公路隧道湿喷混凝土配比优化试验研究

刘开勇，刘明灿

（1.广州航海学院，广东 广州 510725；2.华南理工大学，广东 广州 510641）

随着我国 《公路水路交通结构调整指导意见》与 《公路网规划 （2013-2030）》的有序推进，中国高速公路施工与建设在近年来得到了迅猛发展，截止到2019年，我国高速公路待建约2.5万km，尤其是随着现代化建设的快速发展和基建水平的极大提升，公路修建技术的要求也逐步提高，除要求线路顺直、坡度平缓、路面宽敞等外，道路穿越山区时的盘山绕行方案也逐渐演变为隧道施工方案，这种转变在改善公路技术状态、缩短运行距离、提高运输能力、减少事故等方面起到重要的作用［1］。在公路隧道施工过程中，目前使用的多为湿式喷射混凝土技术，与传统干喷技术相比具有易于施工、生产率高和磨损小等优点，但是仍然存在机制砂湿喷混凝土回弹率较高以及成型件抗压强度偏低的问题［2-3］。虽然许多学者从原材料角度 （水泥等级、砂粒度和用水量等）对湿喷混凝土的回弹率和抗压强度进行了研究并取得了一定进展，但是考虑速凝剂和减水剂对机制砂混凝土回弹率和抗压强度的影响方面的报道较少，具体作用机理也不清楚［4］。在此基础上，本文从速凝剂和减水剂掺量角度考察了其对湿喷混凝土塌落度、回弹率和抗压强度的影响，结果有助于高性能湿喷混凝土在公路隧道施工中的应用。

1 试验材料与方法

按照公路隧道工程中对喷射混凝土强度指标高于C25的要求，试验设计混凝土强度要求在30 MPa以上，并以此为基础进行湿喷混凝土配合比设计［5］。其中，湿喷混凝土中用到的砂子为机制砂，具体性能参数见表1；按照GB175-2007《通用硅酸盐水泥》标准要求，新园区中狮北京环保科技有限公司生产的P.O 42.5水泥为原料；按照碎石为按照GB／T 14685-2011《建设用卵石碎石》标准要求，选取粒径6～12 mm机制碎石；按照JGJ 63-2006《混凝土用水标准》标准要求，选取饮用水为湿喷混凝土搅拌用水；选取隆达矿越生产的CA-100L型速凝剂和南迪斯通生产的BSTNXL300型减水剂作为辅料。按照混凝土强度设计要求，设定基准配合比，水泥∶砂∶石∶水的质量比为1∶2.02∶1.65∶0.45。

采用坍落度桶测试不同混凝土配比时间的塌落度，其中，未添加速凝剂和减水剂的基准配比坍落度越为95.6 mm；抗压强度测试过程中，标准试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，凝固成型后进行标准养护28 d，并选取三组试样测试基本配比试件28 d抗压强度，平均值为34.02 MPa；采用BJNB-38型隧道激光断面扫描仪对湿喷后时间的回弹率进行测试，回弹率计算公式为［6］：

表1 机制砂参数Table 1 Parameters of machined sand

式中：η为回弹率；s1和s2分别为单次扫描时毛断面和湿喷后隧道断面面积，m2；n表示测试断面数量；v0表示湿喷混凝土总体积，m3；l为测试段长度，m。

2 结果及讨论

2.1 速凝剂掺量

将380 g水泥和125 g水搅拌均匀后加入不同掺量的速凝剂，快速搅拌后装入模具并进行人工振捣，整个操作过程时间低于45 s，然后在标准稠度仪上测试水泥净浆的初凝时间和终凝时间，每组试样测量两次并取平均值。

表2为速凝剂掺量对湿喷混凝土初凝和终凝时间的影响统计结果。对比分析可见，当速凝剂掺量为2%、4%、6%、8%时，湿喷混凝土的初凝时间平均值分别为201、165、152、144 s，湿喷混凝土的终凝时间平均值分别为442、422、345、330 s。随着速凝剂掺量的从2%增加至8%，湿喷混凝土的初凝时间和终凝时间都呈现逐渐减小的趋势。

表2 速凝剂掺量对初凝时间和终凝时间的影响Table 2 The influence of the dosage of accelerator on the initial setting time and the final setting time s

在隧道内按照4m／试验段进行回弹率试验，分别测试了不同速凝剂掺量作用下边墙、拱腰和拱顶区域的回弹率，统计结果见表3。当速凝剂掺量为2%时，边墙拱腰和拱顶区域的回弹率分别为23.2%、26.8%和35.5%；随着速凝剂掺量的增加，边墙、拱腰和拱顶区域的回弹率都呈现先减小而后增加的趋势，在速凝剂掺量为6%时3个不同区域的回弹率都取得最小值。当速凝剂掺量从2%增加至6%时，速凝剂掺量的增加会使得湿喷混凝土凝结在一起而有效降低回弹率，但是当速凝剂掺量进一步增加至8%时，过多的速凝剂添加会使得湿喷混凝土呈较硬的结核状，后续混凝土的回弹会增加［7-8］。整体而言，速凝剂为6%时湿喷混凝土的回弹率最小。

表3 速凝剂掺量对边墙、拱腰和拱顶回弹率的影响Table 3 The influence of the dosage of accelerator on the springback of side wall，arch waist and arch crown%

为了考察速凝剂掺量对湿喷混凝土28 d抗压强度的影响，在速凝剂分别为0%、4%、8%和8%时制备了12组试块，试件中水泥含量为4.8 kg、砂10.05 kg、石子8.18 kg、水2.12 kg，每组试样制备3块并取28 d抗压强度平均值，结果如表4。从测试结果来看，未添加速凝剂的试块28 d抗压强度为34 MPa，而速凝剂掺量分别为4%、6%和8%的试块28 d抗压强度分别为32.43、32.09、28.51 MPa，相应的强度比例 （与未添加速凝剂强度的比值）分别为0.953 8、0.943 8、0.838 5，即随着速凝剂掺量的增加，湿喷混凝土28 d抗压强度和强度比例逐渐减小。此外，当速凝剂掺量为4%、6%时，湿喷混凝土试块的抗压强度都高于30 MPa，而速凝剂掺量为8%时，湿喷混凝土试块的抗压强度低于30 MPa，不满足湿喷混凝土对抗压强度的要求。

表4 速凝剂掺量对湿喷混凝土28 d抗压强度的影响Table 4 The influence of the content of accelerator on the 28-day compressive strength of wet shotcrete

2.2 减水剂掺量

调节减水剂掺量并使得湿喷混凝土坍落度在3个不同范围内，表5中列出了按照水泥重量配比的减水剂掺量为0.8%、1.0%、1.2%时混凝土坍落度的测试结果。可见，当减水剂掺量分别为0.8%、1.0%、1.2%时，混凝土坍落度平均值分别为115（100～120 mm）、129（120～140 mm）和153 mm（140～160 mm），即随着减水剂掺量的增加，混凝土坍落度呈现逐渐增加的趋势。

表5 减水剂掺量对混凝土塌落度的影响Table 5 Effect of water reducing agent on concrete collapse mm

在公路隧道进行现场试验，测试3种坍落度范围内湿喷混凝土的平均回弹率，结果见表6。可见，当坍落度在100～120 mm范围内时，湿喷混凝土的平均回弹率为23.5%；当坍落度在120～140 mm范围内时，湿喷混凝土的平均回弹率为19.6%；当坍落度在140～160 mm范围内时，湿喷混凝土的平均回弹率为36.2%。随着湿喷混凝土坍落度的增加，平均回弹率呈现先减小后增大的趋势，在120～140 mm范围内时湿喷混凝土的平均回弹率最小。由此可见，在公路隧道现场施工过程中，通过控制减水剂掺量来调节湿喷混凝土塌落度可以有效控制湿喷混凝土的回弹率［9］。

表6 不同坍落度范围内的平均回弹率Table 6 Average resilience in different slump ranges

进一步在公路隧道段现场进行了回弹率与抗压强度的试验研究，其中，水泥∶砂∶石∶水的质量比为1∶2.02∶1.65∶0.45，在制备湿喷混凝土过程中添加水泥重量6%的速凝剂和水泥重量1.0%的减水剂。喷射后的湿喷混凝土养护4周后制成100 mm×100 mm标准试件，宏观形貌中可见湿喷混凝土结构密实，未见明显疏松、气孔等缺陷存在，成型质量良好［10］；混凝土密度测量结果表明5组试样的密度都维持在2 100 kg／m3以上，平均抗压强度约为32.56 MPa，现场测试结果表明经过工艺优化后的湿喷混凝土的抗压强度满足公路隧道施工对抗压强度的要求 （≥25 MPa）。

3 结论

a.当速凝剂掺量为2%、4%、6%和8%时，湿喷混凝土的初凝时间平均值分别为201、165、152、144 s，湿喷混凝土的终凝时间平均值分别为442、422、345、330 s。随着速凝剂掺量的从2%增加至8%，湿喷混凝土的初凝时间和终凝时间都呈现逐渐减小的趋势。

b.速凝剂为6%时湿喷混凝土的回弹率最小；当速凝剂掺量为4%和6%时，湿喷混凝土试块的抗压强度都高于30 MPa，而速凝剂掺量为8%时，湿喷混凝土试块的抗压强度低于30 MPa，不满足湿喷混凝土对抗压强度的要求。

c.随着减水剂掺量的增加，混凝土坍落度呈现逐渐增加的趋势；随着湿喷混凝土坍落度的增加，平均回弹率呈现先减小后增大的趋势，在120～140 mm范围内时湿喷混凝土的平均回弹率最小。添加水泥重量6%的速凝剂和水泥重量1.0%的减水剂的湿喷混凝土的密度都在2 100 kg／m3以上，平均抗压强度达到32.56 MPa。