纳米材料改善普通干湿喷射混凝土回弹率和强度现场工艺试验

丁建彤，吴 勇，雷英强

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610081)

纳米材料改善普通干湿喷射混凝土回弹率和强度现场工艺试验

丁建彤，吴 勇，雷英强

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610081)

普通C20～C30干喷或者湿喷混凝土边墙和顶拱的综合回弹率一般为20%～30%，且干喷混凝土的强度经常不合格。通过在新建京张铁路、白鹤滩水电站、锅浪跷水电站、成都地铁18号线共4个工程的现场工艺试验表明，在普通的C20～C30干喷或者湿喷混凝土中，掺入10%自行研发的HB7-2型无机粉体纳米材料等量替代水泥，能够让综合回弹率减少52%～72%，并降低到10%以下，一次喷层厚度达到30 cm，24 h内初期强度显著提高、28 d 强度提高20%以上，每个开挖支护循环的时间至少节约0.7 h，整体上提高地下洞室开挖支护的质量、安全性和经济性。

纳米材料；喷射混凝土；回弹率；强度

0 引 言

水电、水利、铁路、公路工程的地下洞室支护所用普通C20～C30干喷或者湿喷混凝土边墙和顶拱的综合回弹率一般较高，且干喷混凝土的强度经常不合格。

干喷混凝土的回弹率一般在20%以上，甚至达到40%～50%；湿喷混凝土回弹率也经常超过20%。在中国水利水电第七工程局有限公司(以下简称“水电七局”)正在施工的工程中，新建京张铁路8标草帽山隧道的C25湿喷混凝土回弹率高达30%以上，锅浪跷水电站1号引水隧洞的C20干喷混凝土回弹率达到25%以上，成都地铁18号线土建5标龙泉山隧道的回弹率达到20%以上。这严重加大了施工成本并且增加了喷射支护的工期。在影响喷射混凝土回弹率的各种因素中，喷射设备、施工人员素质、围岩条件往往难以改变，因此，通过掺加新材料来降低回弹率是一种便捷有效的方法。在锦屏二级水电站引水隧洞施工中，掺加了一种新型纳米材料，将CF30湿喷混凝土的综合回弹率降至8%～10%[1]，并且1 d强度达到20 MPa[2]；在正在施工的白鹤滩水电站地下厂房中，掺加一种纳米材料后，CF30湿喷混凝土的顶拱回弹率平均只有15%左右。但上述用到的两种纳米材料的价格高昂，导致喷射施工的总成本反而显著增加。

实际施工中，干喷混凝土采用28 d抗压强度比一般只有75%左右的碱性粉状速凝剂，且速凝剂多靠人工舀入方式掺加，难以混合均匀，混凝土用水量靠喷枪手根据经验调节进水管阀门开度进行控制也不能准确计量，因此，虽然混凝土设计强度等级一般只有C20～C25，但大板喷射取芯结果仍然经常不合格。湿喷混凝土因为采用集中拌和，配合比控制比较准确，且采用液体速凝剂，强度相对比较有保证。

针对上述问题，水电七局试验检测研究院引进南京水利科学研究院的专利技术，在其基础上进一步自行研制了HB7-2型系列无机粉体纳米材料，价格大幅低于现用的市售纳米材料。其体积平均粒径D(4，3)为100～200 nm，可显著降低普通喷射混凝土的回弹率、提高初期和后期强度，其作用机理主要是增加混凝土拌和物的内聚性和粘结力以减少回弹，增加混凝土硬化后的密实度以提高强度。本文简介了在新建京张铁路、白鹤滩水电站、成都地铁18号线、锅浪跷水电站的现场喷射工艺试验结果。

表1 HB7-2型系列纳米材料性能测试结果

1 工艺试验所用原材料

(1)新建京张铁路。张家口金隅水泥有限公司P·O42.5 低碱水泥，比表面积337 m2/kg；河砂，细度模数2.75，含泥量1.6%；5～10 mm石灰岩人工豆石；低碱液体速凝剂，掺量5%时，初凝时间4 min 14 s，终凝时间9 min 21 s；聚羧酸系高性能减水剂，减水率27%。

(2)白鹤滩水电站。四川省宁南县白鹤滩水泥有限责任公司P·O42.5水泥，比表面积380 m2/kg；玄武岩人工砂，细度模数2.73，石粉含量12.8%；5～15 mm玄武岩人工豆石；无碱液体速凝剂，掺量8%时，初凝时间2 min 20 s，终凝时间7 min 9 s；河南无机纳米材料，平均粒径267 nm，减水率26%。

(3)锅浪跷水电站。四川省二郎山喇叭河水泥有限公司P·O42.5水泥，比表面积350 m2/kg；人工砂，细度模数3.3，石粉含量4.2%；采用河卵石破碎的5～10 mm人工豆石；碱性粉状速凝剂，掺量6%时，初凝时间3 min 40 s，终凝时间7 min 4 s。

(4)成都地铁18号线。都江堰拉法基水泥有限公司P·O42.5水泥；人工砂，细度模数2.9，石粉含量6.6%；5～10 mm人工碎石；碱性粉状速凝剂，掺量6%时，初凝时间5 min 45 s，终凝时间10 min 23 s。

纳米材料为水电七局试验检测研究院自行研发的HB7-2型系列无机粉体纳米材料，性能参照GB/T 18736《高强高性能混凝土用矿物外加剂》、GB 8076《混凝土外加剂》测试，结果见表1，颗粒大小及其形貌的透射电镜观测结果见图1，颗粒均呈球形，粒径最小的仅6 nm。

图1 HB7-2型纳米材料颗粒尺寸和形貌透视电镜

2 混凝土施工工艺

(1)配合比。在4个工程中，分别以不掺纳米材料的混凝土或掺加工程现用纳米材料的混凝土作为基准组，以掺加不同型号HB7-2的混凝土作为纳米组，进行了对比，配合比见表2。

(2)喷射工作面。四个工程的现场喷射工艺试验工作面的基本情况见表3。

(3)施工工艺。①混凝土拌制与运输。湿喷混凝土均在大型拌和楼集中拌制，采用强制式搅拌机，搅拌时间均为3 min；采用罐车运输，每车一般不超过8 m3；从加水拌和到开始喷射之间的平均时间，新建京张铁路约40 min，白鹤滩水电站约30 min。干喷混凝土均在简易拌和楼集中拌制，采用小型强制式搅拌机，搅拌时间均为3 min；采用平板车运输，每车一般不超过3 m3；从拌和到开始喷射之间的平均时间，锅浪跷水电站约20 min，成都地铁18号线约15 min。②喷射施工参数。4个工程的实际喷射工艺参数见表4。由于喷射施工一般由分包队伍进行，其设备和工艺水平参差不齐，不尽符合有关规范的要求，尤其是喷射角度和距离。

表2 不同工程喷射混凝土现场工艺试验配合比

表3 不同工程现场喷射工艺试验工作面基本情况

表4 现场喷射工艺参数

表5 到场混凝土拌和物性能

3 试验结果

3.1 拌和物性能

拌和物性能见表5。由于现场喷射工艺试验条件限制，凝结时间采用手感法判断——以手按吃力为初凝，以手按不动为终凝。拌和物性能结果表明，掺入HB7-2型纳米材料与不掺的相比，凝结时间缩短1/4～1/2，倒坍落度流出时间明显延长，反映出混凝土粘性有所增加；与掺市售纳米材料的性能相当，且纳米组混凝土和易性和粘聚性好、不易堵泵。

3.2 回弹率、工期、一次喷层厚度和粉尘

在地面上铺满苫布尽量收集全部回弹物，测试了包括边墙和顶拱回弹在内的综合回弹率。湿喷混凝土以拌和楼过磅称量总质量作为基数，干喷混凝土由于条件有限以拌和楼干拌料称量总质量再加上理论用水量作为基数。回弹率测试结果见表6。

表6 不同工程喷射混凝土综合回弹率测试结果

由表6可知，不掺纳米材料的基准混凝土回弹率基本在20%～30%，掺入纳米材料后回弹率基本降至8%～10%，较基准组降低52%～72%；与掺加市售纳米材料的相比，掺HB7-2纳米材料时回弹率进一步降低18%。

这4个工程中，每个开挖支护循环的喷射混凝土施工时间平均约4 h。加入纳米材料后，按照平均回弹率从25%降至9%计算，喷射时间只需要3.3 h，可节约直线工期约0.7 h。在白鹤滩水电站的工艺试验中，采用预埋钢筋标记的方法测试了顶拱的一次喷层厚度。当时一次连续喷射的面积大约为3 m×4 m，厚度达到了30 cm。与不掺纳米材料的基准组相比，喷枪手普遍反映纳米组混凝土喷射上去之后附着性好、粉尘少。

3.3 硬化混凝土性能

喷射大板试件后钻取φ100 mm、高100 mm的圆柱体芯样，测试了标养7、14、28 d的强度，在成都地铁18号线还测试了12、24 h的初期强度，结果见表7。

由表7可见：

(1)掺入HB7-2后，与不掺的相比，各龄期混凝土强度均明显增加，28 d龄期时，湿喷混凝土提高35%，干喷混凝土提高40%，有效消除了干喷混凝土强度不合格的常见病；与掺市售纳米材料的相比，强度相当。

(2)成都地铁18号线试验中，掺入HB7-2型纳米材料后，混凝土在24 h内的初期强度比不掺明显提高，达到客运专线《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》(铁建设[2005]160 号)对C25喷射混凝土初期强度的设计要求，即12 h强度不小于5 MPa、24 h强度不小于12 MPa。在围岩稳定性较差时，这可提高初期支护安全性；同时，对于钻爆法施工，提高了混凝土抵抗防爆扰动的能力，有利于提前放炮。

表7 不同工程喷射混凝土大板芯样抗压强度 MPa

4 经济性分析

掺入纳米材料后，具有三方面的经济效益：工期缩短；按照平均回弹率从25%降至9%，这将直接节约17%的喷射混凝土材料用量和相应的喷射施工综合成本；国内普通C20～C30喷射混凝土的单方水泥用量一般为420～480 kg，掺入纳米材料等量替代水泥，可直接减少水泥用量44～48 kg。

5 结 语

4个不同工程的现场工艺试验表明，在普通C20～C30干喷或湿喷混凝土中，掺入10%自行研发的纳米材料等量替代水泥，可整体改善地下洞室开挖支护的质量、安全性和经济性。目前，水电七局正在有关工程中开展这种材料的应用与研究，以进一步提升其技术经济效果。

[1] 韩旭东, 葛军, 纳米·增韧型粗纤维湿喷混凝土在锦屏二级水电站引水隧洞中的试验与应用[J]. 四川水力发电, 2014, 33(6): 5- 9.

[2] 宁逢伟, 丁建彤, 陈波, 等. 纳米级掺合料粗合成纤维湿喷混凝土及抗裂性能分析[J]. 水电能源科学, 2017, 35(2): 123- 126.

FieldTestsonReboundRatioandStrengthofOrdinaryDryandWetShotcreteMixedwithNanoAdmixture

DING Jiantong, WU Yong, LEI Yingqiang

(Sinohydro Bureau 7 Co., Ltd., Chengdu 610018, Sichuan, China)

The overall rebound ratio of grade C20-C30 ordinary dry or wet shotcrete for the side walls and top arch of underground structures are generally about 20% to 30%, and the strength of dry shotcrete is often unqualified. The in-situ spraying tests of such shotcrete in four projects of Beijing-Zhangjiakou Intercity Railway, Baihetan Hydropower Station, Guolangqiao Hydropower Station and Chengdu Subway Line 18 show that, by replacing 10% of cement with HB7-2 inorganic nano admixture developed by Sinohydro Bureau 7 Co., the rebound ratios of C20-C30 ordinary dry or wet shotcrete can be reduced by 52% to 72% and achieve the level of less than 10%, the maximum spayed thickness in one-pass can reached 30 cm, the initial strength within 24 h is greatly increased, and the 28 d compressive strength is increased by more than 20%. The application of this nano admixture can save at least 0.7 h in each excavation and supporting cycle, therefore, the quality, safety and cost of underground construction can be overall improved．

Nano admixture; shotcrete; rebound ratio; strength

TV431

B

0559- 9342(2017)09- 0049- 04

2017- 02- 28

丁建彤(1970—)，男，江苏泰兴人，教授级高工，副总工，博士，主要从事建筑材料研究应用工作．

(责任编辑焦雪梅)