劉開勇，劉明燦

（1.廣州航海學院，廣東 廣州 510725；2.華南理工大學，廣東 廣州 510641）

隨著我國 《公路水路交通結(jié)構(gòu)調(diào)整指導意見》與 《公路網(wǎng)規(guī)劃 （2013-2030）》的有序推進，中國高速公路施工與建設在近年來得到了迅猛發(fā)展，截止到2019年，我國高速公路待建約2.5萬km，尤其是隨著現(xiàn)代化建設的快速發(fā)展和基建水平的極大提升，公路修建技術(shù)的要求也逐步提高，除要求線路順直、坡度平緩、路面寬敞等外，道路穿越山區(qū)時的盤山繞行方案也逐漸演變?yōu)樗淼朗┕し桨?，這種轉(zhuǎn)變在改善公路技術(shù)狀態(tài)、縮短運行距離、提高運輸能力、減少事故等方面起到重要的作用［1］。在公路隧道施工過程中，目前使用的多為濕式噴射混凝土技術(shù)，與傳統(tǒng)干噴技術(shù)相比具有易于施工、生產(chǎn)率高和磨損小等優(yōu)點，但是仍然存在機制砂濕噴混凝土回彈率較高以及成型件抗壓強度偏低的問題［2-3］。雖然許多學者從原材料角度 （水泥等級、砂粒度和用水量等）對濕噴混凝土的回彈率和抗壓強度進行了研究并取得了一定進展，但是考慮速凝劑和減水劑對機制砂混凝土回彈率和抗壓強度的影響方面的報道較少，具體作用機理也不清楚［4］。在此基礎(chǔ)上，本文從速凝劑和減水劑摻量角度考察了其對濕噴混凝土塌落度、回彈率和抗壓強度的影響，結(jié)果有助于高性能濕噴混凝土在公路隧道施工中的應用。

1 試驗材料與方法

按照公路隧道工程中對噴射混凝土強度指標高于C25的要求，試驗設計混凝土強度要求在30 MPa以上，并以此為基礎(chǔ)進行濕噴混凝土配合比設計［5］。其中，濕噴混凝土中用到的砂子為機制砂，具體性能參數(shù)見表1；按照GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》標準要求，新園區(qū)中獅北京環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥為原料；按照碎石為按照GB／T 14685-2011《建設用卵石碎石》標準要求，選取粒徑6～12 mm機制碎石；按照JGJ 63-2006《混凝土用水標準》標準要求，選取飲用水為濕噴混凝土攪拌用水；選取隆達礦越生產(chǎn)的CA-100L型速凝劑和南迪斯通生產(chǎn)的BSTNXL300型減水劑作為輔料。按照混凝土強度設計要求，設定基準配合比，水泥∶砂∶石∶水的質(zhì)量比為1∶2.02∶1.65∶0.45。

采用坍落度桶測試不同混凝土配比時間的塌落度，其中，未添加速凝劑和減水劑的基準配比坍落度越為95.6 mm；抗壓強度測試過程中，標準試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，凝固成型后進行標準養(yǎng)護28 d，并選取三組試樣測試基本配比試件28 d抗壓強度，平均值為34.02 MPa；采用BJNB-38型隧道激光斷面掃描儀對濕噴后時間的回彈率進行測試，回彈率計算公式為［6］：

表1 機制砂參數(shù)Table 1 Parameters of machined sand

式中：η為回彈率；s1和s2分別為單次掃描時毛斷面和濕噴后隧道斷面面積，m2；n表示測試斷面數(shù)量；v0表示濕噴混凝土總體積，m3；l為測試段長度，m。

2 結(jié)果及討論

2.1 速凝劑摻量

將380 g水泥和125 g水攪拌均勻后加入不同摻量的速凝劑，快速攪拌后裝入模具并進行人工振搗，整個操作過程時間低于45 s，然后在標準稠度儀上測試水泥凈漿的初凝時間和終凝時間，每組試樣測量兩次并取平均值。

表2為速凝劑摻量對濕噴混凝土初凝和終凝時間的影響統(tǒng)計結(jié)果。對比分析可見，當速凝劑摻量為2%、4%、6%、8%時，濕噴混凝土的初凝時間平均值分別為201、165、152、144 s，濕噴混凝土的終凝時間平均值分別為442、422、345、330 s。隨著速凝劑摻量的從2%增加至8%，濕噴混凝土的初凝時間和終凝時間都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

表2 速凝劑摻量對初凝時間和終凝時間的影響Table 2 The influence of the dosage of accelerator on the initial setting time and the final setting time s

在隧道內(nèi)按照4m／試驗段進行回彈率試驗，分別測試了不同速凝劑摻量作用下邊墻、拱腰和拱頂區(qū)域的回彈率，統(tǒng)計結(jié)果見表3。當速凝劑摻量為2%時，邊墻拱腰和拱頂區(qū)域的回彈率分別為23.2%、26.8%和35.5%；隨著速凝劑摻量的增加，邊墻、拱腰和拱頂區(qū)域的回彈率都呈現(xiàn)先減小而后增加的趨勢，在速凝劑摻量為6%時3個不同區(qū)域的回彈率都取得最小值。當速凝劑摻量從2%增加至6%時，速凝劑摻量的增加會使得濕噴混凝土凝結(jié)在一起而有效降低回彈率，但是當速凝劑摻量進一步增加至8%時，過多的速凝劑添加會使得濕噴混凝土呈較硬的結(jié)核狀，后續(xù)混凝土的回彈會增加［7-8］。整體而言，速凝劑為6%時濕噴混凝土的回彈率最小。

表3 速凝劑摻量對邊墻、拱腰和拱頂回彈率的影響Table 3 The influence of the dosage of accelerator on the springback of side wall，arch waist and arch crown%

為了考察速凝劑摻量對濕噴混凝土28 d抗壓強度的影響，在速凝劑分別為0%、4%、8%和8%時制備了12組試塊，試件中水泥含量為4.8 kg、砂10.05 kg、石子8.18 kg、水2.12 kg，每組試樣制備3塊并取28 d抗壓強度平均值，結(jié)果如表4。從測試結(jié)果來看，未添加速凝劑的試塊28 d抗壓強度為34 MPa，而速凝劑摻量分別為4%、6%和8%的試塊28 d抗壓強度分別為32.43、32.09、28.51 MPa，相應的強度比例 （與未添加速凝劑強度的比值）分別為0.953 8、0.943 8、0.838 5，即隨著速凝劑摻量的增加，濕噴混凝土28 d抗壓強度和強度比例逐漸減小。此外，當速凝劑摻量為4%、6%時，濕噴混凝土試塊的抗壓強度都高于30 MPa，而速凝劑摻量為8%時，濕噴混凝土試塊的抗壓強度低于30 MPa，不滿足濕噴混凝土對抗壓強度的要求。

表4 速凝劑摻量對濕噴混凝土28 d抗壓強度的影響Table 4 The influence of the content of accelerator on the 28-day compressive strength of wet shotcrete

2.2 減水劑摻量

調(diào)節(jié)減水劑摻量并使得濕噴混凝土坍落度在3個不同范圍內(nèi)，表5中列出了按照水泥重量配比的減水劑摻量為0.8%、1.0%、1.2%時混凝土坍落度的測試結(jié)果。可見，當減水劑摻量分別為0.8%、1.0%、1.2%時，混凝土坍落度平均值分別為115（100～120 mm）、129（120～140 mm）和153 mm（140～160 mm），即隨著減水劑摻量的增加，混凝土坍落度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

表5 減水劑摻量對混凝土塌落度的影響Table 5 Effect of water reducing agent on concrete collapse mm

在公路隧道進行現(xiàn)場試驗，測試3種坍落度范圍內(nèi)濕噴混凝土的平均回彈率，結(jié)果見表6?？梢?，當坍落度在100～120 mm范圍內(nèi)時，濕噴混凝土的平均回彈率為23.5%；當坍落度在120～140 mm范圍內(nèi)時，濕噴混凝土的平均回彈率為19.6%；當坍落度在140～160 mm范圍內(nèi)時，濕噴混凝土的平均回彈率為36.2%。隨著濕噴混凝土坍落度的增加，平均回彈率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在120～140 mm范圍內(nèi)時濕噴混凝土的平均回彈率最小。由此可見，在公路隧道現(xiàn)場施工過程中，通過控制減水劑摻量來調(diào)節(jié)濕噴混凝土塌落度可以有效控制濕噴混凝土的回彈率［9］。

表6 不同坍落度范圍內(nèi)的平均回彈率Table 6 Average resilience in different slump ranges

進一步在公路隧道段現(xiàn)場進行了回彈率與抗壓強度的試驗研究，其中，水泥∶砂∶石∶水的質(zhì)量比為1∶2.02∶1.65∶0.45，在制備濕噴混凝土過程中添加水泥重量6%的速凝劑和水泥重量1.0%的減水劑。噴射后的濕噴混凝土養(yǎng)護4周后制成100 mm×100 mm標準試件，宏觀形貌中可見濕噴混凝土結(jié)構(gòu)密實，未見明顯疏松、氣孔等缺陷存在，成型質(zhì)量良好［10］；混凝土密度測量結(jié)果表明5組試樣的密度都維持在2 100 kg／m3以上，平均抗壓強度約為32.56 MPa，現(xiàn)場測試結(jié)果表明經(jīng)過工藝優(yōu)化后的濕噴混凝土的抗壓強度滿足公路隧道施工對抗壓強度的要求 （≥25 MPa）。

3 結(jié)論

a.當速凝劑摻量為2%、4%、6%和8%時，濕噴混凝土的初凝時間平均值分別為201、165、152、144 s，濕噴混凝土的終凝時間平均值分別為442、422、345、330 s。隨著速凝劑摻量的從2%增加至8%，濕噴混凝土的初凝時間和終凝時間都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

b.速凝劑為6%時濕噴混凝土的回彈率最小；當速凝劑摻量為4%和6%時，濕噴混凝土試塊的抗壓強度都高于30 MPa，而速凝劑摻量為8%時，濕噴混凝土試塊的抗壓強度低于30 MPa，不滿足濕噴混凝土對抗壓強度的要求。

c.隨著減水劑摻量的增加，混凝土坍落度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；隨著濕噴混凝土坍落度的增加，平均回彈率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在120～140 mm范圍內(nèi)時濕噴混凝土的平均回彈率最小。添加水泥重量6%的速凝劑和水泥重量1.0%的減水劑的濕噴混凝土的密度都在2 100 kg／m3以上，平均抗壓強度達到32.56 MPa。