丁建彤，吳 勇，雷英強(qiáng)

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081)

納米材料改善普通干濕噴射混凝土回彈率和強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)

丁建彤，吳 勇，雷英強(qiáng)

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081)

普通C20～C30干噴或者濕噴混凝土邊墻和頂拱的綜合回彈率一般為20%～30%，且干噴混凝土的強(qiáng)度經(jīng)常不合格。通過(guò)在新建京張鐵路、白鶴灘水電站、鍋浪蹺水電站、成都地鐵18號(hào)線共4個(gè)工程的現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)表明，在普通的C20～C30干噴或者濕噴混凝土中，摻入10%自行研發(fā)的HB7-2型無(wú)機(jī)粉體納米材料等量替代水泥，能夠讓綜合回彈率減少52%～72%，并降低到10%以下，一次噴層厚度達(dá)到30 cm，24 h內(nèi)初期強(qiáng)度顯著提高、28 d 強(qiáng)度提高20%以上，每個(gè)開(kāi)挖支護(hù)循環(huán)的時(shí)間至少節(jié)約0.7 h，整體上提高地下洞室開(kāi)挖支護(hù)的質(zhì)量、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

納米材料；噴射混凝土；回彈率；強(qiáng)度

0 引 言

水電、水利、鐵路、公路工程的地下洞室支護(hù)所用普通C20～C30干噴或者濕噴混凝土邊墻和頂拱的綜合回彈率一般較高，且干噴混凝土的強(qiáng)度經(jīng)常不合格。

干噴混凝土的回彈率一般在20%以上，甚至達(dá)到40%～50%；濕噴混凝土回彈率也經(jīng)常超過(guò)20%。在中國(guó)水利水電第七工程局有限公司(以下簡(jiǎn)稱“水電七局”)正在施工的工程中，新建京張鐵路8標(biāo)草帽山隧道的C25濕噴混凝土回彈率高達(dá)30%以上，鍋浪蹺水電站1號(hào)引水隧洞的C20干噴混凝土回彈率達(dá)到25%以上，成都地鐵18號(hào)線土建5標(biāo)龍泉山隧道的回彈率達(dá)到20%以上。這嚴(yán)重加大了施工成本并且增加了噴射支護(hù)的工期。在影響噴射混凝土回彈率的各種因素中，噴射設(shè)備、施工人員素質(zhì)、圍巖條件往往難以改變，因此，通過(guò)摻加新材料來(lái)降低回彈率是一種便捷有效的方法。在錦屏二級(jí)水電站引水隧洞施工中，摻加了一種新型納米材料，將CF30濕噴混凝土的綜合回彈率降至8%～10%[1]，并且1 d強(qiáng)度達(dá)到20 MPa[2]；在正在施工的白鶴灘水電站地下廠房中，摻加一種納米材料后，CF30濕噴混凝土的頂拱回彈率平均只有15%左右。但上述用到的兩種納米材料的價(jià)格高昂，導(dǎo)致噴射施工的總成本反而顯著增加。

實(shí)際施工中，干噴混凝土采用28 d抗壓強(qiáng)度比一般只有75%左右的堿性粉狀速凝劑，且速凝劑多靠人工舀入方式摻加，難以混合均勻，混凝土用水量靠噴槍手根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)進(jìn)水管閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行控制也不能準(zhǔn)確計(jì)量，因此，雖然混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)一般只有C20～C25，但大板噴射取芯結(jié)果仍然經(jīng)常不合格。濕噴混凝土因?yàn)椴捎眉邪韬?，配合比控制比較準(zhǔn)確，且采用液體速凝劑，強(qiáng)度相對(duì)比較有保證。

針對(duì)上述問(wèn)題，水電七局試驗(yàn)檢測(cè)研究院引進(jìn)南京水利科學(xué)研究院的專利技術(shù)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步自行研制了HB7-2型系列無(wú)機(jī)粉體納米材料，價(jià)格大幅低于現(xiàn)用的市售納米材料。其體積平均粒徑D(4，3)為100～200 nm，可顯著降低普通噴射混凝土的回彈率、提高初期和后期強(qiáng)度，其作用機(jī)理主要是增加混凝土拌和物的內(nèi)聚性和粘結(jié)力以減少回彈，增加混凝土硬化后的密實(shí)度以提高強(qiáng)度。本文簡(jiǎn)介了在新建京張鐵路、白鶴灘水電站、成都地鐵18號(hào)線、鍋浪蹺水電站的現(xiàn)場(chǎng)噴射工藝試驗(yàn)結(jié)果。

表1 HB7-2型系列納米材料性能測(cè)試結(jié)果

1 工藝試驗(yàn)所用原材料

(1)新建京張鐵路。張家口金隅水泥有限公司P·O42.5 低堿水泥，比表面積337 m2/kg；河砂，細(xì)度模數(shù)2.75，含泥量1.6%；5～10 mm石灰?guī)r人工豆石；低堿液體速凝劑，摻量5%時(shí)，初凝時(shí)間4 min 14 s，終凝時(shí)間9 min 21 s；聚羧酸系高性能減水劑，減水率27%。

(2)白鶴灘水電站。四川省寧南縣白鶴灘水泥有限責(zé)任公司P·O42.5水泥，比表面積380 m2/kg；玄武巖人工砂，細(xì)度模數(shù)2.73，石粉含量12.8%；5～15 mm玄武巖人工豆石；無(wú)堿液體速凝劑，摻量8%時(shí)，初凝時(shí)間2 min 20 s，終凝時(shí)間7 min 9 s；河南無(wú)機(jī)納米材料，平均粒徑267 nm，減水率26%。

(3)鍋浪蹺水電站。四川省二郎山喇叭河水泥有限公司P·O42.5水泥，比表面積350 m2/kg；人工砂，細(xì)度模數(shù)3.3，石粉含量4.2%；采用河卵石破碎的5～10 mm人工豆石；堿性粉狀速凝劑，摻量6%時(shí)，初凝時(shí)間3 min 40 s，終凝時(shí)間7 min 4 s。

(4)成都地鐵18號(hào)線。都江堰拉法基水泥有限公司P·O42.5水泥；人工砂，細(xì)度模數(shù)2.9，石粉含量6.6%；5～10 mm人工碎石；堿性粉狀速凝劑，摻量6%時(shí)，初凝時(shí)間5 min 45 s，終凝時(shí)間10 min 23 s。

納米材料為水電七局試驗(yàn)檢測(cè)研究院自行研發(fā)的HB7-2型系列無(wú)機(jī)粉體納米材料，性能參照GB/T 18736《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》、GB 8076《混凝土外加劑》測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1，顆粒大小及其形貌的透射電鏡觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1，顆粒均呈球形，粒徑最小的僅6 nm。

圖1 HB7-2型納米材料顆粒尺寸和形貌透視電鏡

2 混凝土施工工藝

(1)配合比。在4個(gè)工程中，分別以不摻納米材料的混凝土或摻加工程現(xiàn)用納米材料的混凝土作為基準(zhǔn)組，以摻加不同型號(hào)HB7-2的混凝土作為納米組，進(jìn)行了對(duì)比，配合比見(jiàn)表2。

(2)噴射工作面。四個(gè)工程的現(xiàn)場(chǎng)噴射工藝試驗(yàn)工作面的基本情況見(jiàn)表3。

(3)施工工藝。①混凝土拌制與運(yùn)輸。濕噴混凝土均在大型拌和樓集中拌制，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，攪拌時(shí)間均為3 min；采用罐車(chē)運(yùn)輸，每車(chē)一般不超過(guò)8 m3；從加水拌和到開(kāi)始噴射之間的平均時(shí)間，新建京張鐵路約40 min，白鶴灘水電站約30 min。干噴混凝土均在簡(jiǎn)易拌和樓集中拌制，采用小型強(qiáng)制式攪拌機(jī)，攪拌時(shí)間均為3 min；采用平板車(chē)運(yùn)輸，每車(chē)一般不超過(guò)3 m3；從拌和到開(kāi)始噴射之間的平均時(shí)間，鍋浪蹺水電站約20 min，成都地鐵18號(hào)線約15 min。②噴射施工參數(shù)。4個(gè)工程的實(shí)際噴射工藝參數(shù)見(jiàn)表4。由于噴射施工一般由分包隊(duì)伍進(jìn)行，其設(shè)備和工藝水平參差不齊，不盡符合有關(guān)規(guī)范的要求，尤其是噴射角度和距離。

表2 不同工程噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)配合比

表3 不同工程現(xiàn)場(chǎng)噴射工藝試驗(yàn)工作面基本情況

表4 現(xiàn)場(chǎng)噴射工藝參數(shù)

表5 到場(chǎng)混凝土拌和物性能

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 拌和物性能

拌和物性能見(jiàn)表5。由于現(xiàn)場(chǎng)噴射工藝試驗(yàn)條件限制，凝結(jié)時(shí)間采用手感法判斷——以手按吃力為初凝，以手按不動(dòng)為終凝。拌和物性能結(jié)果表明，摻入HB7-2型納米材料與不摻的相比，凝結(jié)時(shí)間縮短1/4～1/2，倒坍落度流出時(shí)間明顯延長(zhǎng)，反映出混凝土粘性有所增加；與摻市售納米材料的性能相當(dāng)，且納米組混凝土和易性和粘聚性好、不易堵泵。

3.2 回彈率、工期、一次噴層厚度和粉塵

在地面上鋪滿苫布盡量收集全部回彈物，測(cè)試了包括邊墻和頂拱回彈在內(nèi)的綜合回彈率。濕噴混凝土以拌和樓過(guò)磅稱量總質(zhì)量作為基數(shù)，干噴混凝土由于條件有限以拌和樓干拌料稱量總質(zhì)量再加上理論用水量作為基數(shù)?；貜椔蕼y(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同工程噴射混凝土綜合回彈率測(cè)試結(jié)果

由表6可知，不摻納米材料的基準(zhǔn)混凝土回彈率基本在20%～30%，摻入納米材料后回彈率基本降至8%～10%，較基準(zhǔn)組降低52%～72%；與摻加市售納米材料的相比，摻HB7-2納米材料時(shí)回彈率進(jìn)一步降低18%。

這4個(gè)工程中，每個(gè)開(kāi)挖支護(hù)循環(huán)的噴射混凝土施工時(shí)間平均約4 h。加入納米材料后，按照平均回彈率從25%降至9%計(jì)算，噴射時(shí)間只需要3.3 h，可節(jié)約直線工期約0.7 h。在白鶴灘水電站的工藝試驗(yàn)中，采用預(yù)埋鋼筋標(biāo)記的方法測(cè)試了頂拱的一次噴層厚度。當(dāng)時(shí)一次連續(xù)噴射的面積大約為3 m×4 m，厚度達(dá)到了30 cm。與不摻納米材料的基準(zhǔn)組相比，噴槍手普遍反映納米組混凝土噴射上去之后附著性好、粉塵少。

3.3 硬化混凝土性能

噴射大板試件后鉆取φ100 mm、高100 mm的圓柱體芯樣，測(cè)試了標(biāo)養(yǎng)7、14、28 d的強(qiáng)度，在成都地鐵18號(hào)線還測(cè)試了12、24 h的初期強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可見(jiàn)：

(1)摻入HB7-2后，與不摻的相比，各齡期混凝土強(qiáng)度均明顯增加，28 d齡期時(shí)，濕噴混凝土提高35%，干噴混凝土提高40%，有效消除了干噴混凝土強(qiáng)度不合格的常見(jiàn)病；與摻市售納米材料的相比，強(qiáng)度相當(dāng)。

(2)成都地鐵18號(hào)線試驗(yàn)中，摻入HB7-2型納米材料后，混凝土在24 h內(nèi)的初期強(qiáng)度比不摻明顯提高，達(dá)到客運(yùn)專線《客運(yùn)專線鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)》(鐵建設(shè)[2005]160 號(hào))對(duì)C25噴射混凝土初期強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，即12 h強(qiáng)度不小于5 MPa、24 h強(qiáng)度不小于12 MPa。在圍巖穩(wěn)定性較差時(shí)，這可提高初期支護(hù)安全性；同時(shí)，對(duì)于鉆爆法施工，提高了混凝土抵抗防爆擾動(dòng)的能力，有利于提前放炮。

表7 不同工程噴射混凝土大板芯樣抗壓強(qiáng)度 MPa

4 經(jīng)濟(jì)性分析

摻入納米材料后，具有三方面的經(jīng)濟(jì)效益：工期縮短；按照平均回彈率從25%降至9%，這將直接節(jié)約17%的噴射混凝土材料用量和相應(yīng)的噴射施工綜合成本；國(guó)內(nèi)普通C20～C30噴射混凝土的單方水泥用量一般為420～480 kg，摻入納米材料等量替代水泥，可直接減少水泥用量44～48 kg。

5 結(jié) 語(yǔ)

4個(gè)不同工程的現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)表明，在普通C20～C30干噴或濕噴混凝土中，摻入10%自行研發(fā)的納米材料等量替代水泥，可整體改善地下洞室開(kāi)挖支護(hù)的質(zhì)量、安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前，水電七局正在有關(guān)工程中開(kāi)展這種材料的應(yīng)用與研究，以進(jìn)一步提升其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

[1] 韓旭東, 葛軍, 納米·增韌型粗纖維濕噴混凝土在錦屏二級(jí)水電站引水隧洞中的試驗(yàn)與應(yīng)用[J]. 四川水力發(fā)電, 2014, 33(6): 5- 9.

[2] 寧逢偉, 丁建彤, 陳波, 等. 納米級(jí)摻合料粗合成纖維濕噴混凝土及抗裂性能分析[J]. 水電能源科學(xué), 2017, 35(2): 123- 126.

FieldTestsonReboundRatioandStrengthofOrdinaryDryandWetShotcreteMixedwithNanoAdmixture

DING Jiantong, WU Yong, LEI Yingqiang

(Sinohydro Bureau 7 Co., Ltd., Chengdu 610018, Sichuan, China)

The overall rebound ratio of grade C20-C30 ordinary dry or wet shotcrete for the side walls and top arch of underground structures are generally about 20% to 30%, and the strength of dry shotcrete is often unqualified. The in-situ spraying tests of such shotcrete in four projects of Beijing-Zhangjiakou Intercity Railway, Baihetan Hydropower Station, Guolangqiao Hydropower Station and Chengdu Subway Line 18 show that, by replacing 10% of cement with HB7-2 inorganic nano admixture developed by Sinohydro Bureau 7 Co., the rebound ratios of C20-C30 ordinary dry or wet shotcrete can be reduced by 52% to 72% and achieve the level of less than 10%, the maximum spayed thickness in one-pass can reached 30 cm, the initial strength within 24 h is greatly increased, and the 28 d compressive strength is increased by more than 20%. The application of this nano admixture can save at least 0.7 h in each excavation and supporting cycle, therefore, the quality, safety and cost of underground construction can be overall improved．

Nano admixture; shotcrete; rebound ratio; strength

TV431

B

0559- 9342(2017)09- 0049- 04

2017- 02- 28

丁建彤(1970—)，男，江蘇泰興人，教授級(jí)高工，副總工，博士，主要從事建筑材料研究應(yīng)用工作．

(責(zé)任編輯焦雪梅)