纳米材料在隧道初支喷射混凝土中的试验研究

聂荣辉，李祖权，田海龙

（中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

0 引言

我国隧道等地下工程的初期支护喷射混凝土在采用湿喷工艺之后，虽然能够解决部分干喷工艺带来的粉尘大、环境很差、材料浪费大，喷射混凝土的密实度较差，质量难保证［1］等问题，但实际施工过程中，在确保配合比、速凝剂掺量、施工工艺等影响湿喷混凝土回弹的主要因素［2，3］基本满足要求的前提下，回弹率仍在30%左右，且掉块是湿喷工艺独有的一种问题。马忠诚等人［4］的研究也强调了要研究低成本的原料，优化湿喷技术工艺才能更好地推广应用。为了进一步降低回弹率，减少掉块，采用一种市售纳米材料掺入混凝土中，与基准混凝土进行对比试验，以验证该纳米材料对混凝土工作性能、回弹率、喷射厚度、平整度及成本的影响。

1 概况

某高速公路位于广东省清远市境内，标段起讫里程桩号K136+211.6～K154+652.5，全长18.441 km。全线共隧道3座，隧道总长度约为5.511 km，单洞总长达11.14 km。图纸设计初期支护喷射混凝土用量约为93 670 m³，用量大，成本高。

在隧道喷射混凝土施工过程中，喷射混凝土回弹率较大，拱顶喷射时掉块较多，造成混凝土超方严重，根据统计数据，平均超方都在30%左右，且速凝剂用量超耗严重，造成很大浪费和工程成本大幅上升；工作性能受材料变化影响、以及湿喷机设备泵管直径小，泵管弯头多、角度大等影响，易出现堵管现象，影响掌子面施工进度，且喷射混凝土平整度一次性合格率低，影响防水板铺设，需要补喷才能满足要求。

2 混凝土配合比

2.1 原材料

水泥为P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，粗骨料是岩性为石灰岩的自加工5～10 mm 碎石，母岩饱和抗压强度86 MPa，细骨料为自制机制砂，细度模数3.0，石粉含量12.5%；减水剂为聚羧酸高效减水剂，1.0%掺量时减水率达25%以上；速凝剂为液体无碱速凝剂，7%掺量时的净浆初、终凝时间分别为4.0 min、7.5 min。

纳米材料是由某厂生产的一种有机无机复合型喷射混凝土专用材料。掺入喷射混凝土中可有效提高混凝土粘聚性及工作性，增加喷射混凝土与基体的粘结性，降低喷射混凝土回弹率，可部分甚至全部取代防水剂、防腐剂、减水剂及常用的材料（粉煤灰、矿粉、硅灰等）。该产品复合了部分防腐、调节胶凝体系的化学组成，维持体系中各相的化学平衡，从而有效提升混凝土的抗硫酸盐、盐类物质腐蚀性能，可有效降低混凝土在硫酸盐、盐类物质侵蚀条件下发生的表面胀裂、剥落等风险，提高混凝土强度和耐久性能。其作用机理为：

⑴通过浆体流变调控技术，能够使混凝土“液相增稠、动态低粘、静态高粘”的特性，即在流动状态时混凝土具有高粘聚性，在喷射过程中粘聚性降低，在喷射到基岩面后具有高粘结性。

⑵同时基于最紧密堆积设计，通过纳米改性技术，可提高喷射混凝土密实度，进而提高强度和保证率。

2.2 配合比设计

喷射混凝土标号为C25，坍落度要求为140～200 mm，掺纳米材料混凝土配合比是在基准混凝土配合比的基础上进行了优化，试验各项指标如表1所示。

表1 湿喷混凝土配合比Tab.1 Mix Proportion of Wet Shotcrete

3 掺纳米材料混凝土试验应用效果

3.1 改善混凝土工作性能

喷射混凝土拌合物的和易性是由水灰比、灰浆体积以及骨料的配比、级配、形状、空隙决定的［5］。纳米材料具有减水性，在保证坍落度的同时，降低单位用水量，降低水灰比；纳米材料能够填充水泥的空隙，增加水泥浆的体积，能够充分包裹骨料表面；纳米材料改善了混凝土的工作性能，使混凝土对材料的变化影响敏感性减小，未出现离析或泌水现象，在泵送过程中未发生泵送困难及堵管现象。

而在前期施工中，基准混凝土的和易性一般，受材料变化影响、以及湿喷机设备泵管直径小，泵管弯头多、角度大等影响，容易出现堵管现象，造成施工暂停和混凝土的浪费，影响掌子面施工进度。

2种喷射混凝土的性能如表2所示。

表2 掺纳米材料混凝土与基准混凝土性能Tab.2 Performance of Concrete Mixed with Nano Materials and Reference Concrete

3.2 降低喷射混凝土回弹率、提高一次喷射厚度及平整度一次性合格率

纳米材料的掺入能够增加胶凝材料的比表面积，包裹能力增强，改善了粘聚性、增加了稠度，进而能够提高混凝土拌合物的粘结强度，较大程度上减少了由于喷射时的冲击力造成的混凝土回弹，这点与宁逢伟等人［6］，Pickelmann 等人［7］、Markus 等人［8］的相关研究中提到的结论相似。

在喷射到初喷混凝土面后，强度增长较快，减少了喷射时因自重因素导致掉块现象的发生，提高了一次喷射厚度和平整度一次性合格率。在喷射混凝土时边墙分层厚度可达到200 mm、拱部分层厚度控制在150 mm，要达到设计喷射厚度，只需要喷射1～2 层就能喷射完成，完成单个循环支护时间约为3.5 h，减少了喷射混凝土喷射时间，节约人工机械水电成本，缩短单个循环时间。掺纳米材料混凝土喷射边墙情况如图1a所示，喷射拱顶情况如图1b所示。

图1 掺纳米材料喷射情况Fig.1 Spraying of Concrete Mixed with Nano Materials

而基准混凝土粘结强度较差，且自身强度增长慢、导致回弹和掉块均较大，拱顶部位尤为明显，容易造成初支喷射混凝土不密实、背后形成空洞，平整度一次性合格率低，进而影响防水板的铺设，造成防水板后不密实或者脱空。基准混凝土在喷射混凝土时边墙分层厚度控制在80～150 mm、拱部分层厚度控制在60～100 mm［9］，喷射时需分2～3 层才能完成喷射，完成单个循环支护时间为4 h。基准混凝土喷射边墙情况如图2a 所示，喷射拱顶情况如图2b所示。

图2 基准混凝土喷射情况Fig.2 Spraying of Reference Concrete

在完成基准混凝土与掺纳米材料混凝土喷射施工后，收集散落在彩条布上的混凝土，使用体积计量法确定回弹量，喷射混凝土回弹率和掉块数据对比如表3所示。

表3 喷射混凝土回弹率数据对比Tab.3 Comparison of Rebound Rate Data of Shotcrete

3.3 提高喷射混凝土强度

王龙等人［10］的相关研究表明纳米材料能填充水泥颗粒之间的空隙，使结构更加密实，提高混凝土的强度。同时，纳米材料具有火山灰活性，在水化硬化过程中，与水泥基材料能生成强度较高的水化硅酸钙凝胶，提高水泥硬化浆体的强度。

按照文献［9］要求，在现场用模具制作了喷射混凝土试验板件，使用钻芯法取得标准试块。经试验，相关试件不同龄期的强度如表4 所示，从表4 中可以看出，掺纳米材料混凝土对强度有较大提高，验证了纳米材料能够填充水泥颗粒间的空隙，提高混凝土的密实度，进一步提高混凝土的强度。

表4 喷射混凝土强度数据对比Tab.4 Comparison of Shotcrete Strength Data

3.4 降低成本

通过对隧道喷射混凝土配合比的优化，对现场基准混凝土与掺纳米材料混凝土的喷射情况进行对比，掺纳米材料混凝土的喷射施工质量优于基准混凝土，且综合成降低了88.5 元/m3。喷射混凝土综合成本分析如表5所示。

表5 喷射混凝土综合成本分析对比Tab.5 Comparison of Comprehensive Cost Analysis of Shotcrete

4 结语

通过对比试验表明，掺纳米材料喷射混凝土比基准喷射混凝土具有以下优势：

⑴改善混凝土的和易性，提高混凝土可泵性，降低了堵管风险。

⑵降低喷射混凝土施工过程的回弹率、提高一次喷射厚度、有效地降低掉块现象、提高喷射混凝土表面平整度一次性合格率。

⑶提高喷射混凝土施工效率、节约喷射混凝土的施工时间。

⑷降低喷射混凝土的综合成本（人员、设备、水电等），提高混凝土施工质量。

尽管纳米材料的价格相对较高，但其对隧道初期支护的施工质量及带来的综合效益显著，具有推广使用价值。