湿喷混凝土配合比设计室内试验方法研究

2020-08-01孟晓燕刘录录

水利科技与经济 2020年8期

孟晓燕，刘录录

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

喷射混凝土是将拌和后的水泥、砂、石和速凝剂等混合料，通过喷射机直接喷射在围岩表面，同围岩紧密结合形成混凝土支护面，从而达到围岩稳定的目的，普遍适用于隧道、洞室、边坡、基坑等工程支护或面层结构[1]。但随着喷射混凝土的不断发展，目前也适用于因地震、火灾、振动等因素引起的建筑物损害的修复加固工程，也可以用于因施工不良造成的混凝土及钢筋混凝土结构的修补[2]。但是喷射混凝土配合比设计在我国没有制定统一标准，其试验方法一直存在争议。

经查阅相关资料可知，现使用的喷射混凝土配合比试验方法主要分为两种：一种是在室内搭建台壁，模拟现场地质结构，使用小型湿喷机完成试验[3]。其优点是试验环境好，实验设备要求低；缺点是试验准备周期长，得出的理论配比还需要在施工前结合工地现场再次湿喷来修正配合比。另一种是先在试验室提出基准配合比后，再结合工地现场施工环境，依靠现场的喷护设备完成配合比试验[4]。其优点是试验后的配合比可以直接在工程中使用；缺点是试验成本大，人力物力耗费多，造成资源浪费。两种试验方法都存在试验成本大、周期长等缺点。因此，本文通过结合工程实例，在试验室内完成喷射混凝土配合比试验，采用100 mm试模成型混凝土试块作为抗压强度试验试块，并结合施工现场制备喷射混凝土大板验证室内喷射混凝土配合比试验方法的可靠性，为湿喷混凝土配合比设计的试验方法提供参考价值。

1 原材料及配合比确定

1.1 原材料

水泥为阜康天山水泥厂生产的中抗硫酸盐硅酸盐水泥，粉煤灰为乌鲁木齐乾元盛贸易有限公司生产的Ⅰ级F类粉煤灰，减水剂为五家渠格辉新材料有限责任公司生产的高性能减水剂，速凝剂为新疆五家渠格辉新材料有限责任公司生产的无碱液态速凝剂，试验用拌和水为自来水。经检验，以上5种原材料的物理力学性能均满足规程规范要求。

试验用骨料取于工地现场4家施工单位所使用的料场，分别为C10 料场生产的河砂，鑫明料场生产的天然砂和小石，P5料场由凝灰质砂岩破碎后的人工砂和小石，砂粒径均为<5 mm，小石粒径均为5～10 mm。各级骨料的主要指标检测结果见表1。

表1 混凝土骨料检测结果

1.2 试验配合比确定

根据工程设计参数要求，喷射混凝土设计参数为出机坍落度为180±20 mm、含气量<5%、抗压强度大于30 MPa。按照《混凝土配合比设计规程》(DL/T 5330-2015)中“当设计龄期为28 d且抗压强度保证率P为95%时，混凝土配制强度计算后应为37.4 MPa；用于湿法喷射的混合料拌制后，应进行坍落度测试，其坍落度宜为80～120 mm”两点要求[5]。但在实际工程中受到骨料品质、施工环境、运输距离、喷射条件、施工性能等因素的影响，当混凝土出机坍落度为80～120 mm时，加入速凝剂后的喷射混凝土的回弹率高、强度低，根本无法达到施工质量要求。经过多次试验优选调整后，每方混凝土中用水量在175～185 kg、胶凝材料用量不低于470 kg，出机坍落度控制在180～200 mm范围内，才能满足设计指标和施工性能要求。通过前期的试验研究，现从中优选出的4组喷射混凝土配合比见表2。

表2 喷射混凝土试验优选配合比

2 试验方案

2.1 室内100 mm试模成型试验

在试验室内成型加入速凝剂的混凝土的方法在各个规范中还未做出规定，本次试验中首次提出成型100 mm立方体试件的试验方法。

将选定的基准配合比按照各原材料比例放入试验用混凝土搅拌机中拌和，出机后直接装入100 mm×100 mm的立方体试模中成型，做7 d，28 d抗压强度试验。需加速凝剂的混凝土再次拌和出机后，倒入实验平台，待测定坍落度等指标后摊铺开，将速凝剂快速均匀撒在混凝土表面，充分人工拌和20～30 s后，然后快速装入试模成型，并放到振动台上振动5～10 s，振动时充分压摁拌和物，类似模拟湿喷机喷枪压力，使试模填充密实，成型1天后脱模放置养护室养护。

2.2 现场喷大板试验

为验证室内试验方法的可行性，将4个配合比在施工隧洞中完成喷大板试验，现场使用混凝土拌和站拌和，每次拌制2 m3，由混凝土罐车拉至隧洞内，倒入混凝土湿喷机，喷射时在喷嘴处加入速凝剂，然后开始喷射工作，喷射顺序为从左往右，自上而下。在成型大板前，先对着岩壁喷射一段时间，然后将中间部分混凝土喷入试模，每个配比成型5个大板，喷大板试模为450 mm×350 mm×200 mm的木制试模。成型1天后脱模，放入标准养护室养护，养护3天后将大板切割成100 mm×100 mm的立方体试块，试件尺寸及试验方法应符合《水利水电工程锚喷支护技术规范》(SL 377-2007)的规定。

3 试验结果及分析

室内试验和现场试验喷射混凝土物理力学性能试验结果分别见表3和表4，喷射混凝土7 d、28 d抗压强度比对分析见图1。

表3 室内混凝土物理力学性能试验结果

表4 喷大板混凝土性能试验结果

图1 喷射混凝土7 d和28 d抗压强度比对分析图

从表3中可以看出，4个配合比在室内不加速凝剂的情况下，喷射混凝土拌和物出机坍落度在190～200 mm之间，含气量在2.8%～4.8%之间，表观密度在2 320～2 350 kg/m3范围内，各项指标均在设计要求内，且混凝土3，7，28 d抗压强度均较大；加速凝剂后混凝土抗压强度明显小于不加速凝剂的混凝土，特别是3 d抗压强度只达到30%，28 d抗压强度达到80%左后，经分析原因主要是受速凝剂的影响，前期强度增长缓慢，整体强度损失较大，但都能满足设计指标。

从表4中可以看出，现场喷大板混凝土出机状态和易性良好，坍落度在210～220 mm，含气量在4.0%～5.1%，两项指标略有增大，造成增大的原因是由于混凝土拌和设备和试验环境与室内存在较大差异行成的。现场喷射混凝土拌和物性能和28 d抗压强度均能满足设计指标。

对图1的试验数据对比可知，现场喷大板混凝土的7 d、28 d抗压强度均大于室内成型混凝土，但都相差不大，且两种试验方法成型的混凝土28 d抗压强度都大于配制强度；加入速凝剂的混凝土7 d抗压强度只达到28 d抗压强度的50%左右，这一规律与普通混凝土强度增长规律存在较大差异[6]。

综上所述，喷射混凝土配合比设计试验采用室内试验方法较以往的试验方法存在以下几个明显的优点：①配合比试验使用的原材料总量大幅度减少；②试验周期缩短，不需要太多时间做准备工作；③试验成本降低，不需要购买湿喷机、搭建试验台壁，试验人员数量少；④高效环保，不发生污染环境的现象。