納米材料改善普通干濕噴射混凝土回彈率和強度現場工藝試驗

丁建彤，吳 勇，雷英強

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081)

納米材料改善普通干濕噴射混凝土回彈率和強度現場工藝試驗

丁建彤，吳 勇，雷英強

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081)

普通C20～C30干噴或者濕噴混凝土邊墻和頂拱的綜合回彈率一般為20%～30%，且干噴混凝土的強度經常不合格。通過在新建京張鐵路、白鶴灘水電站、鍋浪蹺水電站、成都地鐵18號線共4個工程的現場工藝試驗表明，在普通的C20～C30干噴或者濕噴混凝土中，摻入10%自行研發的HB7-2型無機粉體納米材料等量替代水泥，能夠讓綜合回彈率減少52%～72%，并降低到10%以下，一次噴層厚度達到30 cm，24 h內初期強度顯著提高、28 d 強度提高20%以上，每個開挖支護循環的時間至少節約0.7 h，整體上提高地下洞室開挖支護的質量、安全性和經濟性。

納米材料；噴射混凝土；回彈率；強度

0 引 言

水電、水利、鐵路、公路工程的地下洞室支護所用普通C20～C30干噴或者濕噴混凝土邊墻和頂拱的綜合回彈率一般較高，且干噴混凝土的強度經常不合格。

干噴混凝土的回彈率一般在20%以上，甚至達到40%～50%；濕噴混凝土回彈率也經常超過20%。在中國水利水電第七工程局有限公司(以下簡稱“水電七局”)正在施工的工程中，新建京張鐵路8標草帽山隧道的C25濕噴混凝土回彈率高達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到25%以上，成都地鐵18號線土建5標龍泉山隧道的回彈率達到20%以上。這嚴重加大了施工成本并且增加了噴射支護的工期。在影響噴射混凝土回彈率的各種因素中，噴射設備、施工人員素質、圍巖條件往往難以改變，因此，通過摻加新材料來降低回彈率是一種便捷有效的方法。在錦屏二級水電站引水隧洞施工中，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%[1]，并且1 d強度達到20 MPa[2]；在正在施工的白鶴灘水電站地下廠房中，摻加一種納米材料后，CF30濕噴混凝土的頂拱回彈率平均只有15%左右。但上述用到的兩種納米材料的價格高昂，導致噴射施工的總成本反而顯著增加。

實際施工中，干噴混凝土采用28 d抗壓強度比一般只有75%左右的堿性粉狀速凝劑，且速凝劑多靠人工舀入方式摻加，難以混合均勻，混凝土用水量靠噴槍手根據經驗調節進水管閥門開度進行控制也不能準確計量，因此，雖然混凝土設計強度等級一般只有C20～C25，但大板噴射取芯結果仍然經常不合格。濕噴混凝土因為采用集中拌和，配合比控制比較準確，且采用液體速凝劑，強度相對比較有保證。

針對上述問題，水電七局試驗檢測研究院引進南京水利科學研究院的專利技術，在其基礎上進一步自行研制了HB7-2型系列無機粉體納米材料，價格大幅低于現用的市售納米材料。其體積平均粒徑D(4，3)為100～200 nm，可顯著降低普通噴射混凝土的回彈率、提高初期和后期強度，其作用機理主要是增加混凝土拌和物的內聚性和粘結力以減少回彈，增加混凝土硬化后的密實度以提高強度。本文簡介了在新建京張鐵路、白鶴灘水電站、成都地鐵18號線、鍋浪蹺水電站的現場噴射工藝試驗結果。

表1 HB7-2型系列納米材料性能測試結果

1 工藝試驗所用原材料

(1)新建京張鐵路。張家口金隅水泥有限公司P·O42.5 低堿水泥，比表面積337 m2/kg；河砂，細度模數2.75，含泥量1.6%；5～10 mm石灰巖人工豆石；低堿液體速凝劑，摻量5%時，初凝時間4 min 14 s，終凝時間9 min 21 s；聚羧酸系高性能減水劑，減水率27%。

(2)白鶴灘水電站。四川省寧南縣白鶴灘水泥有限責任公司P·O42.5水泥，比表面積380 m2/kg；玄武巖人工砂，細度模數2.73，石粉含量12.8%；5～15 mm玄武巖人工豆石；無堿液體速凝劑，摻量8%時，初凝時間2 min 20 s，終凝時間7 min 9 s；河南無機納米材料，平均粒徑267 nm，減水率26%。

(3)鍋浪蹺水電站。四川省二郎山喇叭河水泥有限公司P·O42.5水泥，比表面積350 m2/kg；人工砂，細度模數3.3，石粉含量4.2%；采用河卵石破碎的5～10 mm人工豆石；堿性粉狀速凝劑，摻量6%時，初凝時間3 min 40 s，終凝時間7 min 4 s。

(4)成都地鐵18號線。都江堰拉法基水泥有限公司P·O42.5水泥；人工砂，細度模數2.9，石粉含量6.6%；5～10 mm人工碎石；堿性粉狀速凝劑，摻量6%時，初凝時間5 min 45 s，終凝時間10 min 23 s。

納米材料為水電七局試驗檢測研究院自行研發的HB7-2型系列無機粉體納米材料，性能參照GB/T 18736《高強高性能混凝土用礦物外加劑》、GB 8076《混凝土外加劑》測試，結果見表1，顆粒大小及其形貌的透射電鏡觀測結果見圖1，顆粒均呈球形，粒徑最小的僅6 nm。

圖1 HB7-2型納米材料顆粒尺寸和形貌透視電鏡

2 混凝土施工工藝

(1)配合比。在4個工程中，分別以不摻納米材料的混凝土或摻加工程現用納米材料的混凝土作為基準組，以摻加不同型號HB7-2的混凝土作為納米組，進行了對比，配合比見表2。

(2)噴射工作面。四個工程的現場噴射工藝試驗工作面的基本情況見表3。

(3)施工工藝。①混凝土拌制與運輸。濕噴混凝土均在大型拌和樓集中拌制，采用強制式攪拌機，攪拌時間均為3 min；采用罐車運輸，每車一般不超過8 m3；從加水拌和到開始噴射之間的平均時間，新建京張鐵路約40 min，白鶴灘水電站約30 min。干噴混凝土均在簡易拌和樓集中拌制，采用小型強制式攪拌機，攪拌時間均為3 min；采用平板車運輸，每車一般不超過3 m3；從拌和到開始噴射之間的平均時間，鍋浪蹺水電站約20 min，成都地鐵18號線約15 min。②噴射施工參數。4個工程的實際噴射工藝參數見表4。由于噴射施工一般由分包隊伍進行，其設備和工藝水平參差不齊，不盡符合有關規范的要求，尤其是噴射角度和距離。

表2 不同工程噴射混凝土現場工藝試驗配合比

表3 不同工程現場噴射工藝試驗工作面基本情況

表4 現場噴射工藝參數

表5 到場混凝土拌和物性能

3 試驗結果

3.1 拌和物性能

拌和物性能見表5。由于現場噴射工藝試驗條件限制，凝結時間采用手感法判斷——以手按吃力為初凝，以手按不動為終凝。拌和物性能結果表明，摻入HB7-2型納米材料與不摻的相比，凝結時間縮短1/4～1/2，倒坍落度流出時間明顯延長，反映出混凝土粘性有所增加；與摻市售納米材料的性能相當，且納米組混凝土和易性和粘聚性好、不易堵泵。

3.2 回彈率、工期、一次噴層厚度和粉塵

在地面上鋪滿苫布盡量收集全部回彈物，測試了包括邊墻和頂拱回彈在內的綜合回彈率。濕噴混凝土以拌和樓過磅稱量總質量作為基數，干噴混凝土由于條件有限以拌和樓干拌料稱量總質量再加上理論用水量作為基數。回彈率測試結果見表6。

表6 不同工程噴射混凝土綜合回彈率測試結果

由表6可知，不摻納米材料的基準混凝土回彈率基本在20%～30%，摻入納米材料后回彈率基本降至8%～10%，較基準組降低52%～72%；與摻加市售納米材料的相比，摻HB7-2納米材料時回彈率進一步降低18%。

這4個工程中，每個開挖支護循環的噴射混凝土施工時間平均約4 h。加入納米材料后，按照平均回彈率從25%降至9%計算，噴射時間只需要3.3 h，可節約直線工期約0.7 h。在白鶴灘水電站的工藝試驗中，采用預埋鋼筋標記的方法測試了頂拱的一次噴層厚度。當時一次連續噴射的面積大約為3 m×4 m，厚度達到了30 cm。與不摻納米材料的基準組相比，噴槍手普遍反映納米組混凝土噴射上去之后附著性好、粉塵少。

3.3 硬化混凝土性能

噴射大板試件后鉆取φ100 mm、高100 mm的圓柱體芯樣，測試了標養7、14、28 d的強度，在成都地鐵18號線還測試了12、24 h的初期強度，結果見表7。

由表7可見：

(1)摻入HB7-2后，與不摻的相比，各齡期混凝土強度均明顯增加，28 d齡期時，濕噴混凝土提高35%，干噴混凝土提高40%，有效消除了干噴混凝土強度不合格的常見病；與摻市售納米材料的相比，強度相當。

(2)成都地鐵18號線試驗中，摻入HB7-2型納米材料后，混凝土在24 h內的初期強度比不摻明顯提高，達到客運專線《客運專線鐵路隧道工程施工質量驗收暫行標準》(鐵建設[2005]160 號)對C25噴射混凝土初期強度的設計要求，即12 h強度不小于5 MPa、24 h強度不小于12 MPa。在圍巖穩定性較差時，這可提高初期支護安全性；同時，對于鉆爆法施工，提高了混凝土抵抗防爆擾動的能力，有利于提前放炮。

表7 不同工程噴射混凝土大板芯樣抗壓強度 MPa

4 經濟性分析

摻入納米材料后，具有三方面的經濟效益：工期縮短；按照平均回彈率從25%降至9%，這將直接節約17%的噴射混凝土材料用量和相應的噴射施工綜合成本；國內普通C20～C30噴射混凝土的單方水泥用量一般為420～480 kg，摻入納米材料等量替代水泥，可直接減少水泥用量44～48 kg。

5 結 語

4個不同工程的現場工藝試驗表明，在普通C20～C30干噴或濕噴混凝土中，摻入10%自行研發的納米材料等量替代水泥，可整體改善地下洞室開挖支護的質量、安全性和經濟性。目前，水電七局正在有關工程中開展這種材料的應用與研究，以進一步提升其技術經濟效果。

[1] 韓旭東, 葛軍, 納米·增韌型粗纖維濕噴混凝土在錦屏二級水電站引水隧洞中的試驗與應用[J]. 四川水力發電, 2014, 33(6): 5- 9.

[2] 寧逢偉, 丁建彤, 陳波, 等. 納米級摻合料粗合成纖維濕噴混凝土及抗裂性能分析[J]. 水電能源科學, 2017, 35(2): 123- 126.

FieldTestsonReboundRatioandStrengthofOrdinaryDryandWetShotcreteMixedwithNanoAdmixture

DING Jiantong, WU Yong, LEI Yingqiang

(Sinohydro Bureau 7 Co., Ltd., Chengdu 610018, Sichuan, China)

The overall rebound ratio of grade C20-C30 ordinary dry or wet shotcrete for the side walls and top arch of underground structures are generally about 20% to 30%, and the strength of dry shotcrete is often unqualified. The in-situ spraying tests of such shotcrete in four projects of Beijing-Zhangjiakou Intercity Railway, Baihetan Hydropower Station, Guolangqiao Hydropower Station and Chengdu Subway Line 18 show that, by replacing 10% of cement with HB7-2 inorganic nano admixture developed by Sinohydro Bureau 7 Co., the rebound ratios of C20-C30 ordinary dry or wet shotcrete can be reduced by 52% to 72% and achieve the level of less than 10%, the maximum spayed thickness in one-pass can reached 30 cm, the initial strength within 24 h is greatly increased, and the 28 d compressive strength is increased by more than 20%. The application of this nano admixture can save at least 0.7 h in each excavation and supporting cycle, therefore, the quality, safety and cost of underground construction can be overall improved．

Nano admixture; shotcrete; rebound ratio; strength

TV431

B

0559- 9342(2017)09- 0049- 04

2017- 02- 28

丁建彤(1970—)，男，江蘇泰興人，教授級高工，副總工，博士，主要從事建筑材料研究應用工作．

(責任編輯焦雪梅)