北方嚴寒地區(qū)輸水隧洞噴射混凝土質(zhì)量控制技術(shù)研究

丁 濤

(北鎮(zhèn)市水利發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 北鎮(zhèn) 121300)

輸水隧洞按設(shè)計配合比將速凝劑、骨料、水泥、水通過噴射機械均勻拌和后，經(jīng)過噴嘴噴射于圍巖上，待混凝土凝結(jié)硬化后發(fā)揮襯砌支護作用[1-2]。根據(jù)不同的施工工藝，可以將噴射混凝土劃分成濕法和干法兩種形式[3]，其中濕法噴射主要是將水泥和骨料攪拌均勻，把速凝劑摻入至攪拌好的混凝土中，并利用空氣壓縮機將其噴射到巖土表面，這種方法能夠明顯改善施工質(zhì)量，作業(yè)環(huán)境、粉塵控制和回彈強度均較好。干法噴射主要是將水泥和骨料攪拌均勻后用第1個噴嘴噴射，第2個噴嘴噴射水流，兩個噴嘴共同噴射巖體表面，這種方法的作業(yè)環(huán)境較差，產(chǎn)生的粉塵量較大且回彈率偏低。通過總結(jié)國家重點項目成功經(jīng)驗，近年來中國水利施工技術(shù)得到了快速發(fā)展，然而相關(guān)研究成果大多以南方輸水隧洞為主，而對北方嚴寒地區(qū)的有關(guān)研究較少[4]。鑒于此，文章利用回彈率試驗分析了北方嚴寒地區(qū)的輸水隧洞噴射混凝土配合比，并深入探討了減少原材料浪費和配合比優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)措施，旨在為有效控制噴射混凝土質(zhì)量提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 試驗方法

通過回彈率試驗可以現(xiàn)場測定輸水隧洞的混凝土噴射質(zhì)量，一般按頂面或者側(cè)墻等不同結(jié)構(gòu)形式進行測試[5]，主要流程為：在地面上鋪設(shè)帆布，采集并稱定混凝土噴涂過程中滴落在地面上的部分，計算滴落的質(zhì)量占混凝土總質(zhì)量的百分比就是混凝土回彈率，這是反映噴射混凝土質(zhì)量的重要指標(biāo)。

采取抗壓強度試驗檢測噴射混凝土的抗壓強度，其主要流程為[6]：在控制混凝土坍落度(140-160mm)、減水劑和用水量相同的情況下，調(diào)整P·O42.5級水泥用量，然后用壓力試驗機測定養(yǎng)護至規(guī)定齡期的試件強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 回彈率檢測結(jié)果

北方嚴寒地區(qū)某輸水隧洞采取噴射混凝土的開挖支護方式，考慮到隧洞斷面較大的實際情況，采取濕噴和干噴兩種施工方式，并現(xiàn)場檢測混凝土噴射回彈率。混凝土干噴與濕噴回彈率，見表1。

表1 混凝土干噴與濕噴回彈率

從表1可以看出，在坍落度和強度等級相同的情況下，濕噴約為干噴混凝土回彈率的50%，由此表明濕噴能夠大大減少混凝土的滴落，從而達到節(jié)約原材料用量的目的[7-8]?；貜椔逝c坍落度的關(guān)系圖，見圖1。

圖1 回彈率與坍落度的關(guān)系圖

由圖1可知，隨著混凝土坍落度的增加回彈率表現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。坍落度達到140mm時回彈率有最小值，即回彈率在坍落度為140-160mm時相對較低。因此，可采用濕法噴射工藝以及控制坍落度在140-160mm范圍有效提高原材料利用率，并大大降低噴射回彈率。

2.2 抗壓強度試驗

根據(jù)文中所述方法測試噴射混凝土強度，不同水泥用量的抗壓強度，見圖2。從圖2可以看出，混凝土抗壓強度隨水泥用量的增加而增大，水泥用量達到460kg/m3后濕噴和干噴混凝土抗壓強度均未明顯增大。在水泥用量相同的情況下，濕噴明顯高于干噴混凝土的抗壓強度[9]。試驗表明，采用干法噴射工藝制備的混凝土最高只能達到C25等級，即水泥用量的進一步增加也無法提高抗壓強度；采用濕法噴射工藝植被的混凝土最高可以達到C35等級。因此，制備等級相同的噴射混凝土?xí)r濕噴能夠節(jié)約水泥用量，并且水泥用量一般≤460kg/m3。

圖2 不同水泥用量的抗壓強度

2.3 速凝劑試驗

試驗選用無堿液體(主要成分為硫酸鋁)、堿性液體(主要成分為水玻璃)和堿性粉狀(主要成分為鋁熱熟料為)三種速凝劑，不同速凝劑試驗結(jié)果，見表2。

表2 不同速凝劑試驗結(jié)果

從表2可以看出，在凝結(jié)時間基本相同的情況下無堿液體速凝劑摻量最大，其次為堿性粉狀速凝劑，而有堿液體速凝劑的摻量最小。各類速凝劑的水泥凈漿試驗和混凝土試驗1d抗壓強度相差不大，堿性粉狀速凝劑的水泥凈漿1d抗壓強度相對較高為13.2MPa；按從小到大的次序排列28d抗壓強度比為：堿性粉狀<有堿溶液<無堿溶液，但無堿液體速凝劑的混凝土和砂漿28d抗壓強度比達到96%、104%，粉狀速凝劑的回彈率遠遠高于液體速凝劑。從總堿量的角度上，從高到底依次為堿性粉狀>有堿溶液>無堿溶液；混凝土骨料中存在堿活性或疑似堿活性骨料時不得選用堿性速凝劑，一般選用無堿溶液。

因此，為了有效保證噴射混凝土后期強度優(yōu)先考慮無堿溶液速凝劑，在一定程度上降低混凝土回彈率的同時實現(xiàn)混凝土耐久性、抗壓強度的提升。

2.4 初凝時間對回彈的影響

根據(jù)《噴射混凝土用速凝劑》質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)合理控制速凝劑凝結(jié)時間，并試驗測定不同初凝時間下噴射混凝土的回彈率，速凝劑初凝時間對噴射混凝土回彈率的影響，初凝時間對回彈率的影響，見圖3。

由圖3可以看出，隨速凝劑凝結(jié)時間的延長噴射混凝土的回彈率表現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢，在初凝時間為2-3min時干噴混凝土的回彈率相對較低，在初凝時間為3-4min時濕噴混凝土的回彈率相對較低。因此，為減少混凝土噴射滴落量，有效增加原材料利用率，對于濕噴和干噴混凝土控制速凝劑最優(yōu)初凝時間為3-4min和2-3min。

圖3 初凝時間對回彈率的影響

2.5 粉煤灰對凝結(jié)時間的影響

依據(jù)《噴射混凝土用速凝劑》質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有效控制速凝劑凝結(jié)時間，并利用水泥凈漿試驗測定不同粉煤灰摻量下的凝結(jié)時間[10]，不同粉煤灰摻量的水泥凈漿凝結(jié)時間，見表3。

表3 不同粉煤灰摻量的水泥凈漿凝結(jié)時間

從表3可以看出，速凝劑的凝結(jié)時間隨粉煤灰摻量的增大而逐漸增加，粉煤灰產(chǎn)量達到30%時粉狀速凝劑的初凝時間超過5min，該條件下無法滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求；粉煤灰產(chǎn)量達到25%時無堿液體速凝劑的初凝時間超過5min，該條件下也無法滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求[11-12]。因此，對于堿性粉狀速凝劑和無堿液體速凝劑，粉煤灰產(chǎn)量最大應(yīng)≤25%和20%。

2.6 粉煤灰摻量對強度的影響

粉煤灰摻量對混凝土強度的影響，見圖4。從圖4可以看出，隨粉煤灰摻量的增加噴射混凝土的抗壓強度表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，粉煤灰摻量為10%時干噴混凝土抗壓強度達到最大，粉煤灰摻量的進一步增大其抗壓強度開始減??；粉煤灰摻量為15%時濕噴混凝土抗壓強度達到最大，并且摻量的進一步增大其抗壓強度逐漸減小[13-16]。

(a)干噴混凝土

3 結(jié) 論

1)試驗表明，優(yōu)先選用濕法噴射混凝土工藝，有利于改善作業(yè)環(huán)境，降低施工過程中的粉塵量和噴射混凝土的回彈率。采取干噴和濕噴混凝土?xí)r，控制粉煤灰摻量最優(yōu)值為19%和15%。粉煤灰的摻入能夠有效改善混凝土耐久性，明顯降低回彈率，保證混凝土前期和后期強度。

2)噴射混凝土?xí)r，控制坍落度處于140-160mm之間，坍落度過小或過大均會在一定程度上增大回彈率，從而造成原材料的浪費。未來仍需進一步探討水泥的最佳用量，即確定噴射混凝土抗壓強度隨水泥用量增加不再明顯增大的臨界值。