納米材料在噴射混凝土中的應用研究

張 興 德， 雷 英 強 ， 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C20～C30噴射混凝土施工作業存在綜合回彈率高、一次噴射厚度薄、混凝土強度經常不合格、施工環境粉塵濃度高等問題。干(潮)噴混凝土的綜合回彈率一般達到20%以上，甚至達到40%～50%；濕噴混凝土回彈率亦經常超過20%[1]。

新建京張鐵路8標草帽山隧道的C25濕噴混凝土回彈率最高達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，嚴重增加了施工成本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用

技術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強度達到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度，其作用機理主要是增加混凝土拌合物的內聚性和黏結力以減少回彈，增加混凝土硬化后的密實度以提高強度，這一效果已經多個項目進行的現場工藝性試驗驗證，HB7-2型納米材料在多個項目中取得的應用成果(部分)見表1。

表1 HB7-2型納米材料在多個項目中取得的應用成果(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，沿天府大道東側向南敷設，經環球中心、世紀城、麓山至天府新區博覽城片區后穿越龍泉山向東經三岔湖片區至天府新機場。其中成都軌道交通18號線工程土建5標的龍泉山隧道為全線關鍵控制性工程，全隧區域為龍泉山油氣田分布區域，是國內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，穿越巖層多為風化頁巖，采用C25噴射混凝土作為初期支護，其鋼拱架與鋼筋網支護方式、地質情況與設計參數等見表2(工作面相關信息表)。據了解，其現場噴射混凝土回彈率達到30%左右，計劃單個工作面月進度為100～120 m，而實際上月進度只能達到70～80 m，混凝土28 d強度亦剛好達到設計強度。為此，在隧道施工中采用了HB7-2型無機納米材料進行噴射混凝土以改善其綜合性能。

表2 工作面相關信息表

3.1 實施方案

項目部將現場工藝性試驗與長期應用成果相結合，在18號線現場原材料、施工工藝不變的情況下，對比了現有噴射混凝土配合比(以下簡稱基準混凝土)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抗壓強度、28 d抗壓強度、28 d抗凍抗滲性能、抗硫酸鹽侵蝕性能等。其中回彈率在工藝性試驗中采用回彈物收集方法測試；施工工效采用長期應用的通過噴射凈時間與噴射進尺的方式進行測試；在施工過程中實時測試噴射過程中的粉塵濃度。

3.2 原材料及納米材料應用的現場條件

(1)原材料。采用都江堰拉法基水泥有限公司生產的P?O42.5水泥；人工砂細度模數為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，初凝時間為5 min 45 s，終凝時間為10 min 23 s。納米材料采用成都東藍星新材料有限公司生產的HB7-2型噴射混凝土納米材料，HB7-2W型納米材料性能測試結果見表3。

表3 HB7-2W型納米材料性能測試結果表

(2)噴射混凝土的生產及運輸工藝。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為將摻和料投入到砂石斗中，再進行膠材與水的投料。速凝劑均在現場通過機械添加。

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

4 工藝性試驗成果及現場應用效果

4.1 現場試驗配合比參數

基準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，保持配合比與設計容重不變，設計水膠比為0.46，砂率為52%，現場試驗配合比參數見表4。

表4 現場試驗配合比參數表

4.2 施工工藝參數

在成都地鐵18號線納米材料工藝性試驗及現場應用對比過程中，并未針對納米材料單獨研究其施工工藝。考慮到對比的準確性，其施工工藝邊界條件并未改變，故基準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技術規范》GB 50086-2015對其施工工藝有推薦性要求，但在實際工程中，絕大部分噴射混凝土施工工藝是由噴漿手的操作習慣決定的，因此，在本次工藝性試驗過程中并未針對施工工藝有強制性要求，而是以實際噴漿手的操作習慣進行測定。施工前，工人會簡單用有壓水清理工作面，然后進行混凝土噴射，現場施工工藝參數見表5。

表5 現場施工工藝參數表

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。測試結果表明：摻納米材料較基準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56%，頂拱回彈率降低幅度達62.6%，混凝土回彈率測試結果見表6、摻納米(左)與基準混凝土(右)回彈率現場效果見圖1。

表6 混凝土回彈率測試結果表

圖1 摻納米(左)與基準混凝土(右)回彈率現場效果圖

由于地質條件原因，開挖過程中均出現了較大面積的超挖現象，實際厚度為25 ～55 cm。故在實際施工過程中，工人噴射基準混凝土與納米材料混凝土均采用定點噴射。由于噴射基準混凝土的回彈率較大，通常需進行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。經實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

在工藝性試驗與現場應用過程中，針對所依托的成都地鐵18號線5標，對普通噴射混凝土中的混凝土凝結時間、抗壓強度、電通量、抗硫酸鹽侵蝕能力、抗凍抗滲能力進行了測試，尤其針對混凝土的初期強度測試了其12 h及24 h強度。混凝土抗壓強度均采用大板切鉆心割法測試，抗凍試驗測試芯樣的重量損失及抗壓強度損失；抗滲試驗測試芯樣的抗滲等級，抗硫酸鹽侵蝕試驗測試芯樣在硫酸鹽侵蝕下的質量損失及抗壓強度損失。混凝土凝結時間測試采用手感法，以手指按感覺吃力為初凝時間點，手指按不動為終凝時間點，混凝土凝結時間見表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時間縮短，初凝縮短了25%，終凝縮短了50%，24 h強度增幅達87.5%，28 d強度增幅達30.9%且達到8 MPa。

表8 混凝土凝結時間表

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 施工工效及經濟效益分析

從2017年2月27日開始，在左右洞出口進行了納米材料的應用，一共統計了62次噴護循環數據，共計噴射267.3 h、噴射進尺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；基準組噴射78 m，用量為761 m3。

通過一個月時間的數理統計，以單位延米需要的噴射混凝土量表征其材料節約量，以單位延米凈噴射時間表征其噴射工效，材料節約率分析情況見表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%，每延米凈噴射時間節約0.4 h，工效提高了27.4%。

表11 材料節約率分析表

表12 噴射工效分析表

5 結 語

試驗結果表明：在成都地鐵18號線5標噴射混凝土中內摻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50%以上，一次噴射厚度達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47%，減少了對工人造成的粉塵危害；1 d強度超過10 MPa，增長率超過80%，增加了安全性能；28 d強度相當于增加了一個強度等級，增幅達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。