濕噴混凝土添加納米回彈抑制劑在工程中的應用

周 平， 范 正 春， 鄭 強， 徒 鵬 飛

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

綽斯甲水電站位于四川省阿壩州壤塘縣和金川縣境內，是綽斯甲河梯級水電開發規劃中的第三級，上接蒲西水電站，下游與觀音橋水電站庫尾銜接，為閘壩引水式電站。

綽斯甲水電站有壓引水隧洞布置于綽斯甲河左岸山體中，總長度為21.185 km，引用流量Q=232 m3/s。進水口底板高程為2 767 m，至調壓井底高程為2 720 m，隧洞縱坡降為2.384‰。引水隧洞低壓段(10+588.00樁號上游)Ⅲ類圍巖采用平底馬蹄形斷面，馬蹄形斷面底寬7 m，高10 m，設計為邊頂拱掛網錨噴支護，底板素混凝土襯砌；引水隧洞高壓段(10+588.00樁號下游)Ⅲ類圍巖和全隧洞的Ⅳ類、Ⅴ類圍巖均采用內徑8.9 m的圓形斷面，鋼筋混凝土襯砌。

濕噴混凝土中添加的納米回彈抑制劑是根據新奧法的施工特點和發展方向研發出的一種全新產品，其通過添加減水、防腐、防水、引氣、氣密以及增強增黏組分用以增加濕噴混凝土的密實性、進而提高濕噴混凝土抵抗不良水質的侵入能力。通過添加高性能引氣劑以提高濕噴混凝土的抗凍性和耐久性；通過添加復合阻銹防腐劑以獲得不良水質侵入后對鋼筋及混凝土的防護，提高濕噴混凝土抗硫酸鹽侵蝕的性能，使濕噴混凝土的工作性能更好，強度更高，施工速度更快，能夠及時有效地對圍巖進行封閉式的保護和加固，提高圍巖的強度和承載力。闡述了在濕噴混凝土中添加納米回彈抑制劑前后從室內和現場性能測試兩個方面進行的對比試驗，并對試驗成果進行了總結。

2 室內濕噴混凝土添加納米回彈抑制劑前后的性能測試對比試驗[1～3]

2.1 測試材料

水泥：攀枝花華新P.O42.5水泥、亞東洋房牌P.O42.5水泥；

砂：標準砂、中砂(機制砂)；

人工小石：粒徑為5～10 mm；

速凝劑：無堿速凝劑(標準樣)；

減水劑：高性能減水劑(標準樣)；

添加劑：納米回彈抑制劑JY-N，以下簡稱納米材料。

水：都江堰市生活用水。

2.2 測試方法

按照試驗要求分別測試了不同工況下的水泥凈漿凝結時間、水泥膠砂強度、混凝土拌和物坍落度及硬化混凝土強度，綜合評價了納米材料的性能。

2.3 性能測試對比試驗

2.3.1 水泥凈漿凝結時間對比試驗

初凝時間比：摻速凝劑及納米材料的初凝時間與摻速凝劑的初凝時間之比；

終凝時間比：摻速凝劑及納米材料的終凝時間與摻速凝劑的終凝時間之比。

試驗成果分析：添加納米材料后，攀枝花華新P.O42.5水泥凈漿的凝結時間大幅度降低，初凝時間比為44%(即：1 min 15 s/2 min 50 s)，終凝時間比為90%(即：10 min 35 s/11 min 46 s)；亞東洋房牌P.O42.5水泥凈漿的凝結時間亦大幅度降低，初凝時間比為58%(即：1 min 50 s/3 min 10 s)，終凝時間比為56%(即：4 min 40 s/8 min 20 s)。

2.3.2 水泥膠砂強度對比試驗

試驗成果分析：相對于基準水泥膠砂試件，添加6%或10%的納米材料均能有效提高混凝土7 d及28 d強度。添加6%或10%的納米材料對比混凝土7 d強度數據與之類似，而28 d混凝土抗壓強度數據表明10%的摻量明顯高于6%的摻量，說明隨著納米材料添加量的提高，水泥膠砂試件后期強度會有明顯地提升。

2.3.3 室內濕噴混凝土試拌試驗[4，5]

采用亞東洋房牌P.O42.5水泥進行了室內濕噴混凝土試拌試驗，室內濕噴混凝土試拌試驗成果見表1。

表1 室內濕噴混凝土試拌試驗成果表

按照《水電水利工程錨噴支護施工規范》DL/T 5181-2017要求，濕噴混凝土坍落度宜為8～12 cm。由表1可以看出：相對于基準濕噴混凝土試件，添加6%或10%的納米材料均能有效提高濕噴混凝土3 d、7 d及28 d抗壓強度。外摻6%、內摻6%的納米材料對比看與不同齡期混凝土抗壓強度類似，外摻10%納米材料的混凝土其抗壓強度最高。

相對于基準濕噴混凝土，隨著納米材料添加量的增加，所制備的濕噴混凝土的抗滲性能逐步提升，表明添加納米材料后，對濕噴混凝土的密實度有大幅度的提高。

2.3.4 濕噴混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗

采用亞東洋房牌P.O42.5水泥進行了室內濕噴混凝土試拌試件抗硫酸鹽侵蝕試驗，室內濕噴混凝土試拌試件抗硫酸鹽侵蝕試驗成果見表2。

表2 室內濕噴混凝土試拌試件抗硫酸鹽侵蝕試驗成果表

由表2可以看出：相對于基準濕噴混凝土，隨著納米材料添加量的增加，所制備的濕噴混凝土抗硫酸鹽侵蝕系數逐漸提高，即濕噴混凝土的抗蝕性能逐步提升，表明濕噴混凝土的密實度有較大幅度地提高。

3 現場添加納米材料前后噴射混凝土性能測試對比試驗

(1)試驗地點：中國水利水電第十工程局有限公司施工的綽斯甲水電站引水隧洞6號洞。

(2)試驗目的：現場測試添加納米材料前后的濕噴混凝土，對其在引水隧洞施工中的實際回彈量、噴射時間、噴射效果以及噴射混凝土的抗壓強度等指標進行對比分析。

(3)參與單位：中國水利水電第十工程局有限公司中心試驗室、四川琪匯新材料有限責任公司、中國水利水電第十工程局有限公司綽斯甲水電站引水隧洞工程項目經理部。

(4)試驗材料：

水泥：甘肅永固P.O42.4R水泥。

骨料：人工砂、人工小石。

水：工程附近用水。

外加劑：QH-02聚羧酸高性能減水劑、QH-05無堿液體速凝劑。

納米材料：JY-N型。

(5)現場實際情況。根據對綽斯甲水電站引水隧洞6號洞施工的具體情況進行分析后認為：采用大型濕噴機械手施工較為適合進行噴射混凝土施工對比試驗。為確保工況相近，最終決定采用工況大致相同的4榀工字鋼錨噴支護進行對比試驗。

(6)現場噴射混凝土性能測試對比項目：

①添加納米材料前后的濕噴混凝土配合比對比分析；

②添加納米材料前后的濕噴混凝土噴射時間對比分析；

③添加納米材料前后的濕噴混凝土回彈率對比分析；

④添加納米材料前后的濕噴混凝土現場施工狀態、環保情況對比分析；

⑤添加納米材料前后的濕噴混凝土抗壓強度對比分析；

⑥添加納米材料前后的濕噴混凝土對比試驗結論。

(7)現場噴射混凝土性能測試。

①配合比對比分析。甘肅永固P.O42.5R水泥現場噴射試驗添加納米材料前后配合比見表3。

②噴射時間對比分析。因每車濕噴混凝土施

表3 甘肅永固P.O42.5R水泥現場噴射試驗添加納米材料前后配合比表

工間隔時間不一致，而現場采用進行對比的施工工作面基本相同，故分別對每車(3 m3)噴射混凝土的施工時間進行了單獨的統計對比:基準時，平均每車的施工時間為14 min；添加納米材料后，平均每車的施工時間為9 min。

由此得知：添加納米材料后比基準時平均每m3施工時間減少1.6 min，每循環按照約30 m3濕噴混凝土施工量計算，每循環縮短循環時間48 min。按照10 000 m3濕噴混凝土計算，可節約時間16 000 min(267 h)，約為11.11 d；按照洞內施工人員6人/班組，工資8 000元/人/月計算，每10 000 m3濕噴混凝土節約人員工資約為17 776元。

③回彈率對比分析。同時選取4榀工字鋼開挖程度大致相同的作業面，相連2榀為一組，基準作業面2榀，添加納米材料作業面2榀。分別對3 m3噴射混凝土噴射兩組作業面進行對比。分別收集兩組噴射混凝土作業面的回彈量后稱量并計算回彈率，其回彈率對比分析情況見表4。

表4 回彈率對比分析表

④現場施工狀態、環保情況對比分析。通過進行現場試噴情況對比，對現場管理人員及相關作業人員進行了調查，具體情況如下：

a.試驗室：添加納米材料后，噴射混凝土的和易性明顯較好，強度高，初凝時間約為3 h，可以在機械故障等特殊情況下確保噴射混凝土和易性能正常使用。

b.工程部：添加納米材料后，噴射混凝土和易性較好，回彈量明顯降低，洞內施工工作面的粉塵降低，特別針對有水洞段，未發現噴射混凝土大量掉塊現象。采用添加納米材料后的噴射混凝土初支噴層厚度大約可由基準時的 5～7 cm提高到10～25 cm左右，從而在一定程度上加快了噴射混凝土施工進度。

c.架子隊：施工過程順暢，回彈量明顯降低，洞內施工工作面粉塵明顯降低，無不適感。

d.作業班組：添加納米材料后，噴射混凝土噴射施工一段時間后未出現明顯掉塊。

e.抗壓強度對比分析。對于每次試驗循環，試驗室按照要求預留了大板試件濕噴混凝土7 d、28 d齡期抗壓強度試驗結果。實測基準時的7 d/28 d噴射混凝土平均抗壓強度為25.5 MPa/31.5 MPa；實測添加納米材料后的7 d/28 d噴射混凝土平均抗壓強度為29.6 MPa/37.6 MPa。

4 綜合經濟效益對比分析

根據綽斯甲水電站引水隧洞6號洞的實際情況，結合項目各原材料的采購單價，濕噴混凝土不同工況下單m3的綜合成本及該標段整體綜合參考成本對比情況見表5。

表5 濕噴混凝土不同工況下單m3綜合參考成本對比表

根據表5中的數據，按照理論1萬m3濕噴混凝土計算，實際施工方量按照超方30 %計算，實際濕噴混凝土方量約為1.3萬m3。

采用兩種配合比實際發生濕噴混凝土在不同工況下的回彈率后，其總方量約為：

①基準時，總方量為1.3萬m3×(1+ 40.56 %)=1.827 28萬m3。

②添加納米材料時，總方量為1.3萬m3×(1+ 18.36 %)= 1.538 68萬m3。

表6 濕噴混凝土不同工況下以1萬m3理論噴射混凝土綜合參考成本對比表

濕噴混凝土不同工況下以1萬m3理論噴射混凝土綜合參考成本對比情況見表6。表6中的統計費用系按照大型濕噴機械手單價進行統計(計價規則按照實際方量計量)。如果采用小型濕噴機施工，計價規則應按照設計方量計量，總費用對比時可不考慮機械費。

5 結 語

在濕噴混凝土中添加納米材料后，通過所進行的室內及現場噴射性能測試對比試驗取得的成果表明：在有效保證施工質量、滿足設計要求的前提下，大大減小了施工回彈率，加快了施工進度，減少了施工綜合成本，降低了操作人員的健康風險，安全環保，尤其適用于回彈率大、富水區施工的地下洞室工程。因此，在濕噴混凝土中添加納米材料具有很高的經濟效益和社會價值，所取得的經驗可在類似工程中進行推廣與應用。