水利工程噴射混凝土配合比設計與施工工藝試驗

陳 剛

（中鐵二十二局集團第四工程有限公司，天津 301700）

0 引言

噴射混凝土是指將混凝土的運輸、澆筑和振搗工作集為一體的施工方法。其由于操作簡單便捷，具有一定的靈活性，已經廣泛運用在交通隧道、水工隧道和洞室等地下工程中。現階段，現場施工一般采用濕噴或者潮噴的施工工藝進行施工，借助轉子活塞式濕噴機來對空氣進行壓縮，物料在管道中進行流動然后傳送到噴嘴處，直接進行噴出。轉子活塞式濕噴機含有兩套輸送系統，一套是混凝土輸送系統，使用混凝土攪拌機進行攪拌之后輸送到噴射機的料斗內，借助喂料系統將物料均勻分配然后輸送到氣料混合倉內，借助高壓風將其進行充分混合，然后到達噴嘴；另一套系統是液體速凝劑添加系統，根據液體速凝劑的添加量來對計量泵的流量進行調整，計量泵泵出的液體與高壓風進行均勻混合之后轉化為霧化的狀態輸送到噴嘴混合環中與混凝土進行充分混合，最終從噴嘴噴到施工面上[1]。在施工過程中，為了確保工程質量，需要對混凝土的配比進行科學合理的設計，從而確定最佳的施工參數。

本文結合瑪爾擋水電站哈德黑溝排洪洞工程，就噴射混凝土配合比設計與施工工藝試驗進行分析。

1 工程概況

瑪爾擋水電站壩址位于青海省瑪沁縣拉加鎮上游約5km 的黃河干流上，左岸為果洛州瑪沁縣，右岸為海南州同德縣，距上游規劃的寧木特水電站約80km，距下游規劃的爾多水電站約33km。西寧~果洛省道（S101）通過壩址右壩肩，距西寧市公路里程約363km，對外交通便利。工程規模為I等大（1）型，樞紐建筑物主要由面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪洞和右岸地下廠房引水發電系統組成。水庫正常蓄水位3275m，電站裝機容量為2200MW，多年平均發電量72.202億kW·h。

瑪爾擋水電站哈德黑溝排洪洞工程位于壩址區黃河右岸，全長1255.06m，排洪洞斷面為城門洞型，斷面尺寸為3.0m×3.5m。排洪洞工程施工過程中，隧洞的一次支護采用噴射混凝土的施工技術進行施工，為了保證施工質量，需要合理確定混凝土的配合比和施工參數，并控制好施工中的重點。

2 配合比設計

混凝土的強度為C20，按照實際的混凝土配合比來進行設計，對原材料的性能進行檢測，從而選擇出最佳的混凝土配合比。混凝土設計指標見表1所示。

表1 混凝土設計指標

2.1 原材料

2.1.1 水泥

配合比試驗采用青海祁連山有限公司生產的P·O42.5水泥，水泥物理力學指標檢驗標準依據《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007），經檢驗，水泥的各項性能指標均滿足標準要求，檢驗結果見表2所示。

表2 水泥物理力學性能檢驗結果

2.1.2 細骨料

配合比試驗的細骨料為水電三局瑪爾擋篩分廠生產，參照《水工混凝土施工規范》（DL/T 5144-2001）對細骨料各性能指標進行檢驗，檢驗結果見表3所示。

表3 細骨料檢驗結果(人工)

2.1.3 粗骨料

配合比試驗的粗骨料為水電三局瑪爾擋篩分廠生產，參照《水工混凝土施工規范》（DL/T 5144-2001）對粗骨料進行檢驗，檢驗結果見表4所示。

表4 粗骨料檢驗結果（人工）

2.1.4 外加劑

（1）水泥與減水劑適應性及減水劑最優摻量選擇試驗。

采用水泥凈漿流動度方法進行水泥與外加劑適應性及最優摻量試驗；JQ-A1 高效減水劑、JQ-A1 高效減水劑按0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%等5個摻量進行試驗。JQ-A1高效減水劑與祁連山P·O42.5水泥的適應性試驗結果見圖1所示。

圖1 祁連山水泥與JQ-A1適應性試驗結果

由圖1可知，隨著JQ-A1高效減水劑摻量的增加，水泥凈漿流動度有不同幅度的增長，當其摻量達到1.0%時，水泥凈漿流動度達到峰值，以后隨著摻量的增加水泥凈漿流動度反而降低，因此JQ-A1高效減水劑最佳摻為1.0%量。

（2）外加劑性能檢測。

對青海省西寧遠艦建筑材料有限責任公司生產的JQ-A1高效減水劑，依據《水工混凝土外加劑技術規程》（DL/T 5100-1999）進行檢驗，檢驗結果見表5。由表5可知，JQ-A1 高效減水劑所檢驗的項目指標滿足“高效減水劑”標準要求。

表5 減水劑檢驗結果

（3）速凝劑性能檢測。

對北京金盾建筑材料有限公司生產的JD-13 型粉狀速凝劑和JD-12液體速凝劑，依據JC 477-2005《噴射混凝土用速凝劑》進行檢驗，檢驗結果（見表6所示）表明JD-13型粉狀速凝劑和JD-12液體速凝劑相關指標滿足標準要求。

表6 速凝劑檢驗結果

2.2 最優砂率選擇試驗

進行砂率優選試驗,控制用水量與膠凝材料用量不變，檢驗拌制混凝土拌合物和易性的各項指標，結果見表7所示。

表7 用水量及砂率試拌試驗結果

由試驗結果可知，控制膠凝材料460kg/m3，用水量198kg/m3時，當砂率為53%時，所試拌的混凝土各項指標較好，確定濕噴混凝土的最優砂率為53%。

2.3 混凝土配合比設計

2.3.1 混凝土配制強度

依據《水工混凝土配合比設計規程》（DL/T 5330-2005），混凝土配制強度按下式計算。

式中：?cu，0——混凝土配制強度，MPa；

?cu，k——混凝土設計強度，MPa；

t——概率度系數；當設計齡期為28d時，抗壓強度保證率P為95%。

σ——混凝土強度標準差，標準差σ值見表8所示。配制強度計算見表9所示。

表8 標準差σ值

表9 混凝土配制強度

依據《水電水利工程噴錨支護施工規范》（DL/T5181-2003）對各類噴射混凝土的水泥、砂石和水的比例進行噴射混凝土的設計和試拌。比例見表10所示。

表10 各類噴射混凝土的水泥、砂石和水的比例

2.3.2 噴射混凝土水灰比與強度的關系

采用祁連山P·O42.5水泥，根據配制強度選擇不同水膠比進行混凝土水膠比-強度關系試驗。試驗編號RSR-01~RSR-02 為干噴混凝土試噴配合比，速凝劑采用北京金盾建筑材料有限公司生產的JD-13 型粉狀速凝劑；試驗編號RSR-03~RSR-04 為濕噴混凝土試噴配合比，速凝劑采用北京金盾建筑材料有限公司生產的JD-12液體速凝劑和青海省西寧遠艦建筑材料有限責任公司生產的JQ-A1高效減水劑，混凝土試噴配合比及其抗壓強度試驗結果見表11所示。

表11 混凝土拌合物性能與抗壓強度試驗結果

2.3.3 選定施工配合比

根據所拌制的混凝土性能試驗結果，依據設計指標，對施工配合比進行選定，選定結果見表12所示。

表12 施工配合比選定結果

2.4 推薦混凝土施工配合比

綜合混凝土性能試驗結果，所選定的施工配合比均滿足設計要求，根據以往工程混凝土配合比設計的經驗，推薦混凝土施工配合比，見表13所示。

表13 黃河瑪爾擋水電站哈德黑溝排洪洞混凝土施工配合比

3 試驗段混凝土噴射施工

3.1 試驗場地布置

在現場的洞口進行試驗，試驗分干噴射和濕噴射2個方案，每個試驗方案所占有的現場施工面積為6m2。由于現場施工的洞室面積較大，為了更好地進行施工試驗，需要進行腳手架的搭設，并且鋪設跳板。

3.2 施工工藝試驗

3.2.1 施工工藝

濕噴法噴射混凝土施工主要包含以下幾方面的內容：前期的實驗準備工作、混凝土的拌制和運輸、混凝土的噴射作業等[2]。噴射混凝土施工工藝流程如圖2所示。

圖2 混凝土濕噴法施工工藝流程

在噴射混凝土之前需要做好前期準備工作，主要包含混凝土的配合比、材料的準備、技術支持、試驗場地的確定和安裝噴射混凝土厚度控制標識等工作。

3.2.2 噴射混凝土的拌制和運輸

采用型號為HZD80的強制式拌合機來對噴射混凝土進行攪拌。在進行拌合前需要對原材料進行嚴格的稱重，將誤差控制在允許范圍內。

采用型號為NISSAN的混凝土攪拌運輸車來進行噴射混凝土的運輸。在運輸過程中，需要對噴射混凝土進行攪拌，確保不會出現接團、粘連的現象，運送的距離大約為1km。在現場的施工試驗中，需要對各個工序之間的聯系進行加強，避免混凝土在運輸過程中出現長時間停放的現象。此外，混凝土在進運輸過程中需要避免淋雨或者雜物混入，在進行喂料之前需要進行過篩處理，對有可能存在的雜質進行剔除。

3.2.3 混凝土噴射試驗

在混凝土進行噴射前，需要采用高壓水槍將圍巖周圍的噴射面進行充分沖洗，并且保持圍巖濕潤，然后用砂漿將料斗和輸料管道進行濕潤，噴射機的工作風壓控制在0.1~0.2MPa 之間，通過對風壓的調節來控制回彈率，減少粉塵的飛揚。噴槍嘴到受噴面之間的距離控制在0.6~1.0m之間，并且盡量將噴槍嘴與受噴面保持90°。在進行噴射作業時一般采用先墻后拱、從下向上的順序來進行作業，噴頭直徑為20~25cm圓圈繞動并且按照螺旋形路線的順序進行施工作業。在噴射凹凸不平的平面時，首先對凹面進行噴射，然后再對其他的部分進行噴射。如果一次的噴射厚度不符合施工要求，則可以進行分層噴射，第一次噴射的厚度為不產生墜落為宜；第二次噴射需要在第一次噴射的混凝土凝結之后再進行，如果兩次噴射時間間隔超過1h，則需要對第一次噴涂表面上的雜質進行沖洗，方可進行第二次噴射。由計量泵來進行速凝劑的噴射，使用濕噴機振動篩來進行混凝土的供料，這樣可以避免管道的堵塞。在噴層凝結2h后，需要進行噴水養護，在14d內應該確保噴層表面保持濕潤的狀態。對于噴射工程量大的施工現場，需要設置有專業的人員來進行養護[3]。當外界氣溫低于5℃時，不得進行噴水，必要時還需要對噴射面采取保溫處理。對外表光滑、美觀度有要求的洞段，在噴層初凝之后，使用刮刀將多余的部分除去，并且對其表面進行處理。

4 試驗段檢測分析

4.1 回彈率的測定

回彈率檢測方法為，在圍巖上劃出面積為2m2的試驗塊，在地上鋪設彩條布來收集回彈料，回彈料的重量與噴射料的重量比為回彈率。回彈量試驗成果見表14所示。試驗結果表明，濕噴射混凝土回彈量降低。

表14 不同方案回彈量試驗結果

4.2 一次噴射混凝土厚度試驗

混凝土噴射到圍巖上之后，受到重力的作用，在混凝土厚度達到一定的厚度時，會出現坍塌現象。為了檢驗混凝土在圍巖上的噴射厚度，需要將測針插入圍巖周圍。具體試驗結果見表15所示。試驗結果表明，噴射厚度最高的為濕噴射混凝土。

表15 一次噴射混凝土厚度試驗結果

5 噴射混凝土最終的施工參數

經過現場噴射試驗和成果檢測分析，最終確定施工工藝參數為：

（1）風壓：邊墻的噴射壓力為0.18~0.2MPa；拱起部分的噴射壓力為0.15~0.17MPa；

（2）砂漿泵性能：輸送能力超過4m3/h；

（3）噴射距離：拱部噴射距離為0.8~1.0m，邊墻噴射距離為0.6~0.7m；

（4）噴射角度：噴槍嘴與受噴面呈90°；

（5）一次噴射厚度：控制在90~110mm；

（6）養護：噴層終凝2h后，在外界溫度在5℃以上需要噴水養護14d；

（7）混凝土拌合物的坍落度：宜控制在（14±2）cm。

6 結束語

綜上所述，在進行噴射混凝土施工時受工程特點、原材料差異、機械設備差異、工程環境差異等因素的影響，不同地區噴射混凝土施工參數存在比較大的差異。為了保證工程施工質量，需要根據工程的具體情況，通過試驗確定施工參數。該工程按照上述參數施工后取得了良好的施工效果，值得類似工程借鑒和參考。