高压液力喷射混凝土配合比设计及应用研究

孙柏林 孙汉生 路 为

(1.保宜高速公路建设指挥部，湖北宜昌 444200;2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088;3.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250063)

1 概述

喷射混凝土技术在隧道工程、地下工程等土木工程中应用越来越广泛，已经成为一种必不可少的支护手段。喷射混凝土主要借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将按一定比例配制的水泥、砂、石等拌合料，通过管道以高速喷射到受喷面(岩石、土层、建筑结构物或模板)上凝结硬化而成的一种混凝土。国外最早在1914年使用喷射混凝土砂浆技术，到了20世纪40年代，由于速凝剂的研制使用、机械方面的改进，才有了大规模的喷射混凝土应用;我国从20世纪60年代开始使用喷射混凝土技术来进行隧道、矿山等的初期支护，目前发展迅速，是新奥法施工三大支柱之一，以简单的工艺、及时的支护及较低的成本得到广泛应用。

喷射混凝土技术主要分为两种喷射方式，即干喷和湿喷［1］。干喷是将一定配合比的水泥、砂、石、粉状速凝剂经由干喷机，利用高压风输送至喷嘴处加水喷射至受喷面;湿喷是将水泥、水、砂、石拌合好后，经由湿喷机在喷嘴处加入液态速凝剂喷射至受喷面。两者主要区别是，干喷是干拌料，使用粉状速凝剂，在喷嘴处加水喷出;湿喷是湿拌料，在喷嘴处使用液态速凝剂喷出。合理的配合比对喷射混凝土强度影响很大，且对喷射施工时回弹量和粉尘量有一定影响。因此，对喷射混凝土的配合比设计显得至关重要。本文提出一种新型喷射混凝土方式——高压液力喷射混凝土，并对其进行相应的配合比研究。

2 配合比设计中的关键要素

对于高压液力喷射混凝土的配合比研究主要有以下几个关键要素:混凝土强度的确定、胶凝材料的选择及用量、水胶比、砂率、粗细骨料的选择与用量、外加剂的掺量等［5-9］。

2.1 混凝土强度的确定

我国现场用喷射混凝土的强度等级一般为C20～C35，由于喷射混凝土中都要加入速凝剂，根据JC 477-2005喷射混凝土用速凝剂标准规定［4］，喷射混凝土后期强度损失允许在30%以内。因此，不加速凝剂的喷射混凝土强度要比普通混凝土提高30%，表1为不掺速凝剂的喷射混凝土试配强度。

表1 不掺速凝剂喷射混凝土试配强度

强度等级小于C60的普通混凝土的配制强度按下式计算:

其中，fcu，0为混凝土配制强度，MPa;fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值，这里取设计混凝土强度等级值，MPa;σ为混凝土强度标准差，MPa，强度等级不大于 C20 时取4.0，C25 ～C45 取5.0。

2.2 胶凝材料的选择及用量

喷射混凝土中胶凝材料主要是水泥，为了提高喷射混凝土的性能，如工作性、耐久性、降低回弹等，逐渐加入一些活性材料，如粉煤灰、硅灰、矿渣等。这些材料能增强喷射混凝土的和易性，提高强度，降低成本，越来越受到重视。目前，大部分喷射混凝土仍然使用水泥这一种胶凝材料。

2.2.1 水泥的选择

水泥是喷射混凝土中最重要的胶凝材料，其质量直接影响着喷射混凝土效果的优劣，尤其是水泥中的化学组分，与速凝剂存在适应性问题，两者一旦不相适应，速凝剂的速凝效果将大打折扣，在喷射施工时，会造成大量的回弹和落浆。

水泥强度等级对喷射混凝土质量也有很大的影响，水泥强度等级太高，水灰比大，水泥少，施工中回弹量大，早期强度增长慢;水泥强度等级低，水灰比小，水泥多，喷射时粉尘量大。因此，喷射混凝土应优先选用不低于425号的普通硅酸盐水泥。对《普通混凝土配合比设计规程》中［2］水灰比公式进行变形整理得混凝土的配制强度为:

其中，fce，g为水泥强度等级;γc为水泥富余系数;αa，αb均为回归系数(对于碎石 αa=0.46，αb=0.07;对于卵石 αa=0.48，αb=0.33);w/c为水灰比;fcu，0为混凝土配制强度。

根据JTJ 041-94公路隧道施工技术规范［3］，喷射混凝土水灰比要求为 0.4 ～0.5，最佳灰骨比为 1∶4 ～1∶5，且每立方米混凝土水泥用量不低于400 kg。

2.2.2 其他胶凝材料

目前，使用其他胶凝材料的喷射混凝土很少。粉煤灰、矿渣一般不适用于喷射混凝土，它们与速凝剂反应时，起缓凝作用，使得速凝剂效果大大降低。为配制高性能的喷射混凝土，主要使用硅灰，掺量一般为水泥质量的5%～10%，能有效提高混凝土的强度，降低喷射时的回弹量。

2.3 粗细骨料的选择及砂率确定

喷射混凝土使用的骨料必须清洁、坚硬、级配良好，不含细长石片、灰尘、泥粉、有机物等。

砂:宜采用坚硬耐久的中粗砂，细度模数大于2.5，小于0.75的颗粒不应超过20%，否则将影响水泥与集料的良好粘结。砂子的含水率宜控制在6%～8%，当含水率较低时，喷射中会产生大量粉尘;含水率过高，混合料湿度太大，使喷射机粘料，并可能造成堵管，影响施工顺利进行。

石子:采用坚硬耐久的卵石、碎石均可，但以卵石为好，能够减少对喷射装置的磨损。尽管目前国内的喷射机能使用粒径为25 mm的集料。但为了减少回弹，集料的最大粒径不宜大于15 mm，喷射混凝土需掺入速凝剂时，不得用含有活性二氧化硅的石材作粗集料，以免碱骨料反应而使喷射混凝土开裂破坏。

与普通混凝土相比，喷射混凝土对砂率的选择要求更高，如果砂率过高，骨料总表面积增大，要求水泥浆量增大，造成混凝土后期收缩加大。砂率过低，粗骨料多，造成喷射时回弹量增大。

粗细骨料用量按下式计算:

其中，mc，mg，ms，mw，m速分别为水泥、石子、砂子、水、速凝剂的质量;ρc，ρg，ρs，ρw，ρ速分别为各物质的密度;mp为每立方米混凝土假定质量，可取2 350 kg～2 340 kg。

2.4 速凝剂的选择与掺量

速凝剂的选择对喷射混凝土尤为重要，其质量好坏直接影响混凝土的品质。目前主要有两种形式的速凝剂，粉状和液态速凝剂，干喷混凝土中主要使用粉状速凝剂，湿喷混凝土中主要使用液态速凝剂。相关规范中要求禁止使用干喷混凝土，因此液态速凝剂将会有更广泛的应用。液态速凝剂又分为传统高碱速凝剂和无碱(低碱)速凝剂，高碱速凝剂对混凝土后期强度损失影响较大，现主要使用无碱、低碱速凝剂。传统速凝剂的掺量一般为水泥质量的4%左右，无碱液态速凝剂的掺量为6%～10%。表2为速凝剂的分类。

表2 速凝剂分类

3 喷射混凝土配合比及现场应用

对C20，C25，C30喷射混凝土进行配比设计，并在隧道中进行现场试喷。

3.1 配合比设计

根据以上关键问题对C20～C30喷射混凝土进行配比设计，设计见表3。表4为该配合比混凝土的强度。根据混凝土力学性能试验结果，喷射混凝土配合比均满足要求。

3.2 现场试喷

在保宜高速公路宜昌段中交二公局第六标段公路隧道中进行现场试喷工作，采用新型高压液力喷射混凝土工艺，液态速凝剂通过定量装置进入高压水管中，与高压水混合，在喷头处与混凝土拌合料一起喷射至隧道围岩表面。在喷射过程中，回弹量和粉尘量都很小，经测定，混凝土回弹量约为8.6%。在10 min之内，混凝土就已经凝结。

表3 C20～C30喷射混凝土配合比 kg/m3

表4 C20～C30喷射混凝土强度

4 结语

1)喷射混凝土技术应用越来越广泛，对其性能要求越来越高，配合比设计是喷射混凝土最关键的步骤，必须全面考虑水胶比、砂率、水泥用量等参数对其质量的影响。2)喷射混凝土正向高强度、高耐久性发展，合理的外加剂选择显得越来越重要。如增粘剂能有效控制喷射施工中的回弹，粉尘抑制剂能减少粉尘量，减水剂能有效提高喷射混凝土后期强度等。3)新型矿物材料的使用，如硅灰、矿粉、晶体硅粒等，对其掺量应给予研究，确定最佳的掺量，及与现有材料合理的配合比。4)喷射混凝土工艺有待进一步改进与相关设备的配套，合理的配合比也需要相关工艺、设备的共同配合。

［1］程良奎.喷射混凝土［M］.北京:中国建筑工业出版社，1990.

［2］JGJ 55-2011，普通混凝土配合比设计规程［S］.

［3］JTJ 041-94，公路隧道施工技术规范［S］.

［4］JC 477-2005，喷射混凝土用速凝剂［S］.

［5］廉慧珍，李玉琳.对当代混凝土配合比要素的选择和配合比计算方法的建议——关于混凝土配合比选择方法的讨论之二［J］.混凝土，2009(5):15-19.

［6］赵志缙.新型混凝土及其施工工艺［M］.北京:中国建筑工业出版社，1996.

［7］苗国峰.普通混凝土配合比设计［J］.山西建筑，2007，33(16):181-182.

［8］祝 锐.浅谈喷射混凝土配合比设计研究［J］.科技信息，2011(1):285-287.

［9］于 虹.喷射混凝土配合比设计［J］.山西建筑，2008，34(15):154-156.