北方嚴寒地區輸水隧洞噴射混凝土質量控制技術研究

丁 濤

(北鎮市水利發展服務中心，遼寧 北鎮 121300)

輸水隧洞按設計配合比將速凝劑、骨料、水泥、水通過噴射機械均勻拌和后，經過噴嘴噴射于圍巖上，待混凝土凝結硬化后發揮襯砌支護作用[1-2]。根據不同的施工工藝，可以將噴射混凝土劃分成濕法和干法兩種形式[3]，其中濕法噴射主要是將水泥和骨料攪拌均勻，把速凝劑摻入至攪拌好的混凝土中，并利用空氣壓縮機將其噴射到巖土表面，這種方法能夠明顯改善施工質量，作業環境、粉塵控制和回彈強度均較好。干法噴射主要是將水泥和骨料攪拌均勻后用第1個噴嘴噴射，第2個噴嘴噴射水流，兩個噴嘴共同噴射巖體表面，這種方法的作業環境較差，產生的粉塵量較大且回彈率偏低。通過總結國家重點項目成功經驗，近年來中國水利施工技術得到了快速發展，然而相關研究成果大多以南方輸水隧洞為主，而對北方嚴寒地區的有關研究較少[4]。鑒于此，文章利用回彈率試驗分析了北方嚴寒地區的輸水隧洞噴射混凝土配合比，并深入探討了減少原材料浪費和配合比優化設計的技術措施，旨在為有效控制噴射混凝土質量提供科學指導。

1 試驗方法

通過回彈率試驗可以現場測定輸水隧洞的混凝土噴射質量，一般按頂面或者側墻等不同結構形式進行測試[5]，主要流程為：在地面上鋪設帆布，采集并稱定混凝土噴涂過程中滴落在地面上的部分，計算滴落的質量占混凝土總質量的百分比就是混凝土回彈率，這是反映噴射混凝土質量的重要指標。

采取抗壓強度試驗檢測噴射混凝土的抗壓強度，其主要流程為[6]：在控制混凝土坍落度(140-160mm)、減水劑和用水量相同的情況下，調整P·O42.5級水泥用量，然后用壓力試驗機測定養護至規定齡期的試件強度。

2 結果與分析

2.1 回彈率檢測結果

北方嚴寒地區某輸水隧洞采取噴射混凝土的開挖支護方式，考慮到隧洞斷面較大的實際情況，采取濕噴和干噴兩種施工方式，并現場檢測混凝土噴射回彈率。混凝土干噴與濕噴回彈率，見表1。

表1 混凝土干噴與濕噴回彈率

從表1可以看出，在坍落度和強度等級相同的情況下，濕噴約為干噴混凝土回彈率的50%，由此表明濕噴能夠大大減少混凝土的滴落，從而達到節約原材料用量的目的[7-8]。回彈率與坍落度的關系圖，見圖1。

圖1 回彈率與坍落度的關系圖

由圖1可知，隨著混凝土坍落度的增加回彈率表現出先減小后增大的變化趨勢。坍落度達到140mm時回彈率有最小值，即回彈率在坍落度為140-160mm時相對較低。因此，可采用濕法噴射工藝以及控制坍落度在140-160mm范圍有效提高原材料利用率，并大大降低噴射回彈率。

2.2 抗壓強度試驗

根據文中所述方法測試噴射混凝土強度，不同水泥用量的抗壓強度，見圖2。從圖2可以看出，混凝土抗壓強度隨水泥用量的增加而增大，水泥用量達到460kg/m3后濕噴和干噴混凝土抗壓強度均未明顯增大。在水泥用量相同的情況下，濕噴明顯高于干噴混凝土的抗壓強度[9]。試驗表明，采用干法噴射工藝制備的混凝土最高只能達到C25等級，即水泥用量的進一步增加也無法提高抗壓強度；采用濕法噴射工藝植被的混凝土最高可以達到C35等級。因此，制備等級相同的噴射混凝土時濕噴能夠節約水泥用量，并且水泥用量一般≤460kg/m3。

圖2 不同水泥用量的抗壓強度

2.3 速凝劑試驗

試驗選用無堿液體(主要成分為硫酸鋁)、堿性液體(主要成分為水玻璃)和堿性粉狀(主要成分為鋁熱熟料為)三種速凝劑，不同速凝劑試驗結果，見表2。

表2 不同速凝劑試驗結果

從表2可以看出，在凝結時間基本相同的情況下無堿液體速凝劑摻量最大，其次為堿性粉狀速凝劑，而有堿液體速凝劑的摻量最小。各類速凝劑的水泥凈漿試驗和混凝土試驗1d抗壓強度相差不大，堿性粉狀速凝劑的水泥凈漿1d抗壓強度相對較高為13.2MPa；按從小到大的次序排列28d抗壓強度比為：堿性粉狀<有堿溶液<無堿溶液，但無堿液體速凝劑的混凝土和砂漿28d抗壓強度比達到96%、104%，粉狀速凝劑的回彈率遠遠高于液體速凝劑。從總堿量的角度上，從高到底依次為堿性粉狀>有堿溶液>無堿溶液；混凝土骨料中存在堿活性或疑似堿活性骨料時不得選用堿性速凝劑，一般選用無堿溶液。

因此，為了有效保證噴射混凝土后期強度優先考慮無堿溶液速凝劑，在一定程度上降低混凝土回彈率的同時實現混凝土耐久性、抗壓強度的提升。

2.4 初凝時間對回彈的影響

根據《噴射混凝土用速凝劑》質量標準合理控制速凝劑凝結時間，并試驗測定不同初凝時間下噴射混凝土的回彈率，速凝劑初凝時間對噴射混凝土回彈率的影響，初凝時間對回彈率的影響，見圖3。

由圖3可以看出，隨速凝劑凝結時間的延長噴射混凝土的回彈率表現出先下降后上升的變化趨勢，在初凝時間為2-3min時干噴混凝土的回彈率相對較低，在初凝時間為3-4min時濕噴混凝土的回彈率相對較低。因此，為減少混凝土噴射滴落量，有效增加原材料利用率，對于濕噴和干噴混凝土控制速凝劑最優初凝時間為3-4min和2-3min。

圖3 初凝時間對回彈率的影響

2.5 粉煤灰對凝結時間的影響

依據《噴射混凝土用速凝劑》質量標準有效控制速凝劑凝結時間，并利用水泥凈漿試驗測定不同粉煤灰摻量下的凝結時間[10]，不同粉煤灰摻量的水泥凈漿凝結時間，見表3。

表3 不同粉煤灰摻量的水泥凈漿凝結時間

從表3可以看出，速凝劑的凝結時間隨粉煤灰摻量的增大而逐漸增加，粉煤灰產量達到30%時粉狀速凝劑的初凝時間超過5min，該條件下無法滿足質量標準要求；粉煤灰產量達到25%時無堿液體速凝劑的初凝時間超過5min，該條件下也無法滿足質量標準要求[11-12]。因此，對于堿性粉狀速凝劑和無堿液體速凝劑，粉煤灰產量最大應≤25%和20%。

2.6 粉煤灰摻量對強度的影響

粉煤灰摻量對混凝土強度的影響，見圖4。從圖4可以看出，隨粉煤灰摻量的增加噴射混凝土的抗壓強度表現出先增大后減小的變化趨勢，粉煤灰摻量為10%時干噴混凝土抗壓強度達到最大，粉煤灰摻量的進一步增大其抗壓強度開始減小；粉煤灰摻量為15%時濕噴混凝土抗壓強度達到最大，并且摻量的進一步增大其抗壓強度逐漸減小[13-16]。

(a)干噴混凝土

3 結 論

1)試驗表明，優先選用濕法噴射混凝土工藝，有利于改善作業環境，降低施工過程中的粉塵量和噴射混凝土的回彈率。采取干噴和濕噴混凝土時，控制粉煤灰摻量最優值為19%和15%。粉煤灰的摻入能夠有效改善混凝土耐久性，明顯降低回彈率，保證混凝土前期和后期強度。

2)噴射混凝土時，控制坍落度處于140-160mm之間，坍落度過小或過大均會在一定程度上增大回彈率，從而造成原材料的浪費。未來仍需進一步探討水泥的最佳用量，即確定噴射混凝土抗壓強度隨水泥用量增加不再明顯增大的臨界值。