北京冬奥国家雪车雪橇中心场馆赛道用喷射混凝土的研究

赫 然

(上海宝冶集团有限公司,上海 201900)

国家雪车雪橇赛道为长线型空间双曲面板壳结构，采用常规的混凝土施工工艺无法实现，为此赛道结构施工拟采用喷射混凝土施工。喷射混凝土在国内主要应用于边坡支护、隧道内衬等临时支护工程，混凝土的配合比及施工工艺直接决定混凝土的使用性能，而喷射混凝土因其特殊的应用条件对两者有着更高的要求，因此，对喷射混凝土的配合比及施工控制技术的研究是众多学者研究的重点。

叶飞等采用L16(45)正交试验和极差分析法研究了喷射混凝土配合比等因素对喷射混凝渗流结晶的影响，结果证明在各因素中，基本配合比为主要影响因素。另外，外加剂对喷射混凝土同样有重要影响[1]。王家赫通过对比试验研究了液体无碱速凝剂与功能性掺合料对喷射混凝土力学性能等工作性的影响，阐明了两种材料在喷射混凝土性能提升方面的作用，同时进行了现场试验验证技术[2]。李悦等对喷射混凝土用速凝剂的研究现状进行了综述，分析了各速凝剂的特性及速凝机理，并进一步指明了未来尚需解决的问题及进一步研究与发展的方向[3]。近年来亦有学者研究纤维喷射混凝土的力学性能，并取得了一定研究成果。譬如霍建勋等采用室内试验、理论分析等方法研究不同纤维种类、混杂方式对喷射混凝土抗压、抗折、弯曲韧性的影响规律，并提出了高强纤维喷射混凝土的最优配合比[4]。孙秋荣等在基准喷射混凝土配合比的前提下，在混凝土中加入不同掺量的陶粒及玄武岩纤维组合制成轻骨料纤维喷射混凝土，进而探究二者对该混凝土抗拉、抗压及抗剪强度的影响，建立了预测模型预测力学特征及破坏规律[5]。仇影等则采用常温滴加工艺，以纳米活性氧化铝和改性醇胺为主要原料制备了喷射混凝土用无碱液体速凝剂[6]。除此之外，施工技术的更新迭代对于材料性能的发挥有着重要的推动作用。宋伟明结合某新建铁路隧道工程，参照常规的混凝土试验方法进行混凝土的配合比设计，证明双掺技术可以改善高性能喷射混凝土的性能[7]。何文敏等研究了基于工作性的湿喷射混凝土配合比设计[8]。李政达等则基于正交试验研究了硅灰-纳米SiO2高强灌浆料性能[9]。

目前国外的喷射混凝土技术已广泛应用于主体结构施工。而国内喷射混凝土大多用于临时支护结构，在新建建筑结构中用喷射混凝土的先例不多，更没有相关标准，缺乏可借鉴的相关经验。因此，以国家雪车雪橇中心赛道的建设为契机，为满足运动的安全性和竞技性，项目团队成立了科研小组，对赛道结构专用喷射料制备及质量控制技术进行研究，这在赛道的特征、结构构造、施工工艺方面均属国内首次。

1 工程概况

国家雪车雪橇中心赛道为长线型空间双曲面板壳结构，依山势而建，宛若一条游龙飞腾于山脊之上。主赛道全长1 975 m，共设置16个弯道，其中第11个弯道为全球独具特色的360°回旋弯道，赛道最高点高程1 017 m，位于出发区1，最低点位于C16弯底部，高程896 m，最大落差121 m，最快滑行速度134.4 km/h，它是冬奥会中速度最快、专业性最强、观赏性最高的比赛项目之一。赛道建成后将成为国内唯一、世界第17条符合冬奥会标准的雪车雪橇赛道。国家雪车雪橇中心场馆实景见图1。

图1 国家雪车雪橇中心场馆实景Fig.1 The real scene of National Sliding Centre

2 喷射混凝土技术要求

2.1 赛道喷射混凝土及原材料设计的技术要求

喷射混凝土及原材料设计的技术要求如下：

1)赛道喷射混凝土强度为C40，抗渗等级不应低于P6；抗冻融循环等级不低于F400。

2)裂缝控制等级为三级，最大裂缝宽度限制为0.2 mm。

3)赛道工作面表面的纵向、横向以及水平向各向平整度需控制在±10 mm内。

4)水泥应选用42.5级硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

5)粗骨料宜采用连续级配，最大公称粒径不宜大于10 mm，针片状含量不大于5%，含泥量不应大于0.5%，泥块含量不应大于0.2%。

6)细骨料宜选用Ⅱ区中砂，细度模数应为2.4～3.0，含泥量不应大于2.0%，泥块含量不应大于0.5%。

7)减水剂宜采用减水率不低于25%的高效减水剂；宜掺用硅灰。

2.2 赛道喷射混凝土特殊要求

冬奥会雪车雪橇项目赛道混凝土是一种精确曲面造型的高性能高致密性喷射混凝土，其强度、密实度及抗裂性与低收缩性要求高，还要求有良好的抹面性能等。其特殊性具体表现如图2所示。

图2 赛道喷射混凝土特性Fig.2 Characteristics of the track shotcrete

混凝土特殊性具体要求如下：

1)坍落度小。为确保喷射混凝土在高墙段初凝前不流淌且密实成形，其高墙段部分坍落度必须要求控制在60～100 mm范围内。坍落度较小，易损失，对混凝土坍落度保坍性能要求较高。

2)良好的泵送性能。由于混凝土坍落度较小，为达到良好的泵送性能，混凝土对原材料的颗粒级配要求较高。

3)良好的抹面性能。赛道喷射混凝土表面平整度要求较高，因此要求混凝土有足够的抹面时间，但又要求混凝土在短时间内能达到一定强度，因此混凝土初凝时间一般在5～8 h。

4)抗冻等级要求高。雪车雪橇赛道混凝土表面需制冰，采用直接蒸发式氨制冷系统，制冷管位于滑道结构层内，进行反复制冰，因此喷射混凝土抗冻融等级要求高。

5)北京雪车雪橇中心赛道对混凝土表面及内部均匀性有要求，为全新的施工工艺，特殊的配合比，结合复杂的施工条件，构成了混凝土施工的技术难点。

3 喷射工艺的选择

喷射混凝土施工工艺流程一般可分为干喷、潮喷、湿喷和混合喷四种。

干喷和潮喷都是在喷射机喷头处进行加水，其喷头处阀门控制难度较大，无法保证稳定的水灰比，造成喷射混凝土性能差异较大无法满足赛道喷射混凝土性能稳定。

混合喷射又称水泥裹砂造壳喷射法，它是将一部分砂第一次水拌湿，再投入全部水泥强制搅拌造壳;随后加第二次水和减水剂拌和成SCE砂浆;将另一部分砂和石、外加剂强制搅拌均匀。然后分别用砂浆泵和干式喷射机压送到混合管混合后喷出。混合喷射是分次投料搅拌工艺与喷射工艺的结合，其使用机械数量多，工序操作复杂，在实操过程中，操作难度较高，喷射混凝土的性能稳定性较差。

为此，科研团队选择了湿喷工艺。为确保喷射混凝土性能的稳定，喷射料采用工厂干拌，在现场自建搅拌站与水拌和后，直接采用喷射机进行施工，不在喷射机内及喷射机喷头处混合任何物质，以确保喷射混凝土的性能稳定。

赛道内部结构体密集，为减少高压喷射形成的有害杂质回弹和回灰，喷射过程中，吹扫手同步于喷射手，以合适的角度和时机采用特制高压吹扫管将高压喷射反弹落入赛道骨架中的回弹料和黏附在钢筋网片的回灰吹出赛道，确保赛道连续喷射中，回弹和回灰都同步清理。

4 喷射混凝土材料的设计

4.1 喷射混凝土基本配合比设计方法

研究赛道混凝土材料的原材料优化选取、粒径级配及配合比设计优化方法，采用实验室检测各项性能参数合格的小批量材料进行试喷试验，根据试喷的效果调整确定喷射混合料的中期配合比；基于设计配合比在实验室进行混凝土材料的制备，形成雪车雪橇中心赛道混凝土材料制备技术。赛道喷射混凝土配置流程如图3所示。

图3 赛道喷射混凝土配置流程Fig.3 The preparation flow chart of the track shotcrete

4.1.1混凝土材料性能测试技术研究

研究试验检测方法、质量控制方法；对混凝土材料进行材料性能分析，测定混凝土的坍落度、黏聚性、抗渗性、抗冻融循环特性指标、喷射回弹率等关键技术指标参数，建立混凝土材料特性模型及检测标准体系。

4.1.2研究内容

研制赛道混凝土材料的原材料优化选取及配合比优化设计方法，研究试验检测方法、质量控制方法，对混凝土进行材料性能分析，测定混凝土关键技术指标参数，形成赛道混凝土材料设计、制备及检测关键技术。

4.1.3研究方法

采用交叉试验法、保罗米公式、配合比优化设计方法进行混凝土材料的制备技术研究，通过小批量材料试喷试验进行喷射效果分析，采用材料性能检测方法进行混凝土材料关键技术指标测试。

4.2 赛道喷射混凝土原材料选择

研究赛道混凝土材料的原材料优化选取、粒径级配及配合比设计优化方法，采用实验室检测各项性能参数。材料各项性能参数要求如下。

4.2.1水 泥

针对各厂家同规格、同等级水泥对标准稠度用水量、凝结时间、安定性(雷氏法)、比表面积、第3天抗压及抗折强度、第28天抗压及抗折强度等试验项目对比，以检测其稳定性及适应性。通过试验检测，在满足规范技术要求的前提下，采用细度更细的(比表面积大于350 m2/kg，国标300 m2/kg)P·O 42.5水泥。水泥检测指标见表1。

表1 水泥性能指标Table 1 Performance indexes of cement

4.2.2矿 粉

依据文献[10]的试验方法，通过对比试验，发现选用矿粉S105较S95在用水量、凝结时间、对流动度影响方面更优一些，故选用S105矿粉，并且在实际应用中，喷射混凝土性能更优。

4.2.3硅 灰

硅灰的二氧化硅含量应大于等于85%，比表面积大于等于15 000 m2/kg，第3天活性指数大于等于90%，第7天活性指数大于等于95%，第28天活性指数大于等于115%。

4.2.4骨 料

1)细骨料。

赛道喷射混凝土用砂为II区砂，细度模数宜为2.4～3.0，含泥量小于等于2.0%，泥块含量小于等于0.5%。本赛道由于对砂的颗粒级配要求较高，试验过程中选用了大量砂做对比试验，发现级配均达不到理想效果，后采用将砂筛分成5个单粒径，再按比例掺配的方式，掺配后达到了较为合适的级配。砂在使用前要经过水洗、烘干。各种单粒径砂占比见表2，砂的技术指标见表3。

表2 各种粒径砂占比Table 2 The gradation of sands

表3 砂的技术指标Table 3 Performance indexes of sands

2)粗骨料。

石子除符合技术标准要求外，选用级配合理，5～8 mm的坚硬耐久的碎石，且粒形要好、针片状颗粒含量小于10%；石子表观密度应大于2.65 g/cm3，堆积密度不小于1 450 kg/m3，含泥量小于1%、泥块含量小于0.5%。

由于赛道喷射混凝土所使用碎石粒径较为特殊，不能与其他碎石共用生产线，因此碎石厂家定制专用设备，碎石生产工艺采用反击破式破碎机，与传统颚式破碎机相比，反击破式破碎机生产的碎石粒型较圆润，针片状较少，颗粒级配较为连续。

混凝土配合比研发成功后，对比美国混凝土协会ACI 506标准喷射混凝土砂石级配曲线，发现本研究最终确定的砂石级配曲线和ACI 506砂石曲线非常接近，从另一个角度印证了采用中砂石级配的正确性。砂石级配曲线如图4所示。可见砂石合成级配满足ACI 506标准中2号分级要求的上、下限。

级配下限；级配上限；实测数值；ACI 506。图4 砂石级配曲线Fig.4 The grading curve of sand

4.2.5外加剂

1)减水剂。减水剂使用高性能聚羧酸减水剂，抗压强度比1 d不小于170%，3 d不小于160%，7 d不小于150%，28 d不小于140%，收缩率比28 d不大于110%，1 h经时坍落度变化小于等于80 mm。

2)引气剂。引气剂抗压强度比3 d不小于95%，7 d不小于95%，28 d不小于90%，收缩率比不大于135%，相对耐久性(200次)不小于80%，含气量大于等于3%，1 h经时含气量变化-1.5%～1.5%。

3)缓凝剂。减少坍落度损失，增加运输时间内材料的稳定性。

4.2.6外掺料

1)膨胀剂。为了进一步控制裂缝，加入适量的膨胀剂，用其膨胀所产生的压应力，来抵消喷射混凝土在硬化中的收缩拉应力，从而减少了裂缝的产生。

2)抗裂纤维。抗裂纤维选用聚丙烯纤维，长度9 mm，直径30 μm，弹性模量4 500 MPa，断裂伸长率27.5%。能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。在混凝土中，掺入适量的硅灰，可增加混凝土的和易性和耐久性。

4.3 赛道喷射混凝土试验

4.3.1无速凝剂体系喷射混凝土

在国内用于赛道主体结构的喷射混凝土工程尚属首例，无经验可供借鉴，赛道高墙段及上檐口角度接近垂直，需较大的黏聚力才能保证不脱落。且国内喷射混凝土标准要求采用速凝剂进行喷射，而国内已有喷射混凝土均采用掺速凝剂喷射的施工方法，凝结时间仅几分钟，无法为喷射混凝土表面的精加工提供足够的时间，喷射混凝土不经过精加工根本达不到毫米级赛道表面修饰的建造要求。从优化混凝土内部微观结构的思路入手，通过对混凝土内部从纳米到宏观的多尺度缺陷进行填充、修补和控制，兼顾多相界面过渡区化的方法提出喷射混凝土的多相、多尺度、多维度设计理论。科学选取初步方案进行预试验，如水灰比、外掺料及外加剂种类及用量等，开展正交试验，采用多因素控制变量和数值分析结合的方法，进行大量模拟喷射试验验证，建立了结构喷射混凝土无速凝剂体系，突破了国内标准的限制，打破了国外技术垄断。达到了80±20 mm低坍落度，黏聚性到达天花板垂挂喷射厚度400 mm不脱落。赛道喷射混凝土天花板垂挂效果如图5所示。

图5 赛道喷射混凝土天花板垂挂效果Fig.5 Effect of track ceiling injected by shotcrete after installation

4.3.2纤维界面改性方法及形性控制

由于赛道为双曲面狭长板壳结构，施工现场环境多变，夏季温度38～26 ℃，冬季温度-20～-5 ℃，且山区多风，多雷雨天气，昼夜温差大，对赛道裂缝控制要求极高。通过单丝拔出试验研究各类表面处理技术对界面黏结性能的影响，提出了最佳黏结性能的表面改性优化处理方法；通过研究纤维形态、表面处理方式等因素对结构喷射混凝土抗拉强化特性的影响机制，通过纤维之间的协同作用，增加了喷射混凝土内部抗拉应力阈值，用于抵抗混凝土因温度变化或水分缺失而产生的收缩应力，有效控制了塑性裂缝的产生，达到了赛道整体二级裂纹控制的效果。

4.3.3结构喷射混凝土抗冻融性控制及快速检测

雪车雪橇赛道为百年工程，表面需要反复制冰，混凝土处在反复冻融的环境下，其抗冻性能要求高，研发团队采用最密堆积理论，选用三种不同细度的胶凝材料，加上特有的骨料级配，细颗粒填充在粗颗粒之间的空隙，更细颗粒填充在细颗粒之间的空隙，逐级向下，达到最大密度。基于Andreasen方程，根据原材料颗粒粒径分布，计算出最优的材料组成比例，使其达到理论上的最大堆积密度。再通过适量引气剂与消泡剂的协同作用，从而形成均匀密闭的微小气泡，获得较强的抗冻融性能。

通过建立模块研发场地，综合应用配合比试验、模型仿真模拟技术、足尺模型试验，历经百余组1∶1足尺模块制作、300余次配合比调整、600余次喷射试验、上千次测量及检测、近2 000 m2喷射混凝土消耗，最终确定赛道喷射混凝土配合比见表4。

表4 赛道喷射混凝土配合比Table 4 Proportion of shotcrete mix kg/m3

5 喷射混凝土试验结果对比

5.1 掺普通速凝剂喷射混凝土喷射试验

国内喷射混凝土一般采用掺速凝剂的方式，混凝土喷射到受喷面后在几分钟内初凝，以达到抗流挂性能，但雪车雪橇赛道喷射混凝土表面修饰性能要求高，一般喷射混凝土凝结时间短，无法抹面加工，试验中采用降低速凝剂掺量，使喷射混凝土凝结时间满足抹面要求。

试验中挑选数种国内速凝剂，包括多个厂家生产的速凝剂，采用不同掺量进行喷射试验，喷射试验结果总结如表5所示。

根据表5的结果，使用掺一般速凝剂的喷射混凝土，通过调整速凝剂掺量的方式调整混凝土的凝结时间，抗流挂性和凝结时间均未达到理想效果，降低速凝剂惨量，流动性较差，提高速凝剂惨量，凝结时间较短，抹面时间不充足，且喷射混凝土不宜喷射密实。

表5 普通速凝剂掺量喷射混凝土性能Table 5 Properties of shotcrete with conventional accelerated agents

5.2 掺新型速凝剂和聚合物助剂喷射混凝土喷射试验

选用新型速凝剂，以增强混凝土抗流挂性能，根据速凝剂掺量的不同，其水泥净浆凝结时间可控制在0.5～8 h之间；在混凝土中添加淀粉醚、纤维素醚、胶粉等聚合物助剂提高混凝土保水性能和抗流挂性能，添加聚丙烯纤维提高混凝土抗裂性能。不同掺量速凝剂喷射混凝土性能如表6所示。

表6 不同掺量速凝剂喷射混凝土性能Table 6 Performances of shotcrete with new types of accelerated agents

根据表6的试验结果，使用掺新型速凝剂的喷射混凝土，并添加聚合物助剂，喷射混凝土和易性良好，易喷射，不堵管，喷射混凝土具有较强的抗流挂性能和较低的回弹率，混凝土密实度有很大改善，凝结时间满足抹面要求，混凝土力学和耐久性满足设计要求，但由于混凝土喷射机固有的脉冲现象，导致混凝土促硬剂掺量不均匀，喷射混凝土凝结时间不一致，喷射至结构上的混凝土软硬不一，更容易造成混凝土部分不密实的现象。喷射混凝土成型效果如图6所示。

图6 喷射混凝土背面Fig.6 The back of the shotcrete

5.3 不掺速凝剂喷射混凝土喷射试验

混凝土喷射时不掺速凝剂，通过降低混凝土拌和物坍落度，优化混凝土骨料级配，选用颗粒较细的胶凝材料，添加超细硅灰和聚合物助剂，依靠混凝土自身黏结力提高混凝土抗流挂性能。

5.4 引气剂、硅灰掺量喷射混凝土喷射试验

雪车雪橇赛道表面需要反复制冰，混凝土处在反复冻融的环境下，其抗冻性能要求高。配合比设计时，计划添加引气剂及硅灰。在喷射混凝土中掺引气剂以将含气量控制在合理范围内，掺适量硅灰(硅灰颗粒较细，可增加混凝土密实性，在混凝土内部形成密闭的微小气泡，可抵消混凝土因受冻膨胀产生的内应力)，理论上可显著提高混凝土抗冻性能。为此进行了针对性试验。部分抗冻融循环试验结果如表7所示。

表7 喷射混凝土抗冻融循环试验Table 7 Freeze-thaw cycle tests of shotcrete

相对弹性模量是指经冻融后材料剩余弹性模量与初始弹性模量之比。

通过冻融循环试验发现，混凝土拌和物含气量控制在6%～10%，喷射施工时，混凝土内部部分气泡在高压下被挤出，含气量降为3%～5%，混凝土抗冻等级达到F400。冻融试验相对弹性模量和周期对比如图7所示。

图7 冻融试验相对弹性模量和循环次数对比Fig.7 Comparisons of relative elastic moduli and cycles of freeze-thaw

通过冻融试验相对弹性模量和周期的对比可知，在冻融开始时，相对弹性模量下降速度较快，因为混凝土中原有的初始缺陷在冻融过程中得以发展。这些初始缺陷扩展到一定程度后，将进入稳定期，此时无新的缺陷产生，所以当冻融次数达到一定数值时，相对弹性模量下降速度变慢；继续冻融，原有的初始缺陷将继续扩展，且混凝土中产生了新的缺陷源也随冻融次数继续增加不断扩展，从而导致相对弹性模量的下降速度加大。

通过大量的喷射试验表明，改进粗细骨料级配，选用优质胶凝材料，添加超细硅灰及聚合物助剂可使喷射混凝土性能高度优化，不仅满足了施工要求，还赋予了优异的抹面性能和抗裂性能。

6 结束语

国家雪车雪橇中心赛道属于中国第一条赛道，无任何可借鉴的施工标准及验收规范，面对国内首例“革新同类施工前沿技术”的赛道施工难题，经过多次重复试验，最终得到无速凝剂体系的高密实度、良好泵送性能、黏聚性能喷射混凝土材料用于赛道主体结构，并建立了结构喷射混凝土无速凝剂体系。所测试混凝土达到了80±20 mm低坍落度，黏聚性到达天花板垂挂喷射厚度400 mm不脱落。国家雪车雪橇赛道喷射混凝土技术已成功应用于北京2022年冬奥会的国家雪车雪橇中心项目。赛道施工质量完全符合设计要求，获得了外方专家高度评价，同时实现了业主满意、社会认可的目标。2020年11月9日，赛道场地整体通过国际雪车、雪橇联合会国际单项组织认证，标志着世界上从此多了一条符合奥运标准的专业雪车雪橇赛道，具有里程碑意义。应用实践表明，采用结构喷射混凝土无速凝体系能很好地满足毫米级赛道表面修饰的建造要求。