湿法喷射混凝土在轨道交通工程中的研究与应用

罗永秋 唐林洋 邓旭华 王芳利

（广东基础新世纪混凝土有限公司）

0 前言

地下工程所处的工程环境决定了防水是确保施工质量和运营安全的关键，而影响防水施工效果的关键环节之一便是防水层铺设前的基面处理［2］。我市轨道交通工程某标段因地理位置和环保原因，现场制备用以锚固基坑的喷射混凝土条件不成熟，且相关生产设备所生产出来的喷射混凝土精度不够，无法满足大方量一次喷射要求的情况下，提出通过商品站制备完成运输至现场加速凝剂喷射的想法。而根据试配结论，如果在商品站生产混合均匀的湿喷砼，就需加水搅拌，而混凝土在加水后即发生水化，运输到达现场后，混凝土坍落度损失较大且凝结时间较短，对施工速度及混凝土凝结时间控制精度要求较高，稍不注意即容易造成混凝土结毂以致无法施工的问题。

为解决上述情况，结合商品混凝土传统工艺，必须解决下面两个问题：

⑴设计一个配合比，此配合比既要满足结构部位强度和抗渗等级，同时使混凝土的凝结时间在不掺速凝剂情况下从3～6 小时延长至6～8 小时，还需在坍落度方面易于工地施工，且安定性耐久性达到设计要求。

⑵研发一种具有高减水高保坍无缓凝效果的外加剂，使混凝土的和易性得到有效改善，同时通过提高混凝土的保坍效果以提高混凝土到场工作性能，降低混凝土车内结毂几率。通过提高减水率以降低单方混凝土水泥用量，提高混凝土配置强度，降低配方成本。

1 研究过程

1.1 原材料情况

1.1.1水泥

海螺水泥厂生产的P·O42.5R 水泥。

1.1.2 粉煤灰

黄埔电厂生产的优质Ⅱ级F 类粉煤灰。

1.1.3 速凝剂

速凝剂是一种使水泥混凝土快速凝结硬化的外加剂，是喷射混凝土施工的必备材料。

实验以基准水泥未胶凝材料，依据国家标准GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》对选用的恒都牌HD-3 型无碱性液态速凝剂进行分析。

1.1.4 外加剂各母液

减水母液为六合减水母液；保坍为六合和泰格，引气选择AE2 搭配K12 粉剂，消泡选择德国巴斯夫消泡剂。

1.1.5 粗骨料

选用级配良好、粒径为5mm～10mm、含泥量≤1.0%的博罗碎石。

1.1.6 细骨料

选用细度模数为2.5%～2.8%、含泥量较小的砂为最佳。

1.1.7 水

本试验使用饮用自来水。

1.2 配合比设计过程

生产C25P6 细石喷射混凝土，要求到场坍落度在120～140 之间，依据国家标准JGJ/T55—2011《普通混凝土设计规程》设计计算书，可以得出混凝土各组分重量配比见表1。

通过不同掺量粉煤灰对混凝土和易性剂强度影响表可以看出，当粉煤灰掺量为0%时，混凝土初凝时间和终凝时间与砂浆实验基本相符，混凝土1 天强度与28天强度均达到设计要求。当粉煤灰掺量为20%时，混凝土各项数据达到设计要求，28 天强度达到峰值。故本配方暂定粉煤灰掺量为20%。

根据混凝土配合比设计规范要求，在用水量不变的情况下，水胶比分别增减0.05，砂率分别增减1%。进行试配实验见表2。

根据以上强度，绘制强度与水胶比的线性关系见图1：

图1 混凝土强度增长曲线

从对比数据可以看出，S1 样在上调0.05 水胶比后，混凝土强度大幅下降，凝结时间基本可控。S3 样在下调0.05 水胶比后，混凝土强度提高明显，但强度富余太多，其实不必要。故而决定，仍采用原始配方作为基准以进行施工实验和下一步检测。

1.3 高粘聚高致密外加剂研发

1.3.1 外加剂基准配方设计

现场施工要求的C25P6 细石喷射混凝土在设计过程中，将混凝土凝结时间通过混凝土胶凝材料中矿物掺合料比例来进行调整控制，则混凝土用外加剂中减水组分和保坍组分乃至引气和消泡组分对混凝土的凝结时间应在理论上不存在影响，与速凝剂作用机理应在理论上不存在相互抵抗的问题。而保坍组分则是通过对阻断水泥分子与水接触空间，对不带电粒子实施有效阻隔，对速凝剂等带电荷粒子不存在影响。故而在研发此外加剂时已具备理论基础。

为确保自制外加剂的加入是能够有效提高混凝土的各项性能，且与速凝剂不相冲突。在制备高粘聚高致密外加剂后，仍需进行正交实验已确保无虞。相关研究对比见表3。

通过上述正交实验可以得出如下结论：

⑴当外加剂中减水组分逐渐增加时，混凝土强度呈逐步增长到趋于平稳趋势，当减水母液用到到达150 以后，效果达到最大化，后续继续提高减水率，混凝土强度增长不明显。

⑵当外加剂中保坍组分逐渐增加时，混凝土凝结时间逐步增长，当保坍母液用量为50Kg/t、减水母液用量为150Kg/t 时，混凝土凝结时间达到最长，为555 分钟。

⑶混凝土的压力泌水率和回弹率随着减水母液的用量增长逐渐降低后有反升趋势，凝结时间则变化不大。

综上所述，正交实验中编号A4 的外加剂配比表现最为优异，自制聚羧酸系高粘聚高致密混凝土外加剂的基准配方配方并检测数据如表4。

表1 设计配合比及实测数据

表3 不同配方外加剂对混凝土性能影响

表4 自制外加剂基准配方及检验数据

表5 掺入不同外加剂掺量混凝土配合比

1.3.2 掺入外加剂混凝土配合比调整

在混凝土水胶比控制在0.54 时，通过调整不同外加剂掺量可得出不同混凝土配合比，经重复试配和数据检测，相关混凝土配方见表5。

经综合分析，确定外加剂掺量为1.2%时，C25P6 细石喷射混凝土各项数据表现最优。故确定喷射混凝土最终采用配方为水泥:煤灰:砂:碎石:外加剂:水=279:70:784:998:4.19:188。

1.4 实验结果数据分析

⑴抗压强度实验：试件采用150×150×150 标准立方体试模，每组三个测量喷射混凝土抗压强度。采用喷射法进行现场取样，直接向边长为150mm 的钢模进行喷射混凝土制作试件，经多次失败后终于成型1h、3h、24h、7d、28d、90d 共6 组试件，实验结果见表6。

表6 不同龄期混凝土强度

从强度检测结果可以看出，加入速凝剂后喷射混凝土快速形成强度，早强强度增长稳定，后期强度增长逐渐趋于平稳。1d 强度达到了14.4MPa，远大于7MPa，28d抗压强度45.6MPa，远大于设计值25MPa。

⑵回弹率测定：本团队联合施工方对喷射施工工艺进行评估后，参照JGJ/T372—2016《喷射混凝土应用技术规程》附录“喷射混凝土回弹率实验”中提到的方法，开展了喷射混凝土回弹率试验测试。测试结束后，喷射施工效果良好，结构表面平整，无裸露钢筋等支护设备。实验共用湿喷混凝土8 方，合计18560Kg，速凝剂用量为195.44Kg，实际掉落混凝土质量为1312.8Kg。喷射混凝土胶材用量为349Kg/m3，因此，速凝剂的用量为7%，混凝土的回弹率为8.1%。施工过程混凝土和易性可控，泵送顺畅，现场无二次调整过程，无论速凝剂的用量，胶凝材料使用总量，总用水量都得到大大降低。混凝土回弹率更是低至10%以下。

2 结论

当前国内对于喷射混凝土的研究多为工程角度，少有从混凝土性能和外加剂相关入手调整混凝土性能以优化施工方案等跨专业研究领域的文献和实际应用案例见诸报道。无论干喷还是湿喷，目前各项目多数以现场制备为主，极少有启用商品混凝土的案例。本研究通过对比工地特点与商品混凝土性能相结合的方法，提出通过混凝土中掺入矿物掺合料设计配合比以延长混凝土凝结时间，创造性研发聚羧酸引气型高粘聚性高致密外加剂，与速凝剂完美适应，成功克服混凝土不能长途运输和粘聚性差，现场施工苦难等问题，在使用中，做到了随到随泵，可施工时间长和混凝土粘聚性优良，流动性优良，加入速凝剂快速凝结且强度增长迅速等特点。为喷射混凝土在更多更大范围的应用铺平了道路。