大伙房输水工程混凝土使用液态速凝剂的探讨

李延嵬，刘 硕

（丹东市鸭绿江防洪护岸工程建设管理局，辽宁 丹东11800）

1 试验目的

随着新产品、新技术的引进，为了满足TBM施工段超长大隧洞的施工环境质量要求，在喷射混凝土中，所用的外加剂（减水剂和速凝剂）采用多个厂家产品进行室内、室外实验。对喷射混凝土中掺入无碱非腐蚀性速凝剂、微硅粉进行配合比试验，优选喷射混凝土的配合比，满足工程需要。

2 混凝土原材料及力学指标试验

2.1 混凝土用原材料

水泥。试验用水泥采用浑河P42.5等级普通硅酸盐水泥，水泥出厂编号为P4088，试验成果见表1。

表1 水泥试验成果表

砂石骨料。试验用砂石骨料采用上夹河砂石骨料筛分场生产的天然骨料,试验检测成果见表2，砂石骨料试验成果检测成果表2。

2.2 喷射混凝土设计龄期强度

根据喷射混凝土室内强度试验成果，提出设计龄期强度曲线。

表2 砂石骨料试验成果表

喷射混凝土在单位水泥用量在400 kg以上，在水灰比一定区域变化范围内设计龄期混凝土强度，均能达到或超过设计强度指标，而且有一定的富裕度。

在已完成的混凝土试验成果中，混凝土水灰比与混凝土强度值为对数曲线，证明试验成果可信，曲线范围的插入值为经验真实值；混凝土配合比为成熟的配合比。

喷射混凝土采用液态无碱速凝剂，如采用工程实际应用水泥（P.O42.5），来检验水泥胶砂早期强度（1 d），满足不了DL/T5100—1999的要求。但如采用基准水泥来做水泥胶砂强度,早期强度能满足要求。

DL/T 5100—1999水工混凝土外加剂技术规程中，对喷射混凝土外加剂干粉速凝剂的要求如表3。

现行湿喷工艺混凝土的液态速凝剂，尤其是“无碱”液态速凝剂检验标准，一直没有明确的、针对性强的国家标准。因此关于无碱非腐蚀性液态速凝剂的使用，需在工程实践过程中加以完善。

表3 掺速凝剂水泥净浆及水泥砂浆的性能要求

3 无碱非腐蚀性速凝剂的认识

在喷射混凝土速凝剂“非腐蚀性的”和“无碱”这两个词在含义上经常混淆。原因是“碱性”（alkaline）这个词有双重意义。

一是它是一种碱性的的液体，这种溶液是一种强碱性的液体，但内部不含碱阳离子；二是它是一种含碱阳离子（Na，K，Li等）的溶液，这种溶液内含有碱阳离子，这种溶液的pH值在7左右，因而它不是碱性的，而是中性的。

对于喷射混凝土速凝剂来说，无碱的意思是指“不含有碱阳离子”。提倡无碱的目的是减少碱阳离子与存在于骨料内一些敏感矿物质发生反应的风险。如果发生这样的反应，骨料颗粒就会因膨胀而破裂，会对喷射混凝土基质产生破坏。

大多数速凝剂都呈强碱性，一部分呈强酸性。呈碱性的速凝剂可以称它们是碱性的、侵蚀性的，也可以称为腐蚀性的。那些呈强酸性的速凝剂称之为酸性侵蚀性或酸性腐蚀性的。强酸和强碱都会对人体造成伤害，强酸强碱速凝剂，对的施工环境和作业安全形成威胁。

4 喷射混凝土加入微硅粉对混凝土的影响

微硅粉是一种极具活性的火山灰材料。它具有较高的吸纳外部离子，特别是碱阳离子的能力。微硅粉具有良好填充效应，这种效应能使水化物在现有空间内更均匀的分布。这样就使混凝土的渗透性降低，抗硫酸盐能力和抗冻融耐久性提高。

微硅粉混凝土具有较高的强度,良好的耐磨能力、高耐化学腐蚀能力等等。混凝土中加入微硅粉会提高混凝土的黏滞性和大幅度减少泌水，这为高塌落度喷射混凝土的配合比设计提供了良好的基础。

由于微硅粉不直接发生水化放映，又由于微硅粉颗粒非常小，平均粒径仅为0.3 μm，硅粉颗粒在水泥颗粒与水发生时，附着在水泥颗粒表面影响了水泥的水化反映,因此从微硅粉混凝土的早期强度看，比普通混凝土的强度略低。

5 喷射混凝土回弹量的测定

通过两次现场喷射混凝土的回弹量的测定。时间、分别在2004年6月、9月，地点在1号洞和16号施工支洞内。2004年6月，主要是对比碱性速凝剂和无碱速凝剂的现场喷射效果。2004年9月，主要是对比掺加微硅粉对喷射混凝土的影响。回弹率是外业试验的主要目的之一，由于现场施工条件所限，两组试验均出现了影响试验结果的因素。虽然各种因素影响了喷射混凝土的回弹率，但也确实反映了施工现场的实际施工情况。试验结果见表4、表 5、表6。

表4 现场喷射试验强度试验成果表)

表5 现场喷射试验回弹率计算表

表6 现场喷射试验成果表

现场喷射混凝土与室内混凝土试验有很大的差异，这和室内试验相对的稳定性和现场试验的环境条件不确定性有很大的关联。但反映出来的混凝土的基础规律是十分明显的，混凝土的强度规律均符合常规混凝土的增长规律，且成线性关系。

良好的超塑化剂使喷射混凝土具有极佳的保塑性能，这种良好的混凝土使得混凝土喷射能够有一定的富裕时间、方便施工组织。

2004年6月份，现场回弹率的测定有一定的局限性，恰巧赶上了水泥结块使得喷射混凝土的回弹率较大；但就国内、国外外加剂对喷射混凝土的对比影响程度是有一定借鉴和参考的。

微硅粉的加入增大了喷射混凝土与岩壁的粘结强度，改善了喷射混凝土的回弹质量；在同等条件下掺加微硅粉与不掺加微硅粉相对比，试验数据显示是提高了2.3%～5%，但如果采用良好的混凝土塑化剂和无碱速凝剂本体混凝土回弹率较小的情况下，微硅粉对喷射混凝土的回弹率的影响程度将会大大降低。

6 喷射混凝土保塑性试验

为了保证混凝土在混凝土喷射时有足够的稠度,根据以往的施工经验,在混凝土喷射前混凝土的塌落度为14±2 cm（混凝土喷射机要求）时，为最佳塌落度。综合施工单位工程管理实际情况，考虑混凝土保朔时间为2 h。

1）工作稠度的确定。根据Robojet机械手的特点、根据1号施工支洞MEYCO Potenza混凝土喷射机 的使用经验及生产厂家维护人员的说明；确定混凝土喷射状态的工作稠度为14±2 cm，这个工作稠度就是机械设备的最佳工作稠度（发挥最大喷射能力、机械磨损最小、维护保养等均为最优）。

2）喷射混凝土塌落度保持时间的确定。根据所知道的TBM3的施工组织设计的喷射混凝土喷射施工工作流程为：设计时段=混凝土拌和+混凝土运输+编组站编组+洞内运输+混凝土罐车吊装+混凝土喷射=110 min。

喷射混凝土塌落度保持时间的长短主要取决于主要施工单位的生产组织、生产协调能力及生产管理水平。科学、严谨、务实及运转良好的生产指挥体系将会为喷射混凝土的塌落度保持提供更好的便利条件。这也是配合比优化的最主要因素。

3）外加剂对混凝土性能的影响。混凝土减水剂的应用极大的改善了混凝土的和易性（黏聚性、保水性、塌落度），使得在水灰比相同的条件下可以取得更大的工作度；但由于减水剂的主要成分不同作用机理也有所不同，因此相同水灰比、相同单位水泥用量的混凝土的工作度差异很大。

木质素磺酸盐与水泥颗粒反应时，是水泥颗粒、水颗粒的表面张力减小，当水泥颗粒分散性好时能在水泥颗粒表面彼此流动，达到保持混凝土塌落度的作用。萘和蜜胺系列在化学性质上与木质磺酸盐不同。蜜胺会在颗粒表面形成一层润滑膜，而萘系将水泥颗粒带上电荷，从而使两者相互排斥，完整地包裹在水泥颗粒表面，最后形成工作度良好的混凝土。

奈系磺酸基类的高效减水剂具有很高的减水效果，但奈系列的产品拌制混凝土本身不具备保朔性能，如果在奈系磺酸基类的高效减水剂中加入混凝土保塑成分，虽然能在一定程度上改善混凝土保朔效果，但对于混凝土的要求来讲：在TBM施工的初期（混凝土保持时间为1 h），在施工管理较严谨的工作环境下，可以达到喷射混凝土施工的要求，但只能适应于初期TBM施工。

聚羧酸基乙醚类超塑化剂具有很高的减水效果和很好的保朔性能，在高塌落度的初始值的前提下，2 h后能保证湿喷机正常工作。与其它类产品不同的是它的特殊的化学反应机理；Glenium超塑化剂是一种复合型的可变分子结构，由不同长度化学链的功能组合构成。水与水泥拌和后产生一种称为水化作用的化学反应。水分被吸附到水泥颗粒表面，很快产生溶解作用。Glenium分子被吸附在水泥颗粒表面，增加表面上的负电荷，导致产生静电排斥，改善水泥颗粒之间的分散性能，工作度显著增加。Glenium分子有很长的侧向链，形成位阻，进一步增强了水泥颗粒保持彼此间距的能力，并进一步改善了颗粒之间的分散效应，达到改善混凝土保朔性能的目的。

7 结语

超长隧道采用TBM施工，解决喷射混凝土的保塑性，既在喷射手喷射时保持有足够的工作稠度是TBM顺利掘进的重要保障。在TBM施工初期由于洞内运输距离很短，因此喷射混凝土保塑时间要求较短，因此可采用奈系磺酸基类的高效减水剂中加入缓凝成分的办法达到施工要求。但如果需要混凝土保塑时间较长，就必须采用高性能的混凝土塑化剂。

由于安全和生态环保等问题及处于对人体健康的考虑，喷射混凝土中采用无碱非腐蚀性速凝剂是一种必然趋势。由于复杂的化学反应过程无碱非腐蚀性速凝剂的价格，较碱性速凝剂昂贵，但对现场施工喷射混凝土的总价影响较小。它带来了作业时间和回弹量的减少，提高了质量和安全可靠的工作环境。