掺不同速凝剂的水工喷射混凝土试验研究

王贺楠

(盘锦禹泰水利工程质量检测有限公司，辽宁 盘锦 124200)

水工喷射混凝土是指喷湿机管道内的混凝土在高压缩空气驱动下均匀地喷射于结构受喷面上，从而达到短时间内形成强度和自动压实的一种水工混凝土[1-2]。由于具有灵活性大、早期强度高、终凝时间短等优点，在水利衬砌等工程中水工喷射混凝土得到广泛的应用[3-4]。例如，水工隧洞开挖施工面临着断层破碎带、高地应力引起的岩爆及地下突涌水等工程地质问题[5]。因此，为了实现引水隧洞的永久稳定以及便捷、快速地开挖施工，必须改善强渗水、强岩爆等特殊洞段喷射混凝土性能。实践表明[6-7]，将适量的速凝剂掺入水工喷射混凝土中，有利于降低层间的喷射时间间隔、提升潮湿含水岩层中使用喷射水工混凝土的适应性、防止出现重力驱动造成的脱落现象、降低回弹损失以及实现速凝快硬等。

目前，关于水利工程中速凝剂的应用及其性能、制备、组成等研究取得了丰硕的成果，但对不同速凝剂的作用机理和特性尚不够完善，速凝剂的盲目掺入还可能会导致许多的质量问题[8-10]。鉴于此，文章探讨了水工喷射混凝土的性能及其现场喷射技术要点，旨在为节约水工混凝土用量以及加快水利工程施工速度等提供一定技术支持。

1 原材料

1.1 速凝剂材料

根据《喷射混凝土用速凝剂》技术要求试验检测3种不同速凝剂，所用仪器设备主要有微卡仪、压力试验机等，速凝剂性能检测结果，见表1。

表1 速凝剂性能检测结果

试验表明，3种速凝剂的细度、含水量、初凝与终凝时间、3d与28d抗压强度等指标均达到合格品质量要求，可以用于水工喷射混凝土试验研究。

1.2 水泥性能

一般地，水泥标号的选择以混凝土配制强度等级为主要依据，混凝土拌合过程中特别是大体积混凝土配制时会释放大量热量，为有效控制内外温差，降低混凝土收缩带来的不利影响，对拌和物中的水泥用量必须实行严格的控制。试验选用浑河P·O 42.5级硅酸盐水泥，水泥性能检测结果，见表2。

表2 水泥性能检测结果

结果显示，浑河P·O 42.5级硅酸盐水泥的物理、化学以及力学等性能指标均符合试验标准要求，可以用于水工喷射混凝土试验研究。

1.3 粗细骨料、水

试验选用饱和面干状态的粗、细骨料，采用拌和时间3min的自落式搅拌机，拌和用水为水厂供应的自来水，经检测粗、细骨料品质均符合《水工混凝土施工规范》标准要求。人工砂、碎石的基本性能指标，见表3。

表3 人工砂、碎石的基本性能指标

2 试验方法

2.1 配合比设计

综合考虑混凝土弹性模量、抗渗性、和易性及抗压强度等因素，以《普通混凝土配合比设计规程》为基准，采用全计算法合理设计混凝土配合比，确保混凝土具有较好的耐久性、抗渗性和力学性能[11]。本试验拟选用无机纳米材料、防钢纤维等掺合料，采用双掺的方式设计4个试验方案，通过对比试验分析对比不同方案的强度指标。根据以上原材料性能和试验目的，对于每种速凝剂均设计了4个试验方案，掺速凝剂试验方案，见表4。

表4 掺速凝剂试验方案

2.3 技术要点

为现场湿喷掺速凝剂水工混凝土的工艺流程，相关技术要点如下：

1)喷头移动方式：现场试验喷射过程中应考虑隧洞周边围岩松紧等实际情况缓慢地呈螺旋线型、8字型及S型移动，保证喷射的洞壁混凝土达到设计厚度后移开，然后按先墙后拱、从下往上的顺序逐步喷射到其它待喷面上；若表面存在较大的坑洼必须先用混凝土填平，待满足要求后再调节成螺旋状或S型缓慢均匀地移动喷射相应的部位，喷射过程中尽量减少现场回弹情况的发生；相邻两圈喷射时后圈必须压前圈喷射面的一半喷射，每圈建议喷射4～5m。总体而言，就是要保证喷涂表面的光滑平整，为后期的洞壁施工提供有力条件。

2)回弹量控制：主要是指粗细骨料、钢筋等障碍物与混凝土喷射碰撞后所掉落的混凝土量，鉴于影响回弹量大小的因素有水灰比、湿射机风压力、喷枪倾斜角度、粗细骨料粒径、钢筋使用量(直径)和水泥用量等，所以回弹量在初喷时往往比较大，由于嵌入的粗骨料混凝土形成塑性层后会使得回弹量变小，故初次喷射厚度≥4cm。一般地，回弹料中的杂物较多而水泥用量很小，所以回弹料不宜用于二次喷射。

3)喷射角与距离：喷射时洞壁岩面需与喷嘴保持垂直，为了使得边墙喷射过程中能够方便地将混凝土喷射至已喷较厚的顶端，建议将喷嘴向下倾斜约10°，对隧洞顶部以直径方向为准实行骗谁呢和，若格栅、钢筋等障碍物覆盖了受喷面，则可以适当调整喷头倾斜角度，但不宜过大；同时，还要防止角度过小致使受喷面拌和物出现滚动，在形成波形喷面的情况下还会增大回弹量，所以混凝土喷射距离应按照最高强度即最小回弹量来计算确定。喷射时，建议以料束较集中并结合回弹量最小为基本前提，一般不允许喷射距离超过0.5～1.0m，控制喷嘴处的风阀处于0.3～0.5MPa的合理区间内。

湿喷水工混凝土工艺流，见图1。

图1 湿喷水工混凝土工艺流程

2.4 结果分析

统计整理现场取样检测数据，现场取样检测结果，见表5。现场多次取样结果表明，掺速凝剂的水工喷射混凝土抗压强度等指标满足设计规范要求，混凝土性能受不同速凝剂的影响差异较小。

表5 现场取样检测结果

3 结 论

文章探讨了水工喷射混凝土性能及其现场喷射技术要点，结果显示水工喷射混凝土性能受不同速凝剂的影响差异较小；速凝剂掺入量过高会失去速凝的作用，使得混凝土强度大大降低，而掺入量过低会导致已成型的水工混凝土回弹量偏高以及大范围脱落，难以实现预期的目标。因此，控制速凝剂现场喷射掺入量3%～5%为最佳，不同工程要结合实际情况经试验调整后合理确定。