降低噴射混凝土回彈率的研究

婁 鑫

(中國水利水電第七工程局有限公司試驗檢測研究院，四川 成都 620860)

1 概 述

固增水電站位于四川省涼山州木里縣境內的木里河干流上，系木里河干流(上通壩～阿布地河段)水電規劃“一庫六級”中的第五個梯級電站，其上、下游分別與俄公堡、立洲電站銜接。工程樞紐由攔河閘壩、進水口、引水隧洞、調壓室、壓力管道、地面發電廠房組成，為典型的引水式電站。閘壩最大閘高為27 m，壓力引水隧洞沿木里河左岸布置，引水線路長11.06 km，噴射混凝土累計施工約8.9萬m3。

噴射混凝土從引水隧洞斷面尺寸、圍巖情況、工程進度等方面考慮最終決定采用多點小型噴射機潮噴工藝施工。該工藝可靈活調配噴射混凝土施工機械，有效做好圍巖較差洞段的初期支護。鑒于噴射混凝土回彈率對項目的成本控制及施工進度具有較大的影響，因此，結合噴射混凝土施工現狀研究如何降低噴射混凝土回彈率的方法具有較大的經濟效益及工程意義[1]。

2 回彈率影響因素分析

由于噴射混凝土施工工藝與一般混凝土施工工藝相差較大，其主要依靠風槍噴射時的壓力將混凝土噴射在基巖面上，使噴射混凝土與其黏結并在較短的時間內產生相應的強度進而達到支護的目的。但由于混凝土自重及噴射面具有的彈性，使部分混凝土不能很好地與基巖面或混凝土面黏結(脫落部分的噴射混凝土與總施工噴射混凝土的質量百分數稱為回彈率)。由于固增水電站引水隧洞的尺寸不能滿足大型機械設備直接施工的條件，故只能采用小型手扶式噴射機進行噴射混凝土的施工，其受作業環境及圍巖影響因素較多，通過規范施工操作降低噴射混凝土回彈率的難度較大，所投入的施工成本與取得的工程意義與經濟效益不相符。因此，在降低噴射混凝土回彈率方面不考慮施工人員噴射時操作方面的影響。本文著重對其余影響因素進行的分析研究，進而達到降低噴射混凝土回彈率的目的[2]。

2.1 混合料級配

當噴射混凝土的水膠比在0.4～0.45之間時，將砂與豆石的比例控制在50∶50～60∶40之間能夠在其它參數不變的情況得到較小的回彈率。但在噴射混凝土施工過程中，由于骨料加工系統生產質量的波動、母巖的變化、運輸等各方面原因會導致所使用的細骨料及豆石質量發生波動，因而，在配合比設計與施工質量控制過程中需要對混合骨料級配進行篩分試驗以確保混合料的篩分結果滿足規范要求。

進行混合骨料篩分試驗前，需要將細骨料與粗骨料按比例進行混合，混合均勻后采用四分法進行分樣。按照《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》GB50086-2015的要求進行試驗，混合料的篩分試驗結果宜控制在表1范圍內。噴射混凝土骨料通過各篩徑的累計重量百分數見表1。

表1 噴射混凝土骨料通過各篩徑的累計重量百分數表 /%

在洞室開挖支護過程中，由于連續性施工的方量較大，因此，還應在施工過程中進行檢查。

按照《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》GB50086-2015的要求，選取3種不同細骨料與粗骨料的比例進行混合料篩分試驗，不同比例下混合料篩分試驗結果見表2。

表2 不同比例下混合料篩分試驗結果表

采用以上三種不同比例的混合料進行現場試驗，在現場同一工作面上進行了噴射混凝土回彈率試驗。

選擇C25濕法噴射混凝土配合比進行了上述三種比例的混合料噴射混凝土回彈率試驗。配合比參數為：容重2 320 kg/m3、水220 kg、水泥489 kg、速凝劑19.6 kg，砂和豆石按以上三種比例進行計算。邊墻部位噴射時的回彈率為：砂∶豆石=50∶50，回彈率為16.3%，砂∶豆石=55∶45，回彈率為14.8%，砂∶豆石=60∶40，回彈率為13.9%；頂拱部位噴射時的回彈率為砂∶豆石=50∶50，回彈率為27.3%，砂∶豆石=55∶45，回彈率為23.7%；砂∶豆石=60∶40，回彈率為21.6%。

從上述試驗結果可以看出：隨著砂率的增大，噴射時的回彈率不斷下降，但降低的幅度在減小。而當混凝土砂率增加時，混凝土的強度則會降低，進而導致單m3膠凝材料用量增加，成本增加。

2.2 速凝劑摻量

速凝劑做為噴射混凝土獨有的外加劑，除了能夠快速使混凝土硬化早期強度提升外，還對噴射混凝土的回彈率及后期強度具有較為明顯的影響[3]。為了確定速凝劑對回彈率及后期強度的影響，對不同速凝劑摻量的噴射混凝土回彈率及后期強度進行了相關試驗。

試驗采用金冠P·O42.5水泥，速凝劑采用石家莊市長安育才建材有限公司生產的GK-3A型粉狀堿性速凝劑。速凝劑不同摻量對凝結時間和強度影響的試驗結果見表3。

表3 速凝劑不同摻量試驗結果表

從表3的檢測結果可知：速凝劑隨著摻量的增加其凝結時間均呈現明顯縮短，但抗壓強度比明顯下降。因此，選擇噴射時回彈率最小的混合料比例在現場進行了速凝劑摻量對噴射時回彈率的影響試驗。邊墻部位回彈率試驗結果為:3%摻量時為16.3%、4%摻量時為13.8%、5%摻量時為14.2%；頂拱部位回彈率試驗結果為：3%摻量時為27.3%、4%摻量時為22.7%、5%摻量時為22.5%。

2.3 水泥及其它

由于水泥的品質相對來說較為穩定，因此，施工過程中在保證強度的前提條件下應盡可能地降低其使用量。由于用水量的多少主要與混合料中的含水率相關，因此，用水量需結合現場情況進行確定且存在一定程度的波動。而用水量過多或過少都會導致噴射混凝土的回彈率變大。

3 控制措施

由于固增水電站噴射混凝土的施工條件復雜且圍巖條件較差，因此，對噴射混凝土的施工作業人員的技能要求相對較高。所有的噴射手均需經過培訓合格后方能進行噴射混凝土的施工作業。在保證施工操作的一致性后，降低噴射混凝土的回彈率就要從原材料的控制方面著手[4]。項目部結合影響回彈率的因素進行了分析，制定了相應的控制措施。

3.1 混合料比例控制

噴射混凝土回彈率的大小與混合料的級配情況有直接關系。但由于骨料加工系統生產質量的波動、母巖的變化、運輸等各方面原因會導致所使用的細骨料及豆石質量發生波動，因而需要在配合比設計的基礎上對施工質量進行過程控制。需要通過混合骨料級配篩分試驗確認混合料的篩分結果滿足規范要求，且需其接近配合比設計時的篩分結果。但在進行混合料篩分試驗時，所使用的資源較多且用時較長，不適宜現場施工過程控制，導致無法很好地對噴射混凝土施工進行很好的控制。

進行混合料級配控制需要進行混合料的篩分試驗。但因制備與配合比相適應的混合料樣品及相關試驗花費時間較長，不適宜直接用于對混合料比例的控制與糾偏，會造成實際施工過程噴射混凝土回彈率增大而不能及時發現的情況、進而造成不必要的浪費。在此基礎上，項目部結合篩分試驗特點，選取分別對砂和豆石的篩分試驗結果進行理論推算進而控制混合料級配的方法代替混合料篩分，省去了制備混合料的時間，減少了樣品數量，縮短了檢測時間，確保了能夠有效、持續、穩定地使噴射混凝土作業保持在較低回彈率水平。

項目部對噴射混凝土混合料篩分及分別篩分砂、豆石理論推算混合料級配的試驗進行了適應性分析。

直接對混合料進行篩分時，每個比例的混合料拌制質量為50 kg。為了防止其它物質的污染，選取在試驗室拌和間的鋼板上進行拌和的方式，拌和時翻拌的次數為5遍，投入拌和的人員為5人，由1名試驗人員在拌和后的混合骨料中進行取樣，取樣質量為17～18 kg，然后進行篩分試驗。整個試驗用時為4 h 30 min。由于直接篩分混合料耗時長，不適宜做為控制混合料級配的方法。

采用分別篩分砂、豆石理論推算混合料級配，分別對細骨料、粗骨料進行取樣，然后分別稱取500 g細骨料及10 kg粗骨料進行篩分試驗。投入1名試驗員在原有的骨料性能檢測間進行篩分試驗。整個試驗過程用時為30 min。檢測用時較短，能夠在混合料級配發生變化時及時對砂石比例進行調整。

兩種試驗方法對不同比例組合的混合骨料的篩分試驗結果基本一致。而采用分別篩分砂石推算混合料級配的方法用時短，能夠有效控制噴射混凝土混合料的級配，進而達到降低噴射混凝土回彈率的目的。

3.2 速凝劑摻量控制

速凝劑做為噴射混凝土外加劑在其施工過程中起到了關鍵作用。結合第2節回彈率影響因素分析“速凝劑摻量”內容的描述得知，主要影響回彈率的因素為混凝土的凝結時間。當采用速凝劑凝結時間(初凝)試驗結果為2 min左右時，此時速凝劑摻量下的回彈率最小。對混凝土強度進行分析可以看出：當凝結時間過短時，會更容易造成混凝土的內部不密實、進而降低混凝土強度。因此，對速凝劑摻量的控制分為兩個方面：

(1)室內試驗。首先，在配合比設計時，對速凝劑摻量的選擇應選擇凝結時間(初凝)為2～3 min為宜；第二，在其使用過程中，當凝結時間(初凝)較短時，應適當降低速凝劑的摻量重新進行試驗直至凝結時間為2～3 min，并立即將試驗結果通知現場施工人員對速凝劑摻量進行調整。

(2)現場施工。現場施工時，應在噴射施工過程中進行速凝劑的摻加。項目部結合現場施工機具情況，選擇在混合料攪拌機入口進行速凝劑摻加的方式。在攪拌機入口加裝漏斗，該漏斗容量可容納攪拌機容量相適應的速凝劑質量，在攪拌過程中通過漏斗加入速凝劑并將其拌合均勻。結合后續混合料的添加速度調整漏斗下放速凝劑的速度進而有效控制速凝劑的摻量，達到在保證噴射混凝土強度及其它硬化性能的基礎上降低噴射混凝土時回彈率的目的[5]。

3.3 水泥及用水量控制

由于水泥的強度直接影響到噴射混凝土的強度，因此，必須在水泥進場使用前對水泥進行檢測，確保水泥的強度滿足要求且不出現較為明顯的質量波動。當水泥的強度波動較大且處于臨界狀態時，需要降低速凝劑摻量以確保噴射混凝土強度滿足要求。但速凝劑摻量的降低會導致噴射混凝土回彈率增加。項目部結合水泥品質檢測情況及施工工藝情況，與水泥供應廠商商定用于噴射混凝土的水泥強度不得低于45 MPa，極差不得超過5 MPa。

鑒于噴射混凝土的用水量已在配合比試驗時確定。當原材料品質未發生明顯變化時其用水量使用配合比推薦的用量，噴射混凝土面光滑且回彈率較小。因此，在噴射混凝土施工過程中，應以噴射面光滑無脫落為控制原則進行控制，確保噴射時的回彈率最低。

4 控制效果

項目部采用噴射混凝土施工原材料的控制方式進行施工控制，使噴射混凝土回彈率明顯降低且現場施工質量得到了保障。技術人員對噴射混凝土施工過程中的回彈率進行了統計分析。對2019年4月至2020年8月在邊墻及頂拱進行的噴射混凝土回彈率統計結果見表4。

表4 噴射混凝土回彈率統計結果表

從表4中的檢測結果可以看出：固增水電站噴射混凝土施工時的回彈率滿足《水電水利工程錨噴支護施工規范》DL/T5181-2003中邊墻回彈率不宜大于15%，頂拱回彈率不宜大于25%的要求，較某工程回彈率邊墻位置降低了1.8%，頂拱位置降低了2.8%。

5 結 語

對于固增水電站這種長引水隧洞、錨噴支護量較大的工程，研究降低噴射混凝土回彈率因素并采取相關質控措施予以控制，不但可以達到節約成本的目的，更有益于達到現場施工過程中節能環保的目標。通過對固增水電站噴射混凝土回彈率的分析與控制，最終實現了降低噴射混凝土回彈率目的，進而降低了噴射混凝土的損耗，減少了對回彈料進行清理的工作量。固增工程采取的控制措施對噴射混凝土施工過程控制具有很好的推廣價值。