无机纳米材料在白鹤滩水电站地下工程喷护混凝土中的应用

郑 路，陈世孝

（长江勘测设计研究院有限公司白鹤滩监理部，615421，宁南）

白鹤滩水电站右岸地下洞室群工程地质条件复杂，围岩岩性主要为斜斑玄武岩、隐晶质玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、第三类柱状节理玄武岩等，并有凝灰岩和沿凝灰岩分布的层间错动带及层内错动带等缓倾角结构面、断层及破碎带、柱状节理玄武岩等不利地质，其中主副厂房洞顶拱围岩以Ⅲ1类为主，占80%，Ⅲ2类围岩和Ⅳ类围岩各占10%，地应力为22～28MPa，属中高地应力区，主要洞室均存在较为严重的片帮、岩爆、崩塌、泥化、风化等，因此开挖出的裸露面需要及时封闭。为及时封闭裸露面，在喷护混凝土施工中采用无机纳米材料，提高了混凝土前期强度和厚度，保证了洞室稳定安全。

一、无机纳米材料成分组成及检测成果

1.成分组成

无机纳米材料主要由硅粉、缓凝剂、减水剂、水泥、粉煤灰和其他微量元素按一定比例组合而成。

2.材料检测成果

喷护混凝土所用原材料为普通硅酸盐水泥（以华新水泥为例），粗细骨料为玄武岩母料，粗骨料规格为5～15 mm，细骨料为中砂，速凝剂为液态，钢纤维规格35 mm×0.55 mm（长×直径），10%掺量无机纳米材料。无机纳米材料检测成果见表1。

所检测材料满足设计指标要求，且效果良好，干燥，未受潮。

表1 无机纳米材料检测成果表

二、设计指标及配合比确定

1.设计指标

①无机纳米材料CF30钢纤维喷混凝土设计指标，详见表2。

②C25为不掺钢纤维喷护混凝土，与普通混凝土性能试验对比无其他特殊指标要求。

2.现场工艺试验

（1）推荐现场配合比室内试验

①按95%强度保证率，概率度系数t为1.645，强度标准差取及格控制水平 σ=6.0MPa，fcu.o≥fcu.k+tσ 公式计算试配强度 CF30为 39.9MPa，C25为34.9MPa。

②选取 0.48、0.46、0.44、0.42 四个作为室内试验水胶比，单位用水量、砂率根据试拌确定，无机纳米材料按设计推荐的10%掺量，钢纤维按设计推荐的40 kg/m3使用量，坍落度按试喷效果180±20 mm控制。

表2 CF30喷无机纳米钢纤维混凝土性能设计指标

③拌和物性能：在湿喷混凝土中加入纳米材料后，混合料的总体“工作性”有明显改善，其和易性、黏聚性、流动性等较常规混合料好，无泌水；喷钢纤维混凝土掺入纳米材料后钢纤维在混合料中分散均匀，无结团现象。

④0.46水胶比C25掺无机纳米喷混凝土3天抗压强度为29.7MPa，7天为 37.6MPa，28 天为 52.9MPa；常规喷混凝土 7天为 35.1MPa，28天为41.5MPa，对比7天抗压强度增强1.1倍，28天增强1.3倍。

⑤经室内试拌及检测成果选取现场试喷工艺配合比，详见表3、表4。

表3 纳米喷混凝土室内配合比

表4 纳米喷混凝土室内配合比试验成果

（2）现场工艺试验

试验地点：分别选取在右岸地下工程地厂标引水隧洞与尾水标尾水调压室两个部位进行。

试验条件：喷混凝土料和易性良好，黏结性好，流动性好，含砂量为中，无析水，温湿度适中，具有良好现场试验条件。

试验结果：

①喷混凝土所用速凝剂掺量以现场试喷确定，其中地厂标边墙速凝剂掺量为6.5%，顶拱为7.5%；尾水标速凝剂掺量为8%。

②CF30钢纤维混凝土地厂标边墙回弹率为8.4%，顶拱为11.3%，一次喷护达设计厚度20 cm，无喷层块脱落，所抽取试件抗压强度7天为56.8MPa，28天为73.7MPa； 抗拉强度28天为5.68MPa；与围岩黏接强度为2.39MPa。尾水标顶拱回弹率为10.1%，一次喷护达设计厚度20 cm，无喷层块脱落，所抽取试件抗压强度7天为36.3MPa，28天为52.1MPa； 抗拉强度28天为5.25MPa；与围岩黏接强度为2.21MPa。

③C25混凝土地厂标边墙回弹率为7.7%，顶拱为10.5%，无喷层块脱落，所抽取试件抗压强度7天为44.2MPa，28天为62.8MPa； 抗拉强度28天为4.05MPa；与围岩黏接强度为2.18MPa。

3.配合比确定

室内试验配合比经现场工艺试验推荐施工配合比。

①CF30钢纤维配合比。地厂标水胶比为0.42，水185 kg/m3，水泥440 kg/m3，纳米材料 44 kg/m3，细骨料 1085 kg/m3，粗骨料649 kg/m3，钢纤维 40 kg/m3，速凝剂 28.6 kg/m3（边墙）/33.0 kg/m3（顶拱）；尾水标水胶比为 0.46，水 198 kg/m3，水泥 430 kg/m3，纳米材料 43 kg/m3，细骨料 1082 kg/m3，粗骨料 730 kg/m3，钢纤维 40 kg/m3，速凝剂34.4 kg/m3。

②C25配合比。地厂标水胶比为0.45，水 181 kg/m3，水泥 402 kg/m3，纳米材料 40.2 kg/m3，细骨料 1070 kg/m3，粗骨料726 kg/m3，速凝剂26.1 kg/m3（边墙）/30.2 kg/m3（顶拱）；尾水标水胶比为 0.48，水 188kg/m3，水泥392 kg/m3，纳米材料39.2kg/m3，细骨料1120kg/m3，粗骨料 755 kg/m3，速凝剂 31.4 kg/m3。

三、无机纳米与常规喷混凝土配合比对比分析

1.对应主要原材料用量

（1）常规混凝土单位原材料用量

①CF30钢纤维配合比。地厂标水胶比为 0.40，水 195 kg/m3，水泥+粉煤灰 488 kg/m3，细骨料 1076 kg/m3，粗骨料 616 kg/m3，钢纤维 45 kg/m3，速凝剂29.3 kg/m3（边墙）/31.7 kg/m3（顶拱）；尾水标水胶比为0.47，水220 kg/m3，水泥 470 kg/m3，细骨料 975 kg/m3，粗骨料 713 kg/m3，钢纤维 45 kg/m3，速凝剂28 kg/m3。

②C25配合比。地厂标水胶比为0.44，水 193 kg/m3，水泥+粉煤灰 439 kg/m3，细骨料 1015 kg/m3，粗骨料 748 kg/m3，速凝剂 26.4 kg/m3（边墙）/28.5 kg/m3（顶拱）；尾水标水胶比为 0.46，水 208 kg/m3，水泥 450 kg/m3，细骨料1039 kg/m3，粗骨料 700 kg/m3，速凝剂27 kg/m3。

（2）主要材料用量对比分析

①CF30无机纳米材料与常规混凝土配合比单位用量对比。地厂标水胶比增大0.02，用水量减少10 kg，胶材用量降低48 kg，钢纤维降低5 kg；尾水标水胶比降低0.01，用水量减少22 kg，胶材用量降低40 kg，钢纤维降低5 kg。

②C25无机纳米材料与常规混凝土配合比单位用量对比。地厂标水胶比增大0.01，用水量减少12kg，胶材用量降低37kg；尾水标水胶比增大0.02，用水量减少20kg，胶材用量降低58kg。

2.各指标对比分析

目前，白鹤滩水电站喷锚支护已接近尾声，所使用无机纳米材料喷混凝土即将结束，右岸地下工程中无机纳米材料喷护混凝土共计使用18332 m3，其中 CF30 有 10354 m3，C25有7978 m3，对围岩封闭及加强支护，确保洞室安全起到重要作用。

（1）抗压强度

自开工到目前统计围岩封闭喷混凝土抗压强度检测结果。

①CF30无机纳米材料钢纤维与常规钢纤维混凝土。无机纳米材料7天平均值为55.7MPa，常规平均值为33.2MPa，7天对比增强约1.7倍；施工方无机纳米材料28天抽检395组，平均值63.5MPa，常规28天抽检1698组，平均值42.2MPa，28天对比增强约1.5倍；监理方无机纳米材料28天抽检40组，平均值61.7MPa，常规28天抽检231组，平均值46.5MPa，28天对比增强约1.3倍。

②C25无机纳米材料与常规混凝土。施工方无机纳米材料28天抽检267组，平均值53.8MPa，常规28天抽检4920组，平均值 37.5MPa，28天对比增强约1.4倍；监理方无机纳米材料28天抽检16组，平均值54.2MPa，常规28天抽检752组，平均值40.5MPa，28天对比增强约1.3倍。

（2）与围岩黏结强度

自开工到目前统计围岩封闭喷混凝土与围岩黏结强度检测结果。

①CF30无机纳米材料钢纤维与常规钢纤维混凝土。无机纳米材料28天抽检13组，平均值 2.43MPa，常规28天抽检7组，平均值2.10MPa，28天对比增强约1.2倍。

②C25无机纳米材料与常规混凝土。无机纳米材料28天抽检3组，平均值2.29MPa，常规28天抽检6组，平均值 1.49MPa，28天对比增强约1.5倍。

（3）一次喷护厚度

①在喷混凝土试验及施工中，无机纳米材料混凝土一次喷护厚度均达到设计值20 cm以上，且无喷层块脱落、分层、开裂及回弹率低等现象，若工程建设需要，仍可持续进行，且在其他工程建设中曾经达到一次喷护厚度85 cm记录。

②常规混凝土喷护，一次喷护厚度原则上不超过8 cm，若超过厚度将会出现喷混凝土层块脱落，回弹量大超标等问题。

（4）回弹率

①CF30无机纳米材料钢纤维与常规钢纤维混凝土。顶拱喷无机纳米材料混凝土回弹率为11.2%，边墙为8.4%；常规混凝土回弹率顶拱在18%左右，边墙12%左右，顶拱回弹率对比降低6.8%左右，边墙3.6%。

②C25无机纳米材料与常规混凝土。顶拱喷无机纳米材料混凝土回弹率为10.5%，边墙为7.7%；常规混凝土回弹率顶拱在18%左右，边墙12%左右，顶拱回弹率对比降低7.5%，边墙4.3%。

四、无机纳米喷混凝土优越性

①和易性、可操作性提高。较常规混凝土料和易性具有明显改善，黏聚性、流动性、可喷性具有大幅度提高。

②增强快，强度高。抗压强度。室内试验C25混凝土较常规7天增强1.1倍，28天增强1.3倍。现场施工CF30混凝土7天抗压强度达55.7MPa，较常规增强 1.7倍，28天抗压强度达61.7～63.5MPa，较常规增强 1.3～1.7 倍；C25混凝土28天抗压强度53.8～54.2MPa，较常规增强 1.3～1.4 倍。

与围岩黏结强度。现场施工CF30混凝土28天较常规增强1.2倍，C25增强1.5倍。

③一次喷护厚度大，整体性强。在现场能一次完成设计20 cm喷护厚度，且无喷层块脱落、分层及开裂等现象。

④回弹率降低。远小于规范回弹率控制标准，且较常规CF30钢纤维混凝土降低3.6%～6.8%，常规C25混凝土降低4.3%～7.5%，以降低工程造价成本。

五、结 语

目前，无机纳米材料喷护混凝土在白鹤滩水电站地质条件复杂开挖部位应用广泛，与常规混凝土对比，具有可喷性强、强度高、增强快、回弹率小、一次厚度大、降低胶材用量、起到及时封闭岩面整体受力、成本相当等优点。此次在地下工程中应用，为后续工程积累了经验。

因工作面局限性及无机纳米材料颗粒微小，在工程中使用的干喷混凝土，会造成无机纳米颗粒漂浮严重，对拌和及喷护人员伤害较大，因此，无机纳米材料在干喷混凝土中应用环保及人员健康问题有待进一步试验研究。