北京地区基坑湿喷混凝土实验室配比研究

冯红超 张召冉 矫伟刚 郭义先 韩鹏飞 张 扬

(1.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038； 2.北方工业大学土木工程学院，北京 100141)



北京地区基坑湿喷混凝土实验室配比研究

冯红超1张召冉2矫伟刚1郭义先1韩鹏飞1张 扬1

(1.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038； 2.北方工业大学土木工程学院，北京 100141)

介绍了湿喷混凝土原材料的选择原则，确定了实验室配比的相关指标，并通过正交试验，从水泥用量、砂率、水灰比等方面，分析了影响喷射混凝土坍落度的主要因素，得到了最优的配比方案。

湿喷混凝土，水泥，砂率，水灰比，配合比

0 引言

随着雾霾天气受到人们越来越多的重视，建筑业中混凝土干喷作业对空气中粉尘的“贡献”也逐步引起人们的重视，尤其是北京地区。同时，干喷作业存在回弹率高、作业时间加长，混凝土强度低、安全性差等问题，所以，在不远的将来，干喷法喷射混凝土施工工艺将逐步退出北京地区的建筑市场，取而代之的将是湿喷混凝土工艺。湿喷法喷射混凝土是将成品混凝土压送至喷嘴处，再利用压缩气体将混凝土喷射到相关目标的施工工艺。干喷混凝土工艺之所以能广泛应用，除了操作简便外，更重要的是干料在压力作用下能够较容易的通过输送管道，而湿喷混凝土输送的是经拌合的“湿”料，由于混凝土本身的粘聚性特性，如果湿料太干起不到降低粉尘的作用，湿料太湿也起不到降低回弹率的目的，因此需要一个合适的配比，来保证混凝土既能安全通过管道，不产生“堵管”现象，又保证喷射后的强度和低回弹率。研究发现要达到上述目的需要对湿喷混凝土的坍落度严格控制，在保证可泵性的基础上，通过对不同水泥用量、砂率、水灰比情况下研究湿式喷射混凝土，进而得到湿喷混凝土的实验室配比。

1 湿喷混凝土原材料的选择

湿喷混凝土对原材料的要求较高，必须控制其良好的质量水平，才能满足其泵送施工的需求。

1.1 细骨料的选择

北京地区建筑市场建筑材料的供应商不一而足，材料的品质参差不齐。细砂的细粉料较多，导致水泥的粘结力降低，喷射混凝土不易“上墙”，且易产生悬浮颗粒，危害施工作业人员健康和污染环境。砂子的粗细程度通常以细度模数来衡量，湿喷混凝土一般要求细度模数为2.3以上的中粗砂。该地区市场上常见所谓“中砂”经过筛分后测得细度模数为Mx=1.64，并不能满足相关要求，而“水洗砂”的细度模数Mx=2.66，如图1所示，故本配比研究以水洗砂为主要原材料，其主要技术指标如表1所示。

表1 砂子技术参数

检验项目标准值实测值表观密度/kg·m-3≥25002750细模>2.52.66石粉/%——含泥量/%≤52.5是否允许有泥块否否坚固性/%≤105硫化物及硫酸盐/%≤10.35有机质浅于标准色浅于标准色云母/%≤20.5轻物质/%≤10.05

1.2 水泥品种的选择

湿喷混凝土施工后的质量与水泥相关，不低于P.O42.5级普通硅酸盐水泥是湿喷混凝土的首选。北京地区市场上主力水泥品牌有“钻牌”等不下十家。“钻牌”水泥在其稳定性、价格等方面都较为出色。详细参数如表2所示。

表2 钻牌P.O42.5技术参数

1.3 粗骨料的选择

湿喷混凝土的喷射对石子的粒径要求较高，选用建材市场上最大粒径要小于10 mm的碎石，指标见表3。含泥量情况如图2所示。

表3 石子性能参数 %

1.4 拌合水的选择

2 实验室配比相关指标的确定

北京地区基坑边坡支护强度一般为C20，按照JGJ 55—2011混凝土配合比设计规程进行湿喷混凝土配合比设计，采用P.O42.5水泥进行设计，计算水灰比为0.57。根据查文献等参考资料，初步确定设计配合比在0.4～0.6之间，满足湿喷混凝土工作性的要求，根据文献要求，以坍落度作为实验室配比实验的重要参考指标(坍落度设计值要达到80 mm～120 mm为宜)。

3 湿喷混凝土相关参数的确定

相比干喷而言，湿喷混凝土具有原材料计量和水灰比控制准确性等优点，对喷射后混凝土稳定性和均匀性有利。喷射混凝土最大的问题是回弹率的控制，根据相关研究，砂率、水泥用量、水灰比是影响回弹率的重要指标。

3.1 水泥量的确定

研究表明，单位水泥用量过小时，回弹量会增大，主要原因为喷射时骨料相互撞击剧烈，强度增长较慢；反之，则不经济，施工粉尘量大，对施工环境不利，硬化后混凝土干缩严重。因此,单位水泥用量对湿喷混凝土影响较大，干喷时水泥用量在400 kg/m3以下，而湿喷要求水泥用量在400 kg/m3以上，同时考虑到北京地区基坑土体情况，初步将单位水泥用量定为440 kg/m3，并将420 kg/m3，440 kg/m3，460 kg/m3作为正交实验的三个水平因素。

3.2 砂率的确定

砂率是混凝土配合比设计最基本的三参数之一，砂率大会减弱水泥浆润滑作用，使拌合物流动性减小；过小的砂率会降低拌合物的流动性，对混凝土的粘滞性和保水性产生影响，甚至对体积稳定性产生影响。综合考虑，初步选择砂率为50%，确定砂率的三个因素水平为48%，50%，52%。

3.3 水灰比的确定

水灰比的确定是配制混凝土的重要参数之一，如前所述，初步确定设计配合比在0.4～0.6之间，满足湿喷混凝土工作性的要求，在初步设计配比的0.5的基础上，采用0.5，0.55和0.6作为实验室配比的三个水平影响因素。

3.4 速凝剂掺量的确定

速凝剂是能显著减少混凝土的凝结时间，提高硬化速度，并且具有早期强度高的特点，适合基坑支护作业的要求。速凝剂掺量太少，起不到速凝的效果；速凝剂掺量过多，先喷混凝土凝结速度太快，反而不利于混凝土的“上墙”，而且还降低其强度和耐久性。根据所选混凝土速凝剂的特点，选择5%为初始添加量，以3%，5%，7%作为速凝剂掺量的三个水平。

4 实验室最佳配比的确定

正交试验设计是为了避免全面试验的不足而出现，使得实验方案既有代表性，又不失准确性。通过该法较为快速的确定水泥用量、砂率、水灰比湿喷混凝土坍落度的影响。确定本实验将进行3因素3水平的实验分析，根据正交分析的原理，采用L9(34)正交表就完全可以满足实验设计的要求。其具体数值如表4所示。

表4 正交配比情况

通过对实验表的极差分析，在影响混凝土坍落度大小的因素中排序为砂率、水灰比、单位水泥用量。从表4中可以看出，编号5，7，1配比坍落度依次最佳。

5 结语

通过对实验室配合比进行设计，通过3因素3水平的正交分析，可得如下结论：

1)湿喷配比对材料的要求要比干喷严格，因为是进行湿喷实验，在其他参数满足要求的前提下，湿喷混凝土的坍落度是关键。

2)通过设计和测试得到砂率52%，水灰比0.55，单位水泥用量440 kg/m3，为北京地区最佳实验室配比。

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Study on foundation wet shotcrete laboratory mixing proportion of Beijing

Feng Hongchao1Zhang Zhaoran2Jiao Weigang1Guo Yixian1Han Pengfei1Zhang Yang1

(1.BeijingSurvey&DesignAcademyCo.,Ltd,Beijing100038,China;2.CollegeofCivilEngineering,theNorthChinaUniversityofIndustry,Beijing100141,China)

The paper introduces raw material selecting principles of wet shotcrete, and determines relevant laboratory mixing proportion index. Through orthogonal test, starting from aspects of cement quantity, sand coarse aggregate ratio and water-concrete ratio, it analyzes major factors influencing wet shotcrete collapse degree, and finally obtains optimal mixing proportion scheme.

wet shotcrete, cement, sand coarse aggregate ratio, water-cement ratio, mixing proportion

1009-6825(2016)22-0115-02

2016-05-27

冯红超(1979- )，男，高级工程师； 张召冉(1981- )，男，讲师； 矫伟刚(1983- )，男，工程师；

TU528

A

郭义先(1980- )，男，工程师； 韩鹏飞(1986- )，男，工程师； 张 扬(1988- )，男，工程师