噴射混凝土的室內檢測方法及性能試驗研究

汪在芹，石 妍，李家正，閆小虎

(長江科學院水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，武漢 430010)

近年來，噴射混凝土技術以它簡便的工藝、獨特的效應、經濟的造價，廣泛應用于礦山井巷、水利水電、鐵路隧道等工程建設中。噴射混凝土是借助噴射機械，利用壓縮空氣或其他動力，將按一定比例配合的拌合料，通過管道輸送并以高速噴射到受噴面上凝結硬化而成的一種混凝土。噴射混凝土的性能一直備受關注，因其關系到工程質量、施工效率及工程造價等。新型材料的應用，可以改善噴射混凝土的性能，促進噴射混凝土的技術發展，其研究和應用成為焦點。本文采用自設計的室內濕噴混凝土性能檢測方法，開展復合外加劑及合成粗纖維噴射混凝土的性能試驗研究，包括力學性能、抗裂性、與圍巖粘結強度、回彈率及一次噴層厚度，試驗方法及測試結果可為噴射混凝土的室內研究及檢測提供技術參考。

1 原材料及配合比

水泥:乃托42.5普通硅酸鹽水泥，物理性能檢測結果見表1;細骨料:大理巖人工砂，細度模數2.3;粗骨料:5～10mm的人工米石;復合外加劑:主要由納米SiO2和減水劑組成，體積平均粒徑D［4，3］為150 nm，減水率30.7%;速凝劑:初凝時間 5 min，終凝時間9 min;增韌型聚丙烯合成粗纖維(簡稱粗纖維):當量直徑146μm，公稱長度36.86mm。

通過前期試驗研究優選出的噴射混凝土配合比及拌和物性能見表2。可見，摻入復合外加劑的兩組混凝土含氣量均稍高。

2 試驗方法

采用室內濕法噴射混凝土，噴射方法參照GB/T50086—2001相關規定，噴射方向與受噴面垂直，噴射距離控制在0.8 m左右。在噴射過程中，液態速凝劑由噴槍出口處的導管定量泵送。噴射順序為從左至右、自下而上。

關于室內噴射混凝土的性能檢測方法，我國還沒有制定專門的標準，本檢測方法為自行設計。采用噴大板切割的方法檢測噴射混凝土的力學性能。成型的大板鋼模尺寸為1 000mm×500mm×100mm，切割的抗壓試件為100mm×100mm×100mm，抗彎試件為400mm×100mm×100mm，力學性能測試依據SL352—2006《水工混凝土試驗規程》的規定。

表1 水泥物理性能檢測結果Table 1 Physical properties of cement

表2 噴射混凝土試驗配合比及拌和物性能Table 2 Mix proportions of shotcrete(by mass)

采用平板法測試噴射混凝土的抗裂性，參照CCES 01—2005《混凝土結構耐久性設計與施工指南》的規定，試驗裝置的試模尺寸為600mm×600mm×63mm，由放置在周邊的L形鋼筋網提供約束，試模內部底面上鋪一層塑料薄膜以減少對混凝土的約束。試件噴射完成后，抹平，立即置入溫度25℃ ±2℃，相對濕度60% ±5%的環境中，用風扇吹混凝土表面，記錄試件開裂情況。

噴射混凝土與圍巖軸拉粘結強度的設計方法是:將現場取樣的巖石加工成100mm×100mm×50mm的尺寸，垂直橫置在混凝土翼型軸拉試模的正中間，試模規格見SL 352—2006。噴射過程中保持石塊固定，待混凝土完全充滿并覆蓋試模，停止噴射，立即平模、編號，在養護室中養護至24 h拆模，按照SL 352—2006的方法進行觀測。

噴射混凝土的回彈率的設計方法是:首先模擬現場圍巖拱頂，搭建高約2.5 m的腳手架，頂部鋪設1 m×1 m的鋼筋網，鋼筋網與地面呈45°，且上方布滿80～150mm的大石。腳手架下方的地面上鋪設防水布，以收集噴射過程中自拱頂跌落的混凝土。持續向拱頂噴射，并觀察混凝土與拱頂的粘結與跌落情況，當跌落的混凝土比例開始明顯增多時，停止噴射，測量噴層厚度并計算回彈率，取2次試驗的平均值。

3 試驗結果與分析

3.1 力學性能

單摻復合外加劑的噴射混凝土、復摻復合外加劑和粗纖維的噴射混凝土力學性能試驗結果見表3，噴射混凝土的變形－荷載曲線見圖1。

試驗結果表明:復摻復合外加劑與粗纖維，可提高噴射混凝土的抗壓強度;復摻對噴射混凝土的抗彎強度及初裂強度沒有提高效果，但可顯著增加彎曲韌度指數和等效抗彎強度。單摻復合外加劑的噴射混凝土開裂即破壞，初裂縫也就是貫穿裂縫，荷載－變形曲線的下降段比較陡，下降很快;而復合外加劑與粗纖維復摻的噴射混凝土初裂后仍能承受沖擊力，荷載－變形曲線的下降段變緩，彎曲韌性較好。

復合外加劑主要由納米硅粉組成，隨著顆粒的細化，其表面電子結構和晶體結構發生變化，產生了宏觀物質材料所不具有的小尺寸效應、表面效應、量子效應和宏觀量子隧道效應［1］。而粗纖維兼顧鋼纖維和合成纖維的特點，耐腐蝕、易分散、易施工，且表面經特殊處理，與混凝土粘結性強。因此，復合外加劑可細化噴射混凝土的孔隙結構，減少大孔比例，增加小孔含量，而合成粗纖維與混凝土之間有良好的握裹力，對噴射混凝土基體裂縫有橋接能力，兩者復摻可提高混凝土的力學性能和彎曲韌性。同時，噴射混凝土的性能還受施工工藝和機械設備等因素影響。

圖1 噴射混凝土的變形-荷載曲線Fig.1 Curve of deformation vs.load of shotcrete

3.2 抗裂性能

噴射混凝土抗裂性能測試結果見表4。試驗結果表明:單摻復合外加劑的噴射混凝土的開裂時間早，平均開裂面積大，單位面積的裂縫數目大，單位面積的開裂面積大，最大裂縫寬度大，平板抗裂性等級評價為Ⅳ級;復摻復合外加劑和粗纖維的噴射混凝土，平板抗裂性等級評價為Ⅱ級，復摻對噴射混凝土的抗裂性有利。

3.3 與圍巖軸拉粘結強度

表3 粗纖維噴射混凝土的力學性能試驗結果(28 d)Table 3 Test results of mechanical properties of crude fiber shotcrete(28 d)

噴射混凝土施工性能的試驗結果見表5。試驗結果表明:2組配合比拌和物性能相當的情況下，噴射混凝土與圍巖28 d齡期軸拉粘結強度均在

1.0MPa以上，達到Ⅰ類巖石的技術要求［2］，且復合外加劑與粗纖維復摻后，粘結強度值有所提高。

表4 噴射混凝土抗裂性能測試結果(平板法)Table 4 Test results of crack resistances of shotcrete(flat band method)

表5 噴射混凝土施工性能試驗結果Table 5 Test results of construction performances of shotcrete

GB/T50086—2001《錨桿噴射混凝土支護技術規范》與DL/T 5181—2003《水電水利工程噴錨支護施工規范》，都在附錄中列出了3種噴射混凝土與圍巖粘結強度檢測方法，即預留試件拉拔法、現場鉆芯拉拔法、噴大板室內劈拉法。

相比而言，預留試件拉拔法有操作麻煩、挖環形槽難度大、埋拉桿難以保證不偏心等問題［3］。現場鉆芯拉拔法的芯樣損傷大、安裝拉力架與膨脹螺栓存在偏心，且取芯成功率低，得到的軸拉粘結強度偏低。而噴大板室內劈拉法容易操作，只要保證巖石噴射面表面平整、加工厚度均勻，但噴射混凝土與巖石結合面不可能做到在劈拉試驗時完全在同一垂直面上，多少存在剪切現象，因此，得到的劈拉粘結強度偏高［4］。本試驗設計的噴射混凝土與圍巖軸拉粘結強度測試方法，操作簡單、成功率高、測試值可信，適合于室內濕噴混凝土的試驗條件。

3.4 回彈率與一次噴層厚度

噴射拱頂的試驗結果在表5中，落到地面混凝土重量占總噴射混凝土重量的比例就是噴射混凝土回彈率。試驗結果表明:2組配合比的噴射混凝土回彈率分別為23%和20%，一次噴層厚度分別為22cm和25cm;回彈率和一次噴層厚度是2個對立指標，前者大則后者小，前者小則后者大;復合外加劑與粗纖維復摻的混凝土回彈率低，一次噴層厚度大;噴射過程中混凝土泵送順暢無堵管及流漿現象，噴射效果好，表明混凝土配合比設計合理，拌和物性能良好。

關于噴射混凝土回彈率與一次噴層厚度的室內模擬試驗，國內外尚無相關的技術規范。本試驗方法模擬現場作業環境，施工方便快速，噴射質量高。通過混凝土回彈率、一次噴層厚度及混凝土均勻性等指標，可綜合比較不同配合比的噴射混凝土的施工性能。但有資料顯示［5］，現場作業的濕法噴射混凝土回彈率約20%，摻入復合外加劑后，綜合回彈率降低至10%以下，一次噴射厚度可達到30cm。因此，室內試驗的模擬噴射試驗，混凝土的回彈率普遍較現場高，這是由于室內場地及試驗機械設備的限制所致。

在試驗條件一定的情況下，噴射混凝土的回彈率與混凝土自身的黏聚性有關。黏聚性是運動流體的一種宏觀屬性，指液體受外力作用移動時，分子間產生的內摩擦力的量度。按照牛頓黏性定律分析，新拌混凝土的黏聚性越好，則黏性系數越高，內摩擦力越大，噴射至拱頂后，在其自身黏聚力和速凝劑的共同作用下，能夠抵抗重力作用而不跌落，則回彈率就越低，噴層越厚，噴射效果越好。復合外加劑和粗纖維復摻，可以增加混凝土的黏聚性和內聚力，所以配合比J2的回彈率較低。

4 結論

采用自設計的室內濕噴混凝土性能檢測方法，開展噴射混凝土的力學、抗裂及施工性能的試驗研究。試驗結果表明:

(1)拌和物性能相當時，復摻復合外加劑與粗纖維可顯著提高噴射混凝土的抗壓強度、彎曲韌性和抗裂性能。

(2)單摻復合外加劑和復摻復合外加劑與粗纖維的噴射混凝土，與圍巖軸拉粘結強度均在1.0MPa以上，且復摻的強度較高。

(3)2組配合比的噴射混凝土回彈率分別為23%和20%，一次噴層厚度分別為22cm和25cm，復合外加劑和粗纖維復摻，可增加混凝土的黏聚性和內聚力，降低回彈率。

［1］王景賢，王立久.納米材料在混凝土中的應用研究進展［J］.混凝土，2004，(11):18－21.(WANG Jing-xian，WANG Li-jiu.Advances in the Applied Research of Nano-material in Concrete［J］.Concrete，2004，(11):18－21.(in Chinese))

［2］GB 50086—2001，錨桿噴射混凝土支護技術規范［S］.(GB 50086－2001，Specification for Bolt-Shotcrete Support［S］.(in Chinese))

［3］黃國興，劉燕波，柳華英，等.對預留試件拉拔法檢測粘結強度的改進建議［J］.水力發電，2008，(2):78－80.(HUANG Guo-xing，LIU Yan-bo，LIU Hua-ying，et al.Improving Suggestion for Beforehand Saving Sample Pull-out Method Check Measurement Bond Strength［J］.Water Power，2008，(2):78－80.(in Chinese))

［4］黃國興，陳文耀，尹俊宏.噴射混凝土與圍巖粘結強度合理指標的探討［J］.水力發電，2007，3(2):78－80.(HUANG Guo-xing，CHEN Wen-yao，YIN Jun-hong.Discussions on the Rational Index of Bond Strength of Shotcrete and Adjoining Rock［J］.Water Power，2007，3(2):78－80.(in Chinese))

［5］陳 東.納米混凝土在不良地質隧洞支護中的應用［J］.人民長江，2009，4(10):32－33.(CHEN Dong.Application of Nano-concrete in Support for Poor Geological Tunnel［J］.Yangtze River，2009，4(10):32－33.(in Chinese))