配合比参数对喷射混凝土回弹率的影响研究

杨永民

(1.仲恺农业工程学院 ，广东 广州 510225；2.仲恺农业工程学院建筑节能可持续发展研究所，广东 广州 510225)

喷射混凝土是将预先配制好的水泥、掺合料、砂、石、水和一定量的外加剂，装入特殊喷射机具，利用高压空气将其送至喷头和速凝剂混合后，以较高速度垂直喷射于工作面，并在短时间内凝结硬化成型的补强加固材料[1-6]。目前喷射混凝土在隧道工程中广泛应用，具有支护及时、强度高、密实性强、操作简单、灵活性大等优点，能较好地填充岩块间的裂隙与凹穴，增加围岩的整体性，防止岩面的风化和松动，并与围岩共同工作[7-9]。特别是在软弱围岩地质条件下，配合钢拱架、钢筋网和系统锚杆作为联合支护，其优点更加明显。

因喷射混凝土质量参差不齐，存在强度低、回弹率高，滴水处往往导致喷射混凝土无法施工或喷射后严重剥落现象等缺陷，不但原材料浪费较大，而且过大的回弹量使施工现场空气中粉尘含量过高，严重威胁到施工人员的健康安全[10-13]。因此通过提升喷射混凝土质量控制，对提高支护强度、有效减少回弹量、保护施工人员身体健康和控制施工成本具有重要意义。本文结合某项目中隧道实际工程，通过优化喷射混凝土的配合比，提升喷射混凝土质量控制，以有效减少喷射混凝土的回弹率。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥采用华润水泥(南宁)有限公司的普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O 42.5，所用水泥进场后均经试验检测合格。选用广西田东电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰，品质符合现行国家标准GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的有关规定。使用广西南宁马山县兴鸿砂石场生产碎石机制砂，细度模数3.1，石粉含量6.5%，其他指标满足规范要求。碎石为广西南宁马山县兴鸿砂石场生产的5～10 mm碎石。用于喷射混凝土的外加剂主要为减水剂和速凝剂，选用广东辉固材料科技有限公司生产的HY-JSS聚羧酸高性能减水剂和HY-SN无碱速凝剂。

1.2 试验方法

1.2.1喷射混凝土施工工艺

为了有效控制喷射混凝土的回弹量，采用技术先进的湿式喷混凝土施工工艺。湿式喷混凝土施工工艺是预先在搅拌机内将所有材料搅拌均匀，和常规混凝土搅拌相同，用湿式喷射机将拌合好的混凝土混合料压送到喷头处。再在喷头上添加速凝剂后喷出，利用压缩空气的冲击成型。其工艺流程见图1。湿式喷射混凝土施工中粉尘、回弹率均明显小于干式喷射混凝土，并能获得较好的施工质量，同时改善了施工环境。结合工程主洞现场生产性试验，通过采用湿喷混凝土施工工艺，有效地提高了喷射混凝土的施工质量，降低了混凝土回弹率，具有较好的技术效果和经济效益。

图1 湿式喷射混凝土施工工艺示意

1.2.2抗压强度试验

抗压强度试件按规程要求成型大板，加工成边长为100 mm的立方体试块，在标准条件下养护至28 d龄期进行抗压强度试验。

1.2.3回弹率测试试验

喷射混凝土回弹率一般是在工地现场测试。按结构划分或找一施工段侧墙或顶面进行试验，在地上铺设帆布(以尽量不丢失回弹料为宜)，按照施工要求的厚度对预定的试验面积进行试喷混凝土，将落到地面的混凝土收集并称重。落到地面混凝土重量占总喷射混凝土重量的比例即喷射混凝土回弹率。

2 高性能喷射混凝土的制备

2.1 喷射混凝土配合比参数的选择

a) 水胶比是影响喷射混凝土强度的主要因素，水胶比的大小影响喷射混凝土回弹量和强度。本文根据经验和现场需要，喷射混凝土配合比水胶比确定为0.38～0.42。

b) 标准规范规定胶凝材料用量不应小于400 kg/m3，胶材用量过少，回弹量大，早期强度增长慢；当胶材用量增加，虽然喷射混凝土强度会提高，但会造成施工时产生的粉尘增多、回弹量多，恶化施工环境，使施工成本增加，另外混凝土凝结硬化时收缩量也会增大。为降低成本，改善混凝土拌合物性能，特掺入粉煤灰。本文胶凝材料用量经过多次试验，确定用量为450～490 kg/m3。

c) 砂率的大小既影响喷射混凝土的施工性能，也影响其力学性能。砂率过大，因粗集料不足，喷射时碎石对混凝土冲击捣实力不大，使喷射混凝土的强度降低；同时使集料比表面积增大，要达到相应坍落度和流动性，胶材用量也要加大，既不经济也会使混凝土产生收缩增大。砂率过小，则回弹率增大，易造成管路堵塞，施工工艺不易掌握,喷层厚度相应变薄，喷射混凝土强度离散性很大。通过多次试验，确定喷射混凝土配合比砂率为50%～60%。

2.2 喷射混凝土配合比正交试验设计

为了考察配合比设计参数对喷射混凝土的性能的影响规律，设计了正交试验[13-15]，通过考查影响喷射混凝土的力学性能和回弹率的3个主要因素：水灰比(W/C)、砂率(P)、胶凝材料用量(C)，每个因素选择3个水平，设计出 L9(33)的正交试验 ，找出对喷射混凝土综合性能有影响的因素，找出最优的水平组合，因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平

3 配合比参数对喷射混凝土回弹率的影响

3.1 喷射混凝土现场试验结果及分析

通过试验，分析水灰比(W/C)、砂率(P)、胶凝材料用量(C)3个因素对喷射混凝土回弹率的影响，具体正交试验结果见表2。

表2 喷射混凝土试验室正交试验结果

通过对表2进行正交实验结果分析，具体结果见表3。针对喷射混凝土的回弹率指标而言，试验5的效果最好，回弹率最低，为12.5%，水平组合为A1(0.40)、B2(56%)、C3(480)。通过R值的大小可以看出，本试验因素存在显著性顺序，其主次关系为B>A>C，即影响喷射混凝土回弹率的因素最主要的是砂率，其次是水灰比、胶凝材料用量。

表3 因素对喷射混凝土回弹率实验结果分析结果

3.2 喷射混凝土的出机口性能

选取1(回弹率最大)、5(回弹率最小)和8号(回弹率次小)3个配合比再次现场试拌后，出机坍落度、扩展度、含气量等都能满足设计要求，拌合物状态较好，无泌浆抓底现象。放置1 h后，拌合物状态也较好，坍落度损失很小，但扩展度损失稍微偏大，从而推断出保坍时间不能太久。喷射混凝土拌合物的性能见表4。

表4 喷射混凝土拌合物出机口性能

3.3 喷射混凝土现场力学性能

现场采用大型湿喷机械手作业，喷射顺序遵循自下而上、先墙后拱的原则。选取5号配合比现场施工时，速凝剂掺量为5%，喷射过程中，从拱脚往拱顶进行喷射，拱脚喷射时混凝土散失较小，但喷射拱顶时有掉块现象，经仔细观察，掉块处存在松动岩石，直接往上喷，造成混凝土与岩面黏结力不够，初喷后有局部剥落现象，总体回弹量比较小；1号配合比现场施工时，速凝剂掺量刚开始为3%，从拱脚往拱顶进行喷射，经观察，回弹量较大，粉尘较多，存在掉块现象；速凝剂掺量提高至4.5%后，掉块现象减少，但总体回弹量还是较大。通过现场留置大板试件，1、5号配合比的实测强度基本都能满足大于等于30 MPa的要求，具体结果见表5。

表5 混凝土强度试验数据 单位：MPa

3.4 喷射混凝土的现场回弹率

回弹产生是不可避免的，当混凝土喷射于坚固表面、钢筋拱架或喷射集料颗粒本身在喷射过程中相互碰撞，就会从受喷面弹落下来。回弹率的大小与多种因素有关，在工程喷射混凝土配合比选定后，针对影响回弹率的因素，通过现场施工调查归纳总结。回弹率过高主要由以下原因造成：①风压、水压控制不好，喷射距离过大或过小；②喷射顺序不合理；③未分层喷射，一次喷射厚度过大；④外加剂添加不规范；⑤现场配合比不合理，合理的喷射混凝土配合比也是减少混凝土回弹率的根本。

现场回弹率试验结果见表6，配合比5和配合比1均可以满足工程使用需要，但配合比5的喷射回弹率更小。

4 结论

a) 正交试验结果表明，当水平组合为水灰比(0.40)、砂率(56%)和胶凝材料(480)时，喷射混凝土的回弹率最低，为12.5%。通过对极差分析结果可知，即影响喷射混凝土回弹率的因素最主要的是砂率，其次是水灰比、胶凝材料用量。

b) 选取回弹率最大、回弹率最小和回弹率次小3个配合比再次现场试拌后，出机坍落度、扩展度、含气量等都能满足设计要求，拌合物状态较好，无泌浆抓底现象。放置1 h后，拌合物状态也较好，坍落度损失很小，实测强度基本都能满足≥30 MPa的要求。

c) 按照本文推荐的配合比参数选择原则，正交试验中最大回弹率和最小回弹率的配合比均可以满足工程使用需要，但合理选择参数可以具有更小的喷射回弹率。