纳米高分子减水剂提高喷射混凝土功效应用技术

王英杰

摘要：针对传统外加剂喷射混凝土回弹大、速凝剂超耗、易堵管、喷射时间久的问题，结合本工程特点，笔者在新建玉溪至磨憨铁路施工时，在喷射混凝土中加入纳米高分子减水剂，利用高分子减水剂的物理化学作用机理，采用湿喷工艺，将隧道初期支护的喷射混凝土回弹量降低到5%，将喷射混凝土成本每方降低130元左右，同时每喷射循环降低喷射时间1.5小时左右，解决材料不稳定造成喷射混凝土堵管问题，大大提高经济效益，并节省喷射时间，提高工程质量、进度。

Abstract： In view of the problems of traditional admixture sprayed concrete， such as，  large-scale rebound， super-coagulant super-consumption， easy blockage， long injection time， and so on， combined with the characteristics of this project， the author added nano polymer water reducing agent to the sprayed concrete during the construction of the new Yuxi-Muhan railway. The physical and chemical action mechanism of the polymer water reducing agent is used and the wet spraying process is applied to reduce the amount of shotcrete rebound of the initial support of the tunnel to 5% and reduce the cost of the shotcrete by about 130 yuan per side， and at the same time， the injection time is reduced by about 1.5 hours per injection cycle， which solves the problem that the material instability causes the sprayed concrete to block the pipe， greatly improves the economic benefit， saves the injection time， and improves the project quality and progress.

關键词：纳米高分子减水剂;降低回弹;经济效益;工程进度

Key words： nano polymer water reducing agent;reducing rebound;economic benefit;project progress

中图分类号：TV431                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）11-0144-03

0  引言

随着国家交通事业的蓬勃发展，在东部沿海飞速建设的同时，国家不断加大中西部交通事业建设，不论公路、铁路标准都是越来越高，而且我国西部山脉连绵起伏，隧道的比例、长度、施工难度都不断加大。作为隧道支护结果的第一工序，隧道初期支护混凝土的可施工性、施工质量、经济性也越来越重要。笔者所在的新建玉溪至磨憨铁路工程位于云南省：昆玉线D2K39+800-DK45+500=玉磨DK1+200-D1K513+095.407，线路长508.533km。以昆玉铁路玉溪西站为起点，自北向南到达磨憨。本标段工程位于云南省西双版纳傣族自治州勐腊县境内，正线里程26，010km，为设计时速160km/h单线铁路。其中隧道工程5条，共计长15003m，占线路总长的60%，是本标段施工的最重要工程，决定着项目的成败。隧道设计初支喷射混凝土77421m3，数量巨大，为此笔者所在的新建玉溪至磨憨铁路工程中心试验室，对喷射混凝土进行重点研究，就喷射混凝土施工中回弹大、速凝剂超耗，材料多变、混凝土和易性差、容易堵管、喷射时间久等问题进行跟踪研究，最终研究将高分子减水掺入喷射混凝土中，降低喷射混凝土回弹，减少速凝剂用量，提高经济效益;增强混凝土和易性，减少堵管现象，并缩短喷射循环时间，提高施工进度和工程质量。

1  本标段喷射混凝土施工现状

我项目所在地区为云南省勐腊县勐腊镇至磨憨经济开发区尚勇镇境内，与老挝民主共和国接壤，路内材料匮乏、资源短缺、价格昂贵且不稳定，不但喷射混凝土单方成本高而且回弹较大、速凝剂用量超耗严重，造成很大浪费和工程成本大幅上升;材料变化导致喷射混凝土性能不稳定经常堵管，喷射效率低。初支混凝土质量、成本和喷射工序时间问题是我项目成败关键，隧道施工进度是我单位能够按时完成合同工期的关键因素。原材料单价高是地区客观因素，主观难以解决，但通过减少初支混凝土回弹和降低速凝剂用量降低成本、提高喷射效率节约工序时间有很大优化的空间。

综上，笔者自2017年5月开始对项目5条隧道，共计8个洞口（包含一个斜井工区）的9个掌子面，自2016年8月进洞施工以来的初支喷射混凝土进行了跟踪调查。主要问题表现在以下几个方面：①混凝土回弹较大，平均回弹值在25-30%左右，喷射混凝土回弹浪费严重成本高;②速凝剂用量普遍超过配合比设计值17.6kg/m3的200%以上，整体核算达到44kg/m3，速凝剂浪费严重，成本较高;③经常出现初支混凝土和易性差、堵管，喷射工序时间久耽误掌子面施工进度;④喷射混凝土面粗糙不平，影响防水板铺设，造成防水板后不密实或者脱空;⑤围岩渗（涌）较多，喷射混凝土被水冲掉、脱落等严重，造成喷射混凝土浪费和喷射工序时间久;⑥围岩顺层较多，容易出现围岩变形，对初期支护混凝土强度要求高。

2017年7月1日至10日，笔者对我单位施工的所有隧道掌子面喷射混凝土施工情况进行总结，并对普通喷射混凝土价格进行核算，具体情况如表1、表2。

2  纳米高分子喷射混凝土配合比研究

2.1 纳米高分子减水剂原理

在经历了几个月现场配合比调整后，问题没有解决，笔者打破常规思维，寻找新材料，经过比选于2017年7月将目标定在纳米高分子减水剂上。纳米高分子减水剂是新一代的混凝土外加剂的一种全新产品，其工作原理为通过添加防水材料和减水成分增加混凝土的密实性，提高混凝土抵抗不良水质侵害，通过添加高性能引气剂提高混凝土的抗冻融性和耐久性，通过复合阻锈防腐蚀剂获得不良水质侵入后的正面对钢筋及混凝土的保护，各种性能相辅相成，互补作用，他突破了传统混凝土外加剂的传统理念，开创了使用新方法，从根本上解决了传统喷射混凝土的诸多不足和局限性。可以说添加纳米高分子减水剂的混凝土是一种绿色混凝土。纳米高分子外加剂的性能特点是：①具有良好的减水率、增强、抗腐蚀性，抗渗指标为S40。②无毒、无害、无味、无污染（pH值7.1）。③对水泥基胶凝材料早期强度和最终强度有明显的提升作用。④该产品的掺入量为混凝土中水泥的4-8%，可显著降低混凝土中水泥用量，节约成本还可以提高各种性能指标。纳米高分子外加剂喷射混凝土的特点是“四快”：流的快、凝的快、喷的快、不掉块。快的理由：①与普通喷浆料比较，坍落度较大、和易性好、流速快，纳米喷射混凝土坍落度可高达230-240mm，扩展度600mm，普通喷射混凝土坍落度130-180mm，扩展度在300-450mm左右。②纳米高分子减水剂喷射混凝土在2min内速凝，可使一次喷射层厚度达350-700mm，回弹率仅3-6%，粉尘浓度较传统喷射混凝土降低40%。③粘聚力高达3MPa以上，减水率达30%以上，28天强度可达50MPa，可配制高强度喷射混凝土，能充分解决岩爆与富水区喷射混凝土。

2.2 纳米高分子配合比设计

配合比优化设计后原普通喷射混凝土配合比与加入纳米高分子减水剂喷射混凝土配合比试验各项指标的对比如表3、表4。

2.3 纳米高分子减水剂喷射混凝土功效分析表

纳米材料喷射混凝土设计审批后，立即进行现场施工试喷试验。笔者自2017年8月1日至15日在本标段第一长隧道也是地质条件最复杂的丁一号隧道对纳米高分子减水剂喷射混凝土行了试喷试验并跟踪收集数据，主要跟收集回弹率和堵管次数、每一循环喷射混凝土所有时间等资料。（表5、表6）

经过跟踪，笔者认为第一次试配的纳米材料喷射混凝土仍不理想，虽然在一定程度上降低了喷射混凝土回弹率和速凝剂用量，解决了喷射混凝土堵管问题并缩短了单循环喷射时间，但是仍有提升空间。纳米高分子减水剂和水泥、速凝剂的适应性还没有完全发挥，纳米材料高分子减水剂配方需要调整。经过室内的二次配方调整，没有改变原优化后配合比的各项材料用量，做了室内性能指标测试，与原配合比，第一次优化后的配合比性能指标进行了比较。（表7）

配方调整后，笔者又在丁一号隧道进行了二次试喷试验，结果如表8、表9。

3  结论

通过配合比优化和纳米高分子减水剂配方调整，现场两次试喷试验，纳米高分子减水剂成功应用于本项目的隧道喷射混凝土施工，取得了良好的功效。

3.1 經济性分析

通过效益对比，普通喷射混凝土施工造价为735.36元/m3，纳米高分子减水剂混凝土造价为603.97元/m3，喷射混凝土的施工成本节约为：131.39元/m3。经工程部计算自2018年8月后，我项目隧道工程剩余喷射混凝土理论量为5.8万方，超挖按照1.5系数计算，则还须喷射混凝土5.8*1.5=8.7万方，可节省费用8.7万*131.39元=1143.093万元，经济效益可观。

3.2 质量分析

经检测，普通喷射混凝土和纳米高分子减水剂喷射混凝土现场质量检查对比如表10。

高分子材料喷射混凝土前期强度远远高于普通喷射混凝土，对防止初期支护变形，处理岩爆、顺层、涌水等不良地质条件等效果明显，尤其是涌水地段效果更好，混凝土密实性、平整度也较好。经咨询专家，现场验证，该材料在喷射混凝土中耐久性较好，没有不良后期隐患。

3.3 功效分析

经现场测算，喷射一车8m3普通混凝土约需要80分钟以上，不良地质地段有时在1.5-2.0小时，喷射同样体积的高分子材料混凝土约需要60分钟，不良地质地段也在1.5小时以内可以完成，有效缩短了喷射混凝土的作业时间，可改善施工进度，节约工期，同时降低喷射混凝土的喷射人工费。

目前现场材料不稳定，喷射混凝土和易性差经常出现堵管现象，高分子减水剂喷射混凝土适应性强，有效解决了喷射混凝土堵管问题。

有盐类或者氯离子侵蚀的不良作用环境的喷射防腐混凝土需单独掺入防腐剂施工成本更高，纳米高分子减水剂喷射混凝土具有良好的耐久性和防腐作用，可代替防腐剂使用经济性更高。

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