湿喷混凝土的回弹机理试验研究

何 鹏，曹宇春

(浙江科技学院 土木与建筑工程学院，杭州 310023)

采用湿式混凝土喷射工艺较干式工艺能有效降低粉尘浓度和回弹率，保证了混凝土质量[1-3]。宁逢伟等和陶坤从原材料、配合比、施工工艺三方面阐述降低回弹率的方法[4-5]。刘康引入超细矿物掺合料及回弹抑制材料来改变混凝土的黏聚性及工作性,以降低喷射混凝土回弹率[6]。姜波对喷射混凝土回弹机理进行了分析,结合某隧道工程进行了湿喷试验,针对湿喷角度、湿喷距离和速凝剂掺入质量分数三个影响因素对湿喷混凝土回弹率的影响进行了研究[7]，Burns的研究表明，喷射面积对回弹率几乎无影响[8]。Armelin认为适当地调整混凝土的配合比以及喷射技术可以降低混凝土的回弹率，骨料粒径及喷射速度是影响混凝土回弹率的最主要因素[9]。Parker等引入了“回弹率比”来反映回弹量的大小[10]，Melbye等认为喷射角度是影响回弹率最重要的因素[11]。王飞研究了工作风压、工作水压、喷射距离、喷射角度、初喷厚度等潮式喷射工艺参数对喷射过程回弹率的影响程度,最终确定施工工艺最优参数[12]。王斌对喷射混泥土施工工艺进行了分析与探讨,使喷射混凝土回弹率有效降低[13]。王璞东等通过对湿法喷射混凝土回弹率的试验,提出掺入适量粉煤灰和硅灰，控制速凝剂初凝时间和水泥用量以及混凝土适宜坍落度,能明显降低喷射混凝土的回弹率[14]。李俊均依托港珠澳大桥珠海连接线就湿喷混凝土原材料、配合比、回弹率等因素对其强度的影响进行试验分析,提出机械手施工湿喷混凝土的一些技术指标要求[15]。陈文耀等根据碰撞能量守恒原理，对喷射混凝土回弹机理进行研究[16]。通过已有研究发现，在降低湿喷混凝土回弹率方面，人们对回弹机理的试验研究有所欠缺，因此有必要开展石子贯入砂浆的试验，以揭示湿喷混凝土的回弹机理和规律。

湿喷混凝土技术作为公路隧道支护应用广泛[17]，浙江绍兴某隧道施工中使用湿喷混凝土技术作为隧道支护，但是统计发现回弹率约为26%，远高于湿喷机厂家指导水平，造成了人力、物力和财力的浪费。现场发现，在初开挖岩面上湿喷混凝土，前期石子会有较多回弹，随着混凝土厚度的增加，混凝土中的砂浆作为缓冲层，石子的回弹情况会降低。本文主要探讨在初开挖岩面先喷射适当厚度的砂浆层，再喷射混凝土的施工流程，探索石子贯入砂浆层的影响机理，并提出相关建议，从而达到降低混凝土回弹率，提高工作效率，节约成本的目的。

1 试验方案

1.1 试验材料选择及基准配比确定

根据就地取材原则,水泥选用P·O42.5水泥；砂为机制砂，粒径小于4.75 mm，其性能指标符合GB/T 14684—2011《建设用砂》[18]标准的要求；水为经过处理的地表水；按M30水泥砂浆要求设计基准配合比[19]，水泥∶水∶砂=1∶0.75∶3。

1.2 湿喷室内模拟试验

因实际回弹过程较为复杂，可以用石子贯入砂浆来模拟粗骨料贯入混凝土的过程，考虑本试验的目的是研究规律、提出建议，可利用弹弓作为发射装置，将接近圆球的石子弹射贯入砂浆，石子的动能被砂浆吸收而停止运动。测量石子贯入砂浆层前的速度、质量和粒径，并且测量石子贯入砂浆层后的深度，得到砂浆平均阻尼值，由此提出初喷砂浆层的建议厚度。重复上述流程，通过弹射经过加工后的圆球石子贯入砂浆层，得到不同质量的石子贯入深度与初始速度之间的关系曲线。

1.2.1 公式推导

利用能量守恒定理得到石子贯入砂浆的公式：

(1)

w=ps。

(2)

式(1)～(2)中：m为石子的质量；v0为石子贯入前的速度；v1为石子贯入后的剩余速度；w为石子在贯入过程中由于砂浆层吸收所损失的能量；p为石子在砂浆中运动所受的黏结阻力；s为石子在砂浆层中运动的距离。因为本试验石子重力做功相比石子初始冲量过小，可忽略不计。

由式(1)～(2)可知：

(3)

假设式(3)中石子贯入后速度v1等于0，此时砂浆喷层厚度最小理论值为：

(4)

1.2.2 试验设计

1)所选用的石子为石料厂加工岩石而得到，料粒径为5～10 mm，选取32颗接近圆球的石子作为试验材料，依次进行编号并记录其质量m和直径L0。利用基准配比配置M30水泥砂浆，经过搅拌机搅拌后放入事先准备好的容器内，让砂浆表面与容器边缘齐平，在砂浆表面平均划分16个方形网格，利用弹弓作为发射装置，有效速度控制在10～20 m/s，将石子依次通过弹射经过测速仪，垂直进入配置好的砂浆网格中，用游标卡尺测量石子顶部与砂浆表面的距离L1,从而得到石子贯入深度s=L1+L0/2(石子贯入砂浆示意见图1)。

2)利用基准配比配置M30水泥砂浆，放入事先准备好的4组容器内。让每组容器中砂浆表面与容器边缘齐平，平均划分16个网格，选用事先加工好的直径为0.8 cm，大小相同密度不同的4、5、6、7 g各16颗光滑圆球石子，通过弹弓进行弹射垂直贯入足够深度的砂浆，用测速仪记录石子贯入前初速度，其有效速度控制在10～20 m/s，用游标卡尺间接测得贯入的深度s(深度测试方式同上)。

图1 试验装置Fig.1 Experimental device

2 试验结果分析

2.1 最优喷射厚度优化

因为石子是近似圆球的，依据其直径可以得到盲测贯入深度。记录每颗石子的质量、速度和贯入砂浆深度值，以及经过计算分析得到的数据，见表1。

表1 石子贯入情况统计表Table 1 Stone penetration statistics

2.2 石子贯入砂浆深度与粗骨料的速度、质量的关系

用表面光滑、相同体积、不同密度的4、5、6、7 g圆球石子分别垂直贯入4组砂浆容器，得到石子的质量、速度与贯入砂浆深度的关系曲线(图2)。由图2可知，在石子质量相同时，随着速度的增大，贯入深度也增大，呈正相关。在速度相同时，随着质量的增大，贯入深度也增大，呈正相关。因此在湿喷初期的施工过程中，依据石子大小尽量控制好喷射速度。当石子颗粒较小时，可适当增大风压，得到较快喷射速度；当石子颗粒较大时，可适当降低风压，得到较慢喷射速度。这样可以降低湿喷混凝土的回弹率。

图2 石子的速度与贯入深度的关系曲线Fig.2 Curve of relationship between stone speed and penetration depth

表2 试件抗压强度值Table 2 Compressive strength values of test piece

将M30砂浆喷射到初开挖岩面，厚度约为1.8 cm，再喷射混凝土，通过依托工程中进行现场回弹试验结果，新的喷射混凝土回弹率为11%，较原统计回弹率26%降低约15%，从而减少了回弹，降低施工成本，缩短工期。通过钻芯取样的方法，去掉端部水泥砂浆层，加工得到湿喷混凝土圆柱，并制作标准试件6组，记录其抗压强度值，见表2，得到平均抗压强度32.51 MPa，较原来施工统计的抗压强度31.11 MPa增加4.5%，这说明新方法中混凝土抗压强度得到了提高。

3 结 论

通过对湿喷混凝土回弹率的试验研究可得出如下结论：

1)在开挖围岩上初喷适当厚度的砂浆薄层，可以降低后续湿喷混凝土回弹率和增强混凝土抗压强度。

2)石子贯入深度随着其质量或贯入前速度的增大而增大。

3)在湿喷初期的施工过程中，当整体石子颗粒较小时，可适当增大风压，当整体石子颗粒较大时，可适当降低风压，这样可以降低湿喷混凝土的回弹率，并且保证了湿喷混凝土质量。