喷射混凝土在隧道施工中的应用

2021-01-28刘鸿森

建材与装饰 2021年3期

关键词：速凝剂砂率水胶

刘鸿森

（东莞市天仁混凝土有限公司，广东东莞 523000）

0 前言

喷射混凝土属于隧道工程施工核心部分，涉及的技术内容相对较多，复杂性较为突出。因而，综合分析隧道施工实践中喷射混凝土的有效应用，有着一定的现实意义和价值。

1 项目工况

某项目隧道工程所在区域呈较大地形起伏状态。隧道上部分地表有棕红色与褐黄色土壤，是相对致密的结构。因围岩受地质构造层面影响，发育了众多裂隙，地下水较为丰富。施工作业期间，内部丰富的裂隙水逐渐渗透至洞身，影响隧道施工作业。对此，本文以该隧道项目工程为例，进行隧道施工实践中喷射混凝土的实例分析。

2 实践应用

该项目距离混凝土公司约16km，搅拌车运输时间约40min，综合运输线路及项目周边的具体情况，对原材料选择、配合比设计进行反复验证。

2.1 在选定材料选层面

（1）在胶凝类型材料层面。选定华润水泥厂生产的水泥，为42.5R润丰牌普通的硅酸盐类型水泥，表1是水泥相关性能指标。

（2）矿物掺合料，选用沙角电厂的粉煤灰，表2为性能指标。

（3）在选定粗骨料层面。选定连续性级配碎石，公称最大10mm粒径，0.5%的含泥量，泥块含量0.2%，针片状的颗粒含量10%。

（4）在选定细骨层面。Ⅱ区的天然中砂，2.6的细度模数，泥含量1.4%，泥块含量0.2%。

（5）外加剂采用红墙新材料公司生产的CSP-11型高效减水剂。速凝剂：无碱速凝剂。

（6）拌合用水为自来水。

2.2 配合比设计

（1）配合比计算和确定。结合原材料的检验结果及相关标准规范，求得喷射混凝土的配制强度为33.3MPa，水胶比W/B为0.46。

结合试验操作减水剂的1.7%掺量，185kg/m3的用水量，粉煤灰13%掺量，砂率50%，2330kg/m3密度。实施验算后，试拌配比确定是粉煤灰:水泥:外加剂:水:砂：石=52:350:6.83:185:872:871。

在上述配合比的基础上，另外选择两个进行对比试验配合比，其中一个增加0.05的水胶比，砂率减少1%，用水量不变；另一个减少0.05水胶比，增加1%的砂率，用水量不变。

表3 原材料的配合比量单位：kg/m3

经过试验，适应性验证三个配合比，均满足喷射混凝土施工要求，最终确定水胶比0.46的配合比为本项目使用设计配比。

经过生产线验证，生产的混凝土坍落度170～175mm，满足设计要求。

表1 水泥性能指标

表2 粉煤灰性能指标

（2）速凝剂：掺无碱速凝剂掺量8%。喷射施工时掺加。

3 喷射施工

3.1 喷射前准备工作

做好作业区内的通风，保持足够的光线。作业区及附近周边可使用高压水或者压缩空气对碎石、岩渣、黏土堆积物等进行清理。由于面层遇水容易泥化，所以应采用压缩空气进行清扫工作。针对泥质或者砂质岩面的面层，需要挂设钢筋网，用锚钉固定。基底出现渗水的部位用导管或排水过滤材料等辅助措施进行排水处理。

3.2 喷射施工

施工前，喷射手先进行试喷，混凝土性能合格后才进行喷射操作。喷射过程按分片、分段，自下而上的顺序，厚度过大（厚度大于100mm）时作分层喷射，喷射完毕及时保湿养护。混凝土终凝后养护时间14d。

4 经验总结

通过与施工方的密切配合，该项目的喷射混凝土施工取得了完满的成功，总结该项目的经验，有以下几点体会：

4.1 原材料和配合比选择

原材料选择：针对隧道施工的特殊性，喷射混凝土所用的水泥应选择C3A和C3S含量高的，与速凝剂拌和后适应性好，凝结时间快；掺料选择Ⅱ级的粉煤灰，细度不超过30%，烧失量不超过5%；细骨料以细度2.5～3.0模数中砂为宜，含泥量不超过2.0%，泥块含量不超过1.0%，300μm方孔筛类型颗粒量不超过15%。粗骨料以连续级配类型碎石为宜，公称最大粒径是10mm，含泥量的适宜比例是1.0%，泥块的含量以0.5%为宜，针片状的颗粒实际含量为12%，石子过大和针片状含量过高都会影响混凝土的工作性，造成拌合物骨料堆积，回弹增大，易产生脉冲。

配合比设计：①水胶比方面。水胶比对于喷射同强度影响大。通过实施试验操作，水胶比最佳应是0.40～0.50范围。喷射作业后，喷层表面会呈光泽水亮状态，强粘性、无塌落及流动；②用水量方面。水胶比确定后，用水量的大小对混凝土工作有很大影响，要对用水量合理控制，一般在180～200kg/m3时能获得较好的拌合物性能。过大用水量，喷射至岩石表面混凝土会出现跌浆、剥落现象，一次性的喷射厚度会有所减少，回弹量变大；用水量过少，料束呈偏干状态，不能保证良好的黏聚性，也增加回弹；③砂率方面。砂率以45%～55%为宜，砂率太小粘聚性差易造成骨料堆积，混凝土回弹率增大。通常砂子的细度模数越大，砂率取上限；细度模数小，则砂率取下限；④在速凝剂方面，掺量务必把控至其胶凝材料的质量10%范围。掺加较多量，混凝土后期会有较大强度损失；速凝剂添加过程，应确保连续均匀。

4.2 喷射准备和施工作业期间

4.2.1 风压与喷射距离层面

隧道工程中喷射混凝土过程中，风压对回弹量有较大影响。

把控好风压极为关键，如果风压过大，那粗骨料容易回弹，如果风压过小，导致粗骨料喷射不到。应以低风压式近距离的喷射为主，人工喷射时通常距喷射面1.0～1.5m为最佳喷距。

4.2.2 喷射手实操水平层面

喷射时喷射角度、距离、一次性的喷射厚度等均借助喷射手以往实践经验，实现有效控制及调节。喷射质量及其回弹量，与喷射技术员的技术实操熟练度有关，需把控好工作风压、喷射面及喷嘴间隔距离。

4.2.3 喷射实操注意要点

厚度倘若不小于100mm，以分层喷射为宜；分层喷射实操期间，二次喷射务必于一次喷射混凝土终凝后实施。把握间隔时间，倘若超过1h，需借助压缩空气亦或高压水，清洗混凝土喷层表面。在速凝剂方面，由于速凝剂是喷浆装置上料期间掺入，应有相应的流量计量装置，确保速凝剂可连续均匀掺入。

4.3 防排水有效处理层面

①对于喷射表面要检查有无松动岩块、岩碴，如果存在这些杂质应选择高压风将其清除；②若在狭小范围内或在岩层裂缝中有地下水涌出，出现这种情况，若可集中水源到相同位置，借助排水管及钻孔排水实现有效排水；若难以集中水源，需选定半圆形式导水管疏导处理，再对其表面实施混凝土喷射作业；③在涌水量、涌水范围大的情况下，需先铺设带导流的水槽防水板铺，再实施混凝土喷射作业。

4.4 喷射混凝土有效养护措施

喷射混凝土水泥用量大、砂率大、用水量大，还掺加了速凝剂，其收缩变形比普通混凝土大。鉴于以上原因，混凝土的养护相对而言要求更高，它属于喷射混凝土施工作业中较关键的节点，为最后实操内容。正常养护情况下，混凝土强度通常伴随其龄期延长不断变大，大部分因胶凝性的材料水断和水化。在一定程度上，水化的速度与环境中温湿度关系十分密切，受通风不良的影响，隧道内温升高，喷射混凝土周边空气处于干燥状态之中，且水化热引发混凝土内部的温度骤然升高，使水分快速蒸发。由于喷射混凝土内部水泥和水的接触时间相对较短，和普通混凝土比较起来，水泥处于较低水化程度状态。喷射混凝土凝结整个过程，属于水泥实现进一步的水化反应过程。在一定程度上，水泥通常处于有水环境下才产生水化反应，水泥水化大部分是因水泥石内部水分匮乏无法持续反应，由于毛细管产生引力作用，使混凝土产生收缩现象，而喷射混凝土此时的强度呈较低状态，因收缩虽诱发拉应力会导致混凝土开裂，使其结构发生变化，对混凝土自身强度持续增长起一定的促进作用，水化停止后，水化物无法进一步对水泥石内部毛细孔实施填充处理，对混凝土自身抗渗性影响极大。