巖土工程師輔導：隧道工程噴射混凝土施工

　　摘要：介紹了施工原材料的控制與噴射擊混凝土配合比的設計要點及加強養(yǎng)護的措施。

　　關(guān)鍵詞：噴射混凝土;回彈率和粉塵率;質(zhì)盆控制

　　0、前言

　　隨著科學技術(shù)的發(fā)展，大量的新材料、新工藝、新設備、新技術(shù)不斷應用于工程中，同時，隧道施工技術(shù)也在超長、大跨度、防水、穿過不良地層等方面取得了長足的進步，涌現(xiàn)出了大量的科技成果。錨噴構(gòu)筑法在技術(shù)上有采用速度較快，支護及時、支護質(zhì)量較好、強度高、密實度好、防水性能較好;省工、操作較簡單，支護工作量減少;施工靈活性很大，可以根據(jù)需要分次噴射混凝土追加厚度，滿足工作設計與要求等優(yōu)點。

　　在國內(nèi)，一些國際招標的大型水利工程中，如二灘水電站，黃河小浪底工程，三峽工程等，均是采用濕式混凝土噴射作業(yè)。國內(nèi)目前使用的各種濕式混凝土噴射機多是從國外引進的設備。近幾年來，國內(nèi)一些單位也開發(fā)研制出幾種濕式混凝土噴射機，但生產(chǎn)規(guī)模尚有待擴大。濕式混凝土噴射機主要優(yōu)點有四個。

　　(1)濕法：作業(yè)大大降低了機旁和噴嘴外的粉塵濃度，消除了對工人健康的危害。

　　(2)生產(chǎn)率高。干式混凝土噴射機工作效率一般不超過5擴/h.而使用濕式混凝土噴射機人工作業(yè)時可達10m’/h，采用機械手作業(yè)時，則可達20擴/h，

　　(3)回彈度低。千噴時，混凝土回彈度可達15%~50%.采用濕噴技術(shù)回彈率可降低到10%以下。

　　(4)濕噴時，由于水灰比易于控制，混凝土水化程度高，故可大大改善噴射混凝土的品質(zhì)，提高混凝土的勻質(zhì)性，而干噴時，混凝土的水灰比是由噴射手根據(jù)經(jīng)驗及肉眼觀查來進行調(diào)節(jié)的，混凝土的品質(zhì)在很大程度上取決于機手操作正確與否。

　　1、施工工藝與原材料的控制

　　1.1 施工工藝

　　噴射前，應將巖面沖洗千凈，并將表面軟弱破碎巖石清掃干凈。噴射作業(yè)應分區(qū)段進行，長度一般不超過6二，噴射順序應自下而上。后一次噴射應在前一次混凝土終凝后進行，若終凝后1h以上再次噴射，應用風水清洗混凝土表面。邊墻一次噴射厚度4~6cm，拱部則為2-4em，噴射2一4h后應灑水養(yǎng)護，一般養(yǎng)護7一14d，混凝土噴射后至下一循環(huán)放炮時間，應通過試驗確定，一般不小于4h，放炮后應對混凝土進行檢查，如出現(xiàn)裂紋，應調(diào)整放炮間隔時間或爆破參數(shù)。

　　1.2 原材料控制

　　(1)拌和用水：工程中多以飲用水作為拌和用水，而pH值小于4的酸性水和含硫酸鹽量(SO4，一)超過水量1%的水，含有影響水泥正常凝結(jié)與硬化的有害物質(zhì)的水均不得使用。

　　(2)水泥：為保證噴射混凝土的凝固時間及與速凝劑的相溶性，所用水泥應具有強度高、抗?jié)B性和耐久性好，應優(yōu)先選用4S5，以上的普通硅酸鹽水泥，其次選用礦渣硅酸鹽水泥和火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥。在地質(zhì)條件復雜的隧道中應采用早強水泥，使用前應做強度鑒定實驗，水泥存放時嚴禁受潮和結(jié)塊，也不得把不同規(guī)格、不同廠家的水泥混合使用。

　　(3)骨料：混凝土的強度除了取決于骨料的強度外，還取決于水泥漿與骨料的粘結(jié)強度，同時骨料的表面越粗糙界面粘結(jié)強度越高，因此用碎石比用卵石好。實驗表明在一定范圍內(nèi)骨料粒徑越小，分布越均勻混凝土強度越高，骨料最大粒徑地減少不僅增加了骨料與水泥漿的粘結(jié)面積，而且骨料周圍有害氣體減少，水膜減薄，容易拌和均勻，從而提高了混凝土的強度。

　　(4)活性：摻和料：水泥水化是一個逐步發(fā)展的過程，在28d的齡期中，水泥的實際利用率僅占60%一70%，而另外的未水化的水泥中的Ca0后期遇水后生成Ca(OH)2，產(chǎn)生體積膨脹，給后期強度帶來不利影響，利用活性摻和料代替部分未水化的水泥，不僅可以降低成本，最主要的是可以利用活性材料中的活性成分(主要是Si02與A403)與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)：進行二次反應，生成含水硅酸鈣與含水鋁酸鈣，新生成的水化產(chǎn)物不僅提高了噴射混凝土的強度和致密性，而且提高了其抗凍、抗?jié)B、抗腐蝕等性能，這一類活性摻和料主要是粉煤灰和沸石粉，摻量約為水泥重量的10%-20%.

　　(5)外加劑：為了降低用水量、降低回彈率和粉塵率，使噴射混凝土早凝早強，必須使用外加劑。應采用符合質(zhì)量要求并對人體危害性很小的速凝劑，摻加速凝劑之前，應做速凝劑與水的相溶性實驗及水泥凈漿速凝效果實驗，注意速凝劑效果實驗，初凝時間不應大于5min，終凝時間不應大于10min，保持速凝劑干燥勿受潮變質(zhì)，在噴射混凝土中添加速凝劑的目的是使噴射混凝土滿足設計要求，促進早強。一般速凝劑最佳摻量約為水泥重量的2%一4%，實際使用時拱部可利用2%-4%，邊墻可用2%，過多的摻量對噴射混凝土反而不利，這是因為速凝劑雖然加速了噴射混凝土的凝結(jié)速度，但也阻止了水在水泥中的均勻擴散，使部分水包裹在凝結(jié)的水泥中，硬化后形成氣孔，另一部分水泥因而得不到充足的水分進行水化反應而干縮，從而產(chǎn)生裂紋。另外速凝劑摻人應均勻。

　　2、噴射混凝土配合比的設計與控制要點

　　噴射混凝土的配合比不同于普通混凝土的配合比，需要根據(jù)其施工工藝來選擇，主要講述C，噴射混凝土潮噴法的配合比的設計方法。為了減少回彈量需要較高的砂率，砂率增加意味著集料的總面積增加，這就要求用更多的水泥來包裹集料表面，以滿足噴射混凝土的強度要求，水泥用量越大，噴射混凝土就越容易干縮、開裂，同時成本也增加。因此首先確定水泥用量，根據(jù)經(jīng)驗水泥用量宜為375一450kg/m;，其次確定砂率，宜選用粗砂或中砂，砂率宜為45%一55%，砂率過高或過低易造成堵管，再次確定水灰比，水灰比宜為0.4-0.5，水灰比過小會產(chǎn)生粉塵，回彈量大，粘結(jié)力低，噴層會產(chǎn)生干斑，砂窩等現(xiàn)象，水灰比過大會造成強度低、速凝效果差，噴層流淌、滑移、坍落等現(xiàn)象，另外要注意根據(jù)施工環(huán)境的溫度，周圍巖壁類別、施工隊伍的施工水平做相應的調(diào)整。

　　研究超塑化劑、硅灰、速凝劑和摻人火山灰或礦渣硅酸鹽水泥的復合作用，用濕噴法生產(chǎn)高性能噴射混凝土(HPS)具有下列優(yōu)點：(1)堿腐蝕性低;(2)工作性高和坍落度損失低;(3)回彈率低;(4)早期強度和后期強度高;(5)耐久性強。

　　2.1 材料和配合比

　　2.1.1 水泥

　　高強硅酸鹽水泥由于水化速度較快，用于做噴射混凝土性能一般優(yōu)于混合水泥?；鹕交液偷V渣硅酸鹽水泥具有耐久性高，水化熱低，對裂縫自收縮和干縮有較好性能。火山灰水泥中可用35%粉煤灰替代硅酸鹽水泥;礦渣水泥中可用50%礦渣取代硅酸鹽水泥。

　　2.1.2 硅灰

　　使用加密硅灰以改善對基材的粘結(jié)力和減少集料回彈。

　　2.1.3 超塑化劑

　　使用市售的質(zhì)量濃度為30%的液體淡基丙烯酸醋(CAE)為超塑化劑，生產(chǎn)水灰比為0.42一0.44，坍落度為210-220mm流動性混凝土。也可采用聚磺酸鹽系高效減水劑。

　　2.1.4 速凝劑

　　用兩種不同的市售速凝劑，一種常用速凝劑是硅酸鈉(30%)，另一種無堿速凝劑是以從(SO4)，為主要成分的水溶液(60%)，當使用后者時，由于無堿降低了在施工過程中堿性腐蝕的危險。

　　2.1.5 集料

　　使用細砂(0一4mm)，粗砂(4一6mm)，石子(6一8mm)三者的體積比為65%，30%，5%.

　　2.1.6 混凝土配比

　　配制兩種未摻速凝劑的基準對比拌合物，它們的主要區(qū)別在于水泥品種(42.5火山灰水泥和42.5礦渣水泥)每種混凝土拌合30min，在噴嘴處加人不同的速凝劑(水玻璃或無堿速凝劑)的摻量分別為水泥量的8%-12%或6%一7%，

　　2.2 試驗結(jié)果

　　由于使用超塑化劑，50min之內(nèi)的坍落度損失可以忽略不計，這意味著在噴嘴處加人速凝劑之前坍落度損失可忽略不計，以可靠方式供給噴射設備的泵送混凝土的工作性能好，噴射混凝土產(chǎn)量可達20m;/ho在規(guī)定超塑化劑摻量為1%一2%時，盡管礦渣水泥混凝土的W/C稍低于火山灰水泥混凝土，其初始坍落度(220mm)還是稍高于火山灰水泥混凝土坍落度(210mm)在無筋隧道內(nèi)施工，由于復合有超塑化劑、硅灰和速凝劑，拌合物粘結(jié)性好，研究的所有噴射混凝土的回彈率僅僅為2%一3%.

　　3、噴射混凝土養(yǎng)護措施

　　養(yǎng)護是噴射混凝土施工中的一個重要環(huán)節(jié)，在正常養(yǎng)護條件下，混凝土強度隨齡期延長而增大，其原因是由于膠凝材料的水斷水化。而水化速度與環(huán)境溫度和濕度有關(guān)，由于經(jīng)常放炮和通風不良導致隧道內(nèi)的溫度較高，噴射混凝土周圍的空氣相對來說比較干燥，加上水化熱引起的混凝土內(nèi)部溫度較高，將使其表面水分很快就蒸發(fā)掉，進而引起水石“毛細管”中水分繼續(xù)蒸發(fā)。噴射混凝土中水泥與水接觸的時間短且范圍有限，與普通混凝土相比水泥水化的程度更低。噴射混凝土的凝結(jié)過程也是水泥進一步水化的過程，水泥的水化反應必須在有水的條件下才能發(fā)生，水泥水化因為水泥石缺少水分不能繼續(xù)進行，還因毛細管引力作用在混凝土中引起收縮，此時的噴射混凝土強度還很低，收縮引起的拉應力將使混凝土開裂，破壞了混凝土結(jié)構(gòu)，影響混凝土強度的繼續(xù)增長，而且停止水化使水化物不能進一步向水泥石的毛細孔填充，還將影響混凝土的抗?jié)B性。

　　4、結(jié)束語

　　噴射混凝土在隧道施工中應用已經(jīng)非常廣泛，噴射混凝土的質(zhì)量直接影響著結(jié)構(gòu)受力、防護、耐久性等情況，所以對噴射混凝土施工，必須按質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求，通過各種措施強化質(zhì)量意識，加強質(zhì)量管理，制定操作規(guī)程，使噴射混凝土在隧道防護中發(fā)揮越來越重要的作用。

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