北方严寒地区输水隧洞喷射混凝土质量控制技术研究

丁 涛

(北镇市水利发展服务中心，辽宁 北镇 121300)

输水隧洞按设计配合比将速凝剂、骨料、水泥、水通过喷射机械均匀拌和后，经过喷嘴喷射于围岩上，待混凝土凝结硬化后发挥衬砌支护作用[1-2]。根据不同的施工工艺，可以将喷射混凝土划分成湿法和干法两种形式[3]，其中湿法喷射主要是将水泥和骨料搅拌均匀，把速凝剂掺入至搅拌好的混凝土中，并利用空气压缩机将其喷射到岩土表面，这种方法能够明显改善施工质量，作业环境、粉尘控制和回弹强度均较好。干法喷射主要是将水泥和骨料搅拌均匀后用第1个喷嘴喷射，第2个喷嘴喷射水流，两个喷嘴共同喷射岩体表面，这种方法的作业环境较差，产生的粉尘量较大且回弹率偏低。通过总结国家重点项目成功经验，近年来中国水利施工技术得到了快速发展，然而相关研究成果大多以南方输水隧洞为主，而对北方严寒地区的有关研究较少[4]。鉴于此，文章利用回弹率试验分析了北方严寒地区的输水隧洞喷射混凝土配合比，并深入探讨了减少原材料浪费和配合比优化设计的技术措施，旨在为有效控制喷射混凝土质量提供科学指导。

1 试验方法

通过回弹率试验可以现场测定输水隧洞的混凝土喷射质量，一般按顶面或者侧墙等不同结构形式进行测试[5]，主要流程为：在地面上铺设帆布，采集并称定混凝土喷涂过程中滴落在地面上的部分，计算滴落的质量占混凝土总质量的百分比就是混凝土回弹率，这是反映喷射混凝土质量的重要指标。

采取抗压强度试验检测喷射混凝土的抗压强度，其主要流程为[6]：在控制混凝土坍落度(140-160mm)、减水剂和用水量相同的情况下，调整P·O42.5级水泥用量，然后用压力试验机测定养护至规定龄期的试件强度。

2 结果与分析

2.1 回弹率检测结果

北方严寒地区某输水隧洞采取喷射混凝土的开挖支护方式，考虑到隧洞断面较大的实际情况，采取湿喷和干喷两种施工方式，并现场检测混凝土喷射回弹率。混凝土干喷与湿喷回弹率，见表1。

表1 混凝土干喷与湿喷回弹率

从表1可以看出，在坍落度和强度等级相同的情况下，湿喷约为干喷混凝土回弹率的50%，由此表明湿喷能够大大减少混凝土的滴落，从而达到节约原材料用量的目的[7-8]。回弹率与坍落度的关系图，见图1。

图1 回弹率与坍落度的关系图

由图1可知，随着混凝土坍落度的增加回弹率表现出先减小后增大的变化趋势。坍落度达到140mm时回弹率有最小值，即回弹率在坍落度为140-160mm时相对较低。因此，可采用湿法喷射工艺以及控制坍落度在140-160mm范围有效提高原材料利用率，并大大降低喷射回弹率。

2.2 抗压强度试验

根据文中所述方法测试喷射混凝土强度，不同水泥用量的抗压强度，见图2。从图2可以看出，混凝土抗压强度随水泥用量的增加而增大，水泥用量达到460kg/m3后湿喷和干喷混凝土抗压强度均未明显增大。在水泥用量相同的情况下，湿喷明显高于干喷混凝土的抗压强度[9]。试验表明，采用干法喷射工艺制备的混凝土最高只能达到C25等级，即水泥用量的进一步增加也无法提高抗压强度；采用湿法喷射工艺植被的混凝土最高可以达到C35等级。因此，制备等级相同的喷射混凝土时湿喷能够节约水泥用量，并且水泥用量一般≤460kg/m3。

图2 不同水泥用量的抗压强度

2.3 速凝剂试验

试验选用无碱液体(主要成分为硫酸铝)、碱性液体(主要成分为水玻璃)和碱性粉状(主要成分为铝热熟料为)三种速凝剂，不同速凝剂试验结果，见表2。

表2 不同速凝剂试验结果

从表2可以看出，在凝结时间基本相同的情况下无碱液体速凝剂掺量最大，其次为碱性粉状速凝剂，而有碱液体速凝剂的掺量最小。各类速凝剂的水泥净浆试验和混凝土试验1d抗压强度相差不大，碱性粉状速凝剂的水泥净浆1d抗压强度相对较高为13.2MPa；按从小到大的次序排列28d抗压强度比为：碱性粉状<有碱溶液<无碱溶液，但无碱液体速凝剂的混凝土和砂浆28d抗压强度比达到96%、104%，粉状速凝剂的回弹率远远高于液体速凝剂。从总碱量的角度上，从高到底依次为碱性粉状>有碱溶液>无碱溶液；混凝土骨料中存在碱活性或疑似碱活性骨料时不得选用碱性速凝剂，一般选用无碱溶液。

因此，为了有效保证喷射混凝土后期强度优先考虑无碱溶液速凝剂，在一定程度上降低混凝土回弹率的同时实现混凝土耐久性、抗压强度的提升。

2.4 初凝时间对回弹的影响

根据《喷射混凝土用速凝剂》质量标准合理控制速凝剂凝结时间，并试验测定不同初凝时间下喷射混凝土的回弹率，速凝剂初凝时间对喷射混凝土回弹率的影响，初凝时间对回弹率的影响，见图3。

由图3可以看出，随速凝剂凝结时间的延长喷射混凝土的回弹率表现出先下降后上升的变化趋势，在初凝时间为2-3min时干喷混凝土的回弹率相对较低，在初凝时间为3-4min时湿喷混凝土的回弹率相对较低。因此，为减少混凝土喷射滴落量，有效增加原材料利用率，对于湿喷和干喷混凝土控制速凝剂最优初凝时间为3-4min和2-3min。

图3 初凝时间对回弹率的影响

2.5 粉煤灰对凝结时间的影响

依据《喷射混凝土用速凝剂》质量标准有效控制速凝剂凝结时间，并利用水泥净浆试验测定不同粉煤灰掺量下的凝结时间[10]，不同粉煤灰掺量的水泥净浆凝结时间，见表3。

表3 不同粉煤灰掺量的水泥净浆凝结时间

从表3可以看出，速凝剂的凝结时间随粉煤灰掺量的增大而逐渐增加，粉煤灰产量达到30%时粉状速凝剂的初凝时间超过5min，该条件下无法满足质量标准要求；粉煤灰产量达到25%时无碱液体速凝剂的初凝时间超过5min，该条件下也无法满足质量标准要求[11-12]。因此，对于碱性粉状速凝剂和无碱液体速凝剂，粉煤灰产量最大应≤25%和20%。

2.6 粉煤灰掺量对强度的影响

粉煤灰掺量对混凝土强度的影响，见图4。从图4可以看出，随粉煤灰掺量的增加喷射混凝土的抗压强度表现出先增大后减小的变化趋势，粉煤灰掺量为10%时干喷混凝土抗压强度达到最大，粉煤灰掺量的进一步增大其抗压强度开始减小；粉煤灰掺量为15%时湿喷混凝土抗压强度达到最大，并且掺量的进一步增大其抗压强度逐渐减小[13-16]。

(a)干喷混凝土

3 结 论

1)试验表明，优先选用湿法喷射混凝土工艺，有利于改善作业环境，降低施工过程中的粉尘量和喷射混凝土的回弹率。采取干喷和湿喷混凝土时，控制粉煤灰掺量最优值为19%和15%。粉煤灰的掺入能够有效改善混凝土耐久性，明显降低回弹率，保证混凝土前期和后期强度。

2)喷射混凝土时，控制坍落度处于140-160mm之间，坍落度过小或过大均会在一定程度上增大回弹率，从而造成原材料的浪费。未来仍需进一步探讨水泥的最佳用量，即确定喷射混凝土抗压强度随水泥用量增加不再明显增大的临界值。