過(guò)短時(shí)，會(huì)更容易造成混凝土的內(nèi)部不密實(shí)、進(jìn)而降低混凝土強(qiáng)度。因此，對(duì)速凝劑摻量的控制分為兩個(gè)方面：

(1)室內(nèi)試驗(yàn)。首先，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)速凝劑摻量的選擇應(yīng)選擇凝結(jié)時(shí)間(初凝)為2～3 min為宜；第二，在其使用過(guò)程中，當(dāng)凝結(jié)時(shí)間(初凝)較短時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低速凝劑的摻量重新進(jìn)行試驗(yàn)直至凝結(jié)時(shí)間為2～3 min，并立即將試驗(yàn)結(jié)果通知現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)速凝劑摻量進(jìn)行調(diào)整。

(2)現(xiàn)場(chǎng)施工?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，應(yīng)在噴射施工過(guò)程中進(jìn)行速凝劑的摻加。項(xiàng)目部結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)具情況，選擇在混合料攪拌機(jī)入口進(jìn)行速凝劑摻加的方式。在攪拌機(jī)入口加裝漏斗，該漏斗容量可容納攪拌機(jī)容量相適應(yīng)的速凝劑質(zhì)量，在攪拌過(guò)程中通過(guò)漏斗加入速凝劑并將其拌合均勻。結(jié)合后續(xù)混合料的添加速度調(diào)整漏斗下放速凝劑的速度進(jìn)而有效控制速凝劑的摻量，達(dá)到在保證噴射混凝土強(qiáng)度及其它硬化性能的基礎(chǔ)上降低噴射混凝土?xí)r回彈率的目的[5]。

3.3 水泥及用水量控制

由于水泥的強(qiáng)度直接影響到噴射混凝土的強(qiáng)度，因此，必須在水泥進(jìn)場(chǎng)使用前對(duì)水泥進(jìn)行檢測(cè)，確保水泥的強(qiáng)度滿足要求且不出現(xiàn)較為明顯的質(zhì)量波動(dòng)。當(dāng)水泥的強(qiáng)度波動(dòng)較大且處于臨界狀態(tài)時(shí)，需要降低速凝劑摻量以確保噴射混凝土強(qiáng)度滿足要求。但速凝劑摻量的降低會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土回彈率增加。項(xiàng)目部結(jié)合水泥品質(zhì)檢測(cè)情況及施工工藝情況，與水泥供應(yīng)廠商商定用于噴射混凝土的水泥強(qiáng)度不得低于45 MPa，極差不得超過(guò)5 MPa。

鑒于噴射混凝土的用水量已在配合比試驗(yàn)時(shí)確定。當(dāng)原材料品質(zhì)未發(fā)生明顯變化時(shí)其用水量使用配合比推薦的用量，噴射混凝土面光滑且回彈率較小。因此，在噴射混凝土施工過(guò)程中，應(yīng)以噴射面光滑無(wú)脫落為控制原則進(jìn)行控制，確保噴射時(shí)的回彈率最低。

4 控制效果

項(xiàng)目部采用噴射混凝土施工原材料的控制方式進(jìn)行施工控制，使噴射混凝土回彈率明顯降低且現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量得到了保障。技術(shù)人員對(duì)噴射混凝土施工過(guò)程中的回彈率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)2019年4月至2020年8月在邊墻及頂拱進(jìn)行的噴射混凝土回彈率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 噴射混凝土回彈率統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

從表4中的檢測(cè)結(jié)果可以看出：固增水電站噴射混凝土施工時(shí)的回彈率滿足《水電水利工程錨噴支護(hù)施工規(guī)范》DL/T5181-2003中邊墻回彈率不宜大于15%，頂拱回彈率不宜大于25%的要求，較某工程回彈率邊墻位置降低了1.8%，頂拱位置降低了2.8%。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于固增水電站這種長(zhǎng)引水隧洞、錨噴支護(hù)量較大的工程，研究降低噴射混凝土回彈率因素并采取相關(guān)質(zhì)控措施予以控制，不但可以達(dá)到節(jié)約成本的目的，更有益于達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。通過(guò)對(duì)固增水電站噴射混凝土回彈率的分析與控制，最終實(shí)現(xiàn)了降低噴射混凝土回彈率目的，進(jìn)而降低了噴射混凝土的損耗，減少了對(duì)回彈料進(jìn)行清理的工作量。固增工程采取的控制措施對(duì)噴射混凝土施工過(guò)程控制具有很好的推廣價(jià)值。