3种速凝剂对水工喷射混凝土性能影响研究

任玉杰

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

水工喷射混凝土是指在高压缩空气驱动下将通过喷湿机管道内的水工混凝土均匀地喷射在结构受喷面上[1]，以达到自动压实并短时间内产生强度的一种特殊水工混凝土[2]。由于水工喷射混凝土终凝时间较短、早期强度较高、灵活性较大等优点[3]，其被广泛应用于水利衬砌等工程中[4]。例如，在水工隧洞开挖施工中，主要面临地下突涌水、高地应力造成的岩爆以及断层破碎带等方面工程地质问题[5]。为了引水隧洞开挖既快速又便捷，以及洞室永久稳定，有必要对强岩爆、强渗水等洞段特殊喷射混凝土性能加以关注[6]。为实现速凝快硬、降低回弹损失、防止由于重力驱动而造成的脱落现象、提升喷射水工混凝土在潮湿、含水岩层中等使用的适应性能以及降低层间的喷射间隔时间，一般在水工喷射混凝土中掺入适量的速凝剂[7]。

目前，速凝剂在组成、制备、性能与水利工程应用方面取得了较为丰硕的研究成果[8]。然而，各类速凝剂的特性与速凝机理还不完善。在施工过程中，若盲目掺入速凝剂，可能会引发诸多质量事故[9]。基于上述研究背景，本文研究3种普通速凝剂量对水工喷射混凝土性能影响，以期在实现加快水利工程建设进度、节省水工混凝土用量等具有重要的工程实用价值。

1 试验材料

1.1 速凝剂材料

取10 g±0.2 g共3种普通速凝剂开展检测试验。检测试验依据为《喷射混凝土用速凝剂》(JC 477-2005)。主要仪器设备有微机电液伺服压力试验机、维卡仪。试验结果见表1。

表1 3种速凝剂材料检测结果

由表1可知，本次所取3种速凝剂的单项判定均达标，可以开展掺速凝剂水工喷射混凝土性能试验。

1.2 水 泥

配制混凝土时，一般按照配制混凝土的强度等级选择水泥标号。混凝土配制过程中一般会释放热量，尤其对于大体积混凝土而言，为了控制混凝土内外温差，减小混凝土收缩的负面影响，因此须严格控制混凝土拌和物中水泥用量。

水泥采用乌鲁木齐当地水泥厂生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥，其化学成分、物理性能以及力学性能试验结果见表2-表4。

表2 水泥化学成分试验结果

表3 水泥物理性能试验结果

表4 水泥力学性能检测结果

由表2-表4可知，本次试验所用硅酸盐水泥判定达标，可以开展掺速凝剂水工喷射混凝土性能试验。

1.3 砂、石骨料、水

骨料均采用饱和面干状态为基准；混凝土试验用60 L自落式混凝土搅拌机、拌和时间3 min。人工砂、石骨料的品质试验结果分别见表5、表6。

表5 人工砂品质试验结果

表6 人工粗骨料品质试验结果

试验所采用的粗、细骨料的各项指标均满足《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144-2001)的要求。拌和用水为所在地自来水厂供应的系统用水。

2 试验方法

针对每种速凝剂，试验均设计了4种方案，具体见表7。

表7 4种设计方案

2.1 混凝土配合比设计

现场试验混凝土配合比设计均根据所采用的材料，按照强度、和易性、抗渗性、弹性模量等因素进行设计考虑，使混凝土满足强度，具有较好的抗渗性及耐久性能。本试验根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)采用全计算法配合比设计方法。本试验拟采用的掺合料为仿钢纤维、纳米材料，按照4个试验方案，采用双掺的方式，对混凝土配合比进行设计，并进行对比试验，同时对相关的强度指标进行比较。

2.2 混凝土湿喷工艺流程图

水工混凝土现场湿喷工艺流程见图1。

图1 湿喷水工混凝土现场施工工艺流程

2.3 试验要点

1) 喷头移动方式。现场试验喷射过程中，喷射手应根据隧洞周围围岩松紧等具体情况，缓慢地呈S、8字及螺旋线等移动，从而较容易保证洞壁混凝土在喷射到规定厚度后移开，并逐步喷射到其它须喷面上，通常按照由下往上、先墙后拱的顺序施工。若混凝土表面坑洼较大时，需先用混凝土填平表面，满足要求后，再调节喷头成S形或螺旋状均匀缓慢地按照喷射部位加以移动，减少湿喷混凝土现场回弹现象发生。相邻两圈喷射试验时，后圈必须压一半前圈喷射面喷射，建议每圈喷射4～5 m。总之，务必确保混凝土表面平整、光滑，为后续洞壁施工提供一定的便利性。

2) 回弹量调整。喷射混凝土与钢筋、骨料颗粒等障碍物发生碰撞后，掉落的混凝土即为回弹量。鉴于一般水泥用量、钢筋直径(使用量)、粗细骨料粒径、喷枪倾斜角度、湿射机风压力、水灰比等均是影响回弹量大小的因素，因此一般在初喷时回弹量均较大，混凝土塑性层形成后由于嵌入的粗骨料会导致回弹量变小，因此建议首次喷射厚度不得小于4 cm。通常回弹料中的水泥用量较小，而杂物很多，因此不宜将回弹料放入湿喷机中留待二次喷射使用。

3) 喷射角及距离。喷射时，喷嘴需保持与洞壁岩面相垂直。而在边墙喷射时，为了将混凝土方便地喷射到已喷较厚的混凝土顶端，喷嘴建议向下倾斜一定的角度(约10°)，参照直径方向为准对隧洞顶部进行喷射，受喷面若因钢筋、格栅等障碍物的覆盖，则允许喷头加以适当倾斜(倾斜角度不宜过大)，同时又要防止二者之间角度太小导致混凝土拌和物在受喷面滚动，而产生波形喷面的同时会造成回弹量变大；需要根据最小回弹量即最高强度来计算设计混凝土喷射距离。建议主要以回弹量最小并结合料束较集中为前提加以考虑，喷射距离一般不允许突破0.5～1.0 m，喷嘴处的风压力控制在0.3～0.5 MPa的范围内。

3 试验结果

经过前后12次进行现场取样分析，其抗压强度等指标均能够较好满足要求，3种速凝剂对水工喷射混凝土性能影响相差较小。根据取样均值进行统计，具体实验结果见表8。

表8 试验结果

4 结 论

1) 3种速凝剂对水工喷射混凝土性能影响相差较小。

2) 喷射现场速凝剂掺入量控制为水泥用量的3%～5%左右为宜，不同工程需要的掺入量需以试验调整后确定为准。

3) 掺入量过多会大大降低混凝土强度，失去其速凝的价值；掺入量较少，则易造成已喷射成型的水工混凝土大面积脱落，以及回弹量较大，难以达到理想效果。