大伙房輸水工程混凝土使用液態速凝劑的探討

李延嵬，劉 碩

（丹東市鴨綠江防洪護岸工程建設管理局，遼寧 丹東11800）

1 試驗目的

隨著新產品、新技術的引進，為了滿足TBM施工段超長大隧洞的施工環境質量要求，在噴射混凝土中，所用的外加劑（減水劑和速凝劑）采用多個廠家產品進行室內、室外實驗。對噴射混凝土中摻入無堿非腐蝕性速凝劑、微硅粉進行配合比試驗，優選噴射混凝土的配合比，滿足工程需要。

2 混凝土原材料及力學指標試驗

2.1 混凝土用原材料

水泥。試驗用水泥采用渾河P42.5等級普通硅酸鹽水泥，水泥出廠編號為P4088，試驗成果見表1。

表1 水泥試驗成果表

砂石骨料。試驗用砂石骨料采用上夾河砂石骨料篩分場生產的天然骨料,試驗檢測成果見表2，砂石骨料試驗成果檢測成果表2。

2.2 噴射混凝土設計齡期強度

根據噴射混凝土室內強度試驗成果，提出設計齡期強度曲線。

表2 砂石骨料試驗成果表

噴射混凝土在單位水泥用量在400 kg以上，在水灰比一定區域變化范圍內設計齡期混凝土強度，均能達到或超過設計強度指標，而且有一定的富裕度。

在已完成的混凝土試驗成果中，混凝土水灰比與混凝土強度值為對數曲線，證明試驗成果可信，曲線范圍的插入值為經驗真實值；混凝土配合比為成熟的配合比。

噴射混凝土采用液態無堿速凝劑，如采用工程實際應用水泥（P.O42.5），來檢驗水泥膠砂早期強度（1 d），滿足不了DL/T5100—1999的要求。但如采用基準水泥來做水泥膠砂強度,早期強度能滿足要求。

DL/T 5100—1999水工混凝土外加劑技術規程中，對噴射混凝土外加劑干粉速凝劑的要求如表3。

現行濕噴工藝混凝土的液態速凝劑，尤其是“無堿”液態速凝劑檢驗標準，一直沒有明確的、針對性強的國家標準。因此關于無堿非腐蝕性液態速凝劑的使用，需在工程實踐過程中加以完善。

表3 摻速凝劑水泥凈漿及水泥砂漿的性能要求

3 無堿非腐蝕性速凝劑的認識

在噴射混凝土速凝劑“非腐蝕性的”和“無堿”這兩個詞在含義上經常混淆。原因是“堿性”（alkaline）這個詞有雙重意義。

一是它是一種堿性的的液體，這種溶液是一種強堿性的液體，但內部不含堿陽離子；二是它是一種含堿陽離子（Na，K，Li等）的溶液，這種溶液內含有堿陽離子，這種溶液的pH值在7左右，因而它不是堿性的，而是中性的。

對于噴射混凝土速凝劑來說，無堿的意思是指“不含有堿陽離子”。提倡無堿的目的是減少堿陽離子與存在于骨料內一些敏感礦物質發生反應的風險。如果發生這樣的反應，骨料顆粒就會因膨脹而破裂，會對噴射混凝土基質產生破壞。

大多數速凝劑都呈強堿性，一部分呈強酸性。呈堿性的速凝劑可以稱它們是堿性的、侵蝕性的，也可以稱為腐蝕性的。那些呈強酸性的速凝劑稱之為酸性侵蝕性或酸性腐蝕性的。強酸和強堿都會對人體造成傷害，強酸強堿速凝劑，對的施工環境和作業安全形成威脅。

4 噴射混凝土加入微硅粉對混凝土的影響

微硅粉是一種極具活性的火山灰材料。它具有較高的吸納外部離子，特別是堿陽離子的能力。微硅粉具有良好填充效應，這種效應能使水化物在現有空間內更均勻的分布。這樣就使混凝土的滲透性降低，抗硫酸鹽能力和抗凍融耐久性提高。

微硅粉混凝土具有較高的強度,良好的耐磨能力、高耐化學腐蝕能力等等。混凝土中加入微硅粉會提高混凝土的黏滯性和大幅度減少泌水，這為高塌落度噴射混凝土的配合比設計提供了良好的基礎。

由于微硅粉不直接發生水化放映，又由于微硅粉顆粒非常小，平均粒徑僅為0.3 μm，硅粉顆粒在水泥顆粒與水發生時，附著在水泥顆粒表面影響了水泥的水化反映,因此從微硅粉混凝土的早期強度看，比普通混凝土的強度略低。

5 噴射混凝土回彈量的測定

通過兩次現場噴射混凝土的回彈量的測定。時間、分別在2004年6月、9月，地點在1號洞和16號施工支洞內。2004年6月，主要是對比堿性速凝劑和無堿速凝劑的現場噴射效果。2004年9月，主要是對比摻加微硅粉對噴射混凝土的影響。回彈率是外業試驗的主要目的之一，由于現場施工條件所限，兩組試驗均出現了影響試驗結果的因素。雖然各種因素影響了噴射混凝土的回彈率，但也確實反映了施工現場的實際施工情況。試驗結果見表4、表 5、表6。

表4 現場噴射試驗強度試驗成果表)

表5 現場噴射試驗回彈率計算表

表6 現場噴射試驗成果表

現場噴射混凝土與室內混凝土試驗有很大的差異，這和室內試驗相對的穩定性和現場試驗的環境條件不確定性有很大的關聯。但反映出來的混凝土的基礎規律是十分明顯的，混凝土的強度規律均符合常規混凝土的增長規律，且成線性關系。

良好的超塑化劑使噴射混凝土具有極佳的保塑性能，這種良好的混凝土使得混凝土噴射能夠有一定的富裕時間、方便施工組織。

2004年6月份，現場回彈率的測定有一定的局限性，恰巧趕上了水泥結塊使得噴射混凝土的回彈率較大；但就國內、國外外加劑對噴射混凝土的對比影響程度是有一定借鑒和參考的。

微硅粉的加入增大了噴射混凝土與巖壁的粘結強度，改善了噴射混凝土的回彈質量；在同等條件下摻加微硅粉與不摻加微硅粉相對比，試驗數據顯示是提高了2.3%～5%，但如果采用良好的混凝土塑化劑和無堿速凝劑本體混凝土回彈率較小的情況下，微硅粉對噴射混凝土的回彈率的影響程度將會大大降低。

6 噴射混凝土保塑性試驗

為了保證混凝土在混凝土噴射時有足夠的稠度,根據以往的施工經驗,在混凝土噴射前混凝土的塌落度為14±2 cm（混凝土噴射機要求）時，為最佳塌落度。綜合施工單位工程管理實際情況，考慮混凝土保朔時間為2 h。

1）工作稠度的確定。根據Robojet機械手的特點、根據1號施工支洞MEYCO Potenza混凝土噴射機 的使用經驗及生產廠家維護人員的說明；確定混凝土噴射狀態的工作稠度為14±2 cm，這個工作稠度就是機械設備的最佳工作稠度（發揮最大噴射能力、機械磨損最小、維護保養等均為最優）。

2）噴射混凝土塌落度保持時間的確定。根據所知道的TBM3的施工組織設計的噴射混凝土噴射施工工作流程為：設計時段=混凝土拌和+混凝土運輸+編組站編組+洞內運輸+混凝土罐車吊裝+混凝土噴射=110 min。

噴射混凝土塌落度保持時間的長短主要取決于主要施工單位的生產組織、生產協調能力及生產管理水平。科學、嚴謹、務實及運轉良好的生產指揮體系將會為噴射混凝土的塌落度保持提供更好的便利條件。這也是配合比優化的最主要因素。

3）外加劑對混凝土性能的影響。混凝土減水劑的應用極大的改善了混凝土的和易性（黏聚性、保水性、塌落度），使得在水灰比相同的條件下可以取得更大的工作度；但由于減水劑的主要成分不同作用機理也有所不同，因此相同水灰比、相同單位水泥用量的混凝土的工作度差異很大。

木質素磺酸鹽與水泥顆粒反應時，是水泥顆粒、水顆粒的表面張力減小，當水泥顆粒分散性好時能在水泥顆粒表面彼此流動，達到保持混凝土塌落度的作用。萘和蜜胺系列在化學性質上與木質磺酸鹽不同。蜜胺會在顆粒表面形成一層潤滑膜，而萘系將水泥顆粒帶上電荷，從而使兩者相互排斥，完整地包裹在水泥顆粒表面，最后形成工作度良好的混凝土。

奈系磺酸基類的高效減水劑具有很高的減水效果，但奈系列的產品拌制混凝土本身不具備保朔性能，如果在奈系磺酸基類的高效減水劑中加入混凝土保塑成分，雖然能在一定程度上改善混凝土保朔效果，但對于混凝土的要求來講：在TBM施工的初期（混凝土保持時間為1 h），在施工管理較嚴謹的工作環境下，可以達到噴射混凝土施工的要求，但只能適應于初期TBM施工。

聚羧酸基乙醚類超塑化劑具有很高的減水效果和很好的保朔性能，在高塌落度的初始值的前提下，2 h后能保證濕噴機正常工作。與其它類產品不同的是它的特殊的化學反應機理；Glenium超塑化劑是一種復合型的可變分子結構，由不同長度化學鏈的功能組合構成。水與水泥拌和后產生一種稱為水化作用的化學反應。水分被吸附到水泥顆粒表面，很快產生溶解作用。Glenium分子被吸附在水泥顆粒表面，增加表面上的負電荷，導致產生靜電排斥，改善水泥顆粒之間的分散性能，工作度顯著增加。Glenium分子有很長的側向鏈，形成位阻，進一步增強了水泥顆粒保持彼此間距的能力，并進一步改善了顆粒之間的分散效應，達到改善混凝土保朔性能的目的。

7 結語

超長隧道采用TBM施工，解決噴射混凝土的保塑性，既在噴射手噴射時保持有足夠的工作稠度是TBM順利掘進的重要保障。在TBM施工初期由于洞內運輸距離很短，因此噴射混凝土保塑時間要求較短，因此可采用奈系磺酸基類的高效減水劑中加入緩凝成分的辦法達到施工要求。但如果需要混凝土保塑時間較長，就必須采用高性能的混凝土塑化劑。

由于安全和生態環保等問題及處于對人體健康的考慮，噴射混凝土中采用無堿非腐蝕性速凝劑是一種必然趨勢。由于復雜的化學反應過程無堿非腐蝕性速凝劑的價格，較堿性速凝劑昂貴，但對現場施工噴射混凝土的總價影響較小。它帶來了作業時間和回彈量的減少，提高了質量和安全可靠的工作環境。