无机纳米材料在喷射混凝土中的应用研究

李凤玉，娄　鑫（中国水利水电第七工程局有限公司，四川郫县611730）

无机纳米材料在喷射混凝土中的应用研究

李凤玉，娄鑫（中国水利水电第七工程局有限公司，四川郫县611730）

随着现代材料科学的不断进步，作为主要建筑结构材料之一的混凝土已经逐渐向高强、高性能、多功能方向发展。无机纳米材料是一种高分子气化微粒，具有较高活性、高减水性、能显著改善混凝土的和易性、泵送性。掺无机纳米材料的喷射混凝土具有强度高的特性，特别适用于岩层较差，易变性和岩爆突出急需快速支护的部位。本文介绍了在白鹤滩水电站地下洞室开挖中高应力洞段、围岩易碎洞段进行喷射混凝土支护过程中开展的无机纳米喷射混凝土性能试验研究。

无机纳米材料；喷射混凝土；应用研究

1　前言

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，控制流域面积43.03万km2，占金沙江以上流域面积的91%。白鹤滩水电站的开发任务以发电为主，电站总装机容量16000MW，电站建成后将成为仅次于三峡水电站的中国第二大水电站。左岸主副厂房岩石主要为坚硬岩，岩体结构以次块状、块状结构为主。边墙围岩类别以Ⅲ1类为主，部分为Ⅱ类围岩，局部Ⅳ类围岩以条带形式分布于层间错动带C2附近。在前期的洞室开挖支护中采用普通的湿喷（素）混凝土及湿喷钢纤维混凝土进行支护，由于围岩条件约束需要进行多次复喷才能达到支护效果，这样极大的增加了施工周期，而且在后续的开挖过程中已经支护过的部位仍有开裂的的情况出现，给施工安全带来了一定风险。在这样一个大前提下，我们开展了纳米喷射混凝土的性能研究，通过在喷射混凝土中掺入无机纳米材料来改善喷射混凝土性能，并最终得到较好的施工效益。

2　应用研究

普通锚喷支护中使用的喷射混凝土一次喷射厚度约为5～10cm，若想达到支护效果需要复喷1～2次，大大的增加了施工周期，且普通湿喷混凝土受材料的约束，早期强度不高，和围岩粘结强度较低等因素导致支护效果有限，不能有效地保证围岩的稳定与安全。因此通过讨论研究提出在普通喷射混凝土中掺入无机纳米材料来改善喷射混凝土性能，以达到提高施工质量和快速施工的目的。

2.1纳米喷射混凝土室内试验

选取P.O42.5水泥、玄武岩人工砂石骨料、跨越2000型纳米材料、无碱速凝剂进行室内性能试验，通过参数选取，试验过程中根据拌和物性能反复调整后确定了基本配合比参数，根据确定的基本配合比参数进行了拌和物性能试验及硬化性能试验，试验成果如表1～2。

表1　拌和物性能试验成果表

结合拌和物性能试验成果可以看出，拌和物的可喷性良好，满足现场施工要求，硬化性能试验成果满足设计要求。结合上述试验结果推荐的喷射混凝土现场生产性试验用配合比参数见表3。

2.2纳米喷射混凝土现场生产性试验

表2　室内试验喷射混凝土硬化性能试验成果表

表3　推荐的喷射混凝土现场生产性试验用参数表

结合室内拌制成果，选取合适洞段开展生产性试验，本次生产性试验喷射作业施工地点的围岩为Ⅲ类围岩。现场生产性试验对室内试验成果进行进一步验证，并对配合比参数加以适当的调整，以达到尽可能的降低喷射时回弹率、增加一次喷层厚度、提高喷射混凝土各项硬化性能的目的。

2.2.1回弹率测定

喷射混凝土在喷射过程中由于冲击力的作用，部分喷射料会反弹至地面。喷射时的回弹率的大小是衡量喷射混凝土配合比参数优化程度的一个重要参数。由于在边墙与顶拱的喷射角度不同，喷射回弹率不尽相同，回弹率试验在顶拱与边墙两个施工部位进行回弹率的测试。回弹率检测结果见表4。

表4

2.2.2喷层厚度测定

喷射混凝土喷射至基岩面后，初期粘结强度较低，当达到一定喷层厚度后会由于喷射混凝土的自重因素发生掉块的现象，造成喷射混凝土的浪费。但当一次喷层厚度达不到设计要求时，岩层会由于应力因素发生掉块现象，起不到支护作用，因而进行喷层厚度试验及研究是必要的。本次生产性试验过程中对喷射效果进行了观察，喷射过程中未发生掉块现象。喷射完成后对一次喷层厚度进行了测量。测量结果详见表5。

表5

2.2.3现场喷射混凝土的硬化性能试验

现场喷射混凝土过程中混凝土的密实程度与室内成型的密实度差别很大，因此现场喷射混凝土的强度与室内成型的强度差别也比较大。按照规范要求在现场进行了喷射混凝土成型，采用了喷射混凝土大板、切割的方法进行了抗压强度、抗拉强度、抗折强度、粘结强度的成型，成型龄期均为7d和28d。硬化性能试验结果详见表6。

表6

2.2.4纳米喷射混凝土性能与非纳米喷射混凝土性能对比

结合本工程前期非纳米喷射钢纤维混凝土的各项性能成果，综合比较两种钢纤维混凝土性能，对比结果如表7所示。

表7

从表7的结果比对分析可以看出无机纳米材料喷射混凝土的回弹率较喷射混凝土的回弹率降低约6%，28d抗压强度提高约8.0MPa，从3d、7d的抗压强度开看，无机纳米喷射混凝土的前期强度较高，利于围岩支护稳定。无机纳米喷混凝土的一次喷层厚度远大于普通喷混凝土。

3　研究成果及成果应用

（1）根据拌和物的拌制与检测情况以及喷射现场的试验检测情况可以看出采用室内推荐的配合比参数拌制的喷射混凝土拌和物性能满足现场施工要求，工作性能良好。

（2）根据现场喷射混凝土大板硬化性能试验成果可知，采用室内推荐的配合比参数施工的喷射混凝土的抗压强度、抗折强度、抗拉强度、粘结强度均满足设计要求，而且较以往普通喷射混凝土的强度都有很大的提高。

（3）根据喷射时回弹率测试成果可知，采用纳米喷射混凝土进行施工，回弹率满足《水电水利工程锚喷支护施工规范》（DL/T5181-2003）规范边墙不宜大于15%、顶拱不宜大于25%要求，而且比传统普通喷射混凝土回弹率减少了很多，从而产生很大的经济效益。

（4）研究成果表明，采用纳米喷射混凝土支护洞室围岩一次喷层厚度均满足施工喷射厚度（＞20cm）要求，且喷射过程未发生掉块、脱落现象。从而极大的缩短了支护工期，提高围岩整体稳定性。

（5）室内试验成果及现场生产性试验研究成果表明推荐的纳米喷射混凝土配合比参数在实际工程运用是成功，而且较传统的普通喷射混凝土有很大的优势，所以最终全面用于地下洞室支护。

4　结束语

通过对比本次试验研究成果和以往施工效果发现，在喷射混凝土中掺入无机纳米材料混凝土各项性能都有了显著的改善，尤其是在早期强度、一次喷层厚度、粘结强度、回弹率上面表现尤为明显。提高早期强度及粘结强度可以有效地抑制围岩变形开裂提高围岩安全稳定性，一次喷层厚度的增加可以明显缩短支护施工的工期、并且能够及时起到支护强度作用。回弹率的极大降低可以有效地降低混凝土成本，提高经济效益。通过试验研究成果明确了在白鹤滩地下洞室群锚喷支护施工中采用纳米喷射混凝土进行支护，从后期的支护效果来看取得了理想的效果。

TU528.042

A

2095-2066（2016）31-0161-02

2016-10-10

李凤玉（1981-），男，宁夏中卫人，工程师，从事建筑材料检测技术管理工作。

娄 鑫（1987-），男，河南新乡人，助理工程师，从事建筑材料检测技术管理工作。