湿喷混凝土添加纳米回弹抑制剂在工程中的应用

周 平， 范 正 春， 郑 强， 徒 鹏 飞

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

绰斯甲水电站位于四川省阿坝州壤塘县和金川县境内，是绰斯甲河梯级水电开发规划中的第三级，上接蒲西水电站，下游与观音桥水电站库尾衔接，为闸坝引水式电站。

绰斯甲水电站有压引水隧洞布置于绰斯甲河左岸山体中，总长度为21.185 km，引用流量Q=232 m3/s。进水口底板高程为2 767 m，至调压井底高程为2 720 m，隧洞纵坡降为2.384‰。引水隧洞低压段(10+588.00桩号上游)Ⅲ类围岩采用平底马蹄形断面，马蹄形断面底宽7 m，高10 m，设计为边顶拱挂网锚喷支护，底板素混凝土衬砌；引水隧洞高压段(10+588.00桩号下游)Ⅲ类围岩和全隧洞的Ⅳ类、Ⅴ类围岩均采用内径8.9 m的圆形断面，钢筋混凝土衬砌。

湿喷混凝土中添加的纳米回弹抑制剂是根据新奥法的施工特点和发展方向研发出的一种全新产品，其通过添加减水、防腐、防水、引气、气密以及增强增黏组分用以增加湿喷混凝土的密实性、进而提高湿喷混凝土抵抗不良水质的侵入能力。通过添加高性能引气剂以提高湿喷混凝土的抗冻性和耐久性；通过添加复合阻锈防腐剂以获得不良水质侵入后对钢筋及混凝土的防护，提高湿喷混凝土抗硫酸盐侵蚀的性能，使湿喷混凝土的工作性能更好，强度更高，施工速度更快，能够及时有效地对围岩进行封闭式的保护和加固，提高围岩的强度和承载力。阐述了在湿喷混凝土中添加纳米回弹抑制剂前后从室内和现场性能测试两个方面进行的对比试验，并对试验成果进行了总结。

2 室内湿喷混凝土添加纳米回弹抑制剂前后的性能测试对比试验[1～3]

2.1 测试材料

水泥：攀枝花华新P.O42.5水泥、亚东洋房牌P.O42.5水泥；

砂：标准砂、中砂(机制砂)；

人工小石：粒径为5～10 mm；

速凝剂：无碱速凝剂(标准样)；

减水剂：高性能减水剂(标准样)；

添加剂：纳米回弹抑制剂JY-N，以下简称纳米材料。

水：都江堰市生活用水。

2.2 测试方法

按照试验要求分别测试了不同工况下的水泥净浆凝结时间、水泥胶砂强度、混凝土拌和物坍落度及硬化混凝土强度，综合评价了纳米材料的性能。

2.3 性能测试对比试验

2.3.1 水泥净浆凝结时间对比试验

初凝时间比：掺速凝剂及纳米材料的初凝时间与掺速凝剂的初凝时间之比；

终凝时间比：掺速凝剂及纳米材料的终凝时间与掺速凝剂的终凝时间之比。

试验成果分析：添加纳米材料后，攀枝花华新P.O42.5水泥净浆的凝结时间大幅度降低，初凝时间比为44%(即：1 min 15 s/2 min 50 s)，终凝时间比为90%(即：10 min 35 s/11 min 46 s)；亚东洋房牌P.O42.5水泥净浆的凝结时间亦大幅度降低，初凝时间比为58%(即：1 min 50 s/3 min 10 s)，终凝时间比为56%(即：4 min 40 s/8 min 20 s)。

2.3.2 水泥胶砂强度对比试验

试验成果分析：相对于基准水泥胶砂试件，添加6%或10%的纳米材料均能有效提高混凝土7 d及28 d强度。添加6%或10%的纳米材料对比混凝土7 d强度数据与之类似，而28 d混凝土抗压强度数据表明10%的掺量明显高于6%的掺量，说明随着纳米材料添加量的提高，水泥胶砂试件后期强度会有明显地提升。

2.3.3 室内湿喷混凝土试拌试验[4，5]

采用亚东洋房牌P.O42.5水泥进行了室内湿喷混凝土试拌试验，室内湿喷混凝土试拌试验成果见表1。

表1 室内湿喷混凝土试拌试验成果表

按照《水电水利工程锚喷支护施工规范》DL/T 5181-2017要求，湿喷混凝土坍落度宜为8～12 cm。由表1可以看出：相对于基准湿喷混凝土试件，添加6%或10%的纳米材料均能有效提高湿喷混凝土3 d、7 d及28 d抗压强度。外掺6%、内掺6%的纳米材料对比看与不同龄期混凝土抗压强度类似，外掺10%纳米材料的混凝土其抗压强度最高。

相对于基准湿喷混凝土，随着纳米材料添加量的增加，所制备的湿喷混凝土的抗渗性能逐步提升，表明添加纳米材料后，对湿喷混凝土的密实度有大幅度的提高。

2.3.4 湿喷混凝土抗硫酸盐侵蚀试验

采用亚东洋房牌P.O42.5水泥进行了室内湿喷混凝土试拌试件抗硫酸盐侵蚀试验，室内湿喷混凝土试拌试件抗硫酸盐侵蚀试验成果见表2。

表2 室内湿喷混凝土试拌试件抗硫酸盐侵蚀试验成果表

由表2可以看出：相对于基准湿喷混凝土，随着纳米材料添加量的增加，所制备的湿喷混凝土抗硫酸盐侵蚀系数逐渐提高，即湿喷混凝土的抗蚀性能逐步提升，表明湿喷混凝土的密实度有较大幅度地提高。

3 现场添加纳米材料前后喷射混凝土性能测试对比试验

(1)试验地点：中国水利水电第十工程局有限公司施工的绰斯甲水电站引水隧洞6号洞。

(2)试验目的：现场测试添加纳米材料前后的湿喷混凝土，对其在引水隧洞施工中的实际回弹量、喷射时间、喷射效果以及喷射混凝土的抗压强度等指标进行对比分析。

(3)参与单位：中国水利水电第十工程局有限公司中心试验室、四川琪汇新材料有限责任公司、中国水利水电第十工程局有限公司绰斯甲水电站引水隧洞工程项目经理部。

(4)试验材料：

水泥：甘肃永固P.O42.4R水泥。

骨料：人工砂、人工小石。

水：工程附近用水。

外加剂：QH-02聚羧酸高性能减水剂、QH-05无碱液体速凝剂。

纳米材料：JY-N型。

(5)现场实际情况。根据对绰斯甲水电站引水隧洞6号洞施工的具体情况进行分析后认为：采用大型湿喷机械手施工较为适合进行喷射混凝土施工对比试验。为确保工况相近，最终决定采用工况大致相同的4榀工字钢锚喷支护进行对比试验。

(6)现场喷射混凝土性能测试对比项目：

①添加纳米材料前后的湿喷混凝土配合比对比分析；

②添加纳米材料前后的湿喷混凝土喷射时间对比分析；

③添加纳米材料前后的湿喷混凝土回弹率对比分析；

④添加纳米材料前后的湿喷混凝土现场施工状态、环保情况对比分析；

⑤添加纳米材料前后的湿喷混凝土抗压强度对比分析；

⑥添加纳米材料前后的湿喷混凝土对比试验结论。

(7)现场喷射混凝土性能测试。

①配合比对比分析。甘肃永固P.O42.5R水泥现场喷射试验添加纳米材料前后配合比见表3。

②喷射时间对比分析。因每车湿喷混凝土施

表3 甘肃永固P.O42.5R水泥现场喷射试验添加纳米材料前后配合比表

工间隔时间不一致，而现场采用进行对比的施工工作面基本相同，故分别对每车(3 m3)喷射混凝土的施工时间进行了单独的统计对比:基准时，平均每车的施工时间为14 min；添加纳米材料后，平均每车的施工时间为9 min。

由此得知：添加纳米材料后比基准时平均每m3施工时间减少1.6 min，每循环按照约30 m3湿喷混凝土施工量计算，每循环缩短循环时间48 min。按照10 000 m3湿喷混凝土计算，可节约时间16 000 min(267 h)，约为11.11 d；按照洞内施工人员6人/班组，工资8 000元/人/月计算，每10 000 m3湿喷混凝土节约人员工资约为17 776元。

③回弹率对比分析。同时选取4榀工字钢开挖程度大致相同的作业面，相连2榀为一组，基准作业面2榀，添加纳米材料作业面2榀。分别对3 m3喷射混凝土喷射两组作业面进行对比。分别收集两组喷射混凝土作业面的回弹量后称量并计算回弹率，其回弹率对比分析情况见表4。

表4 回弹率对比分析表

④现场施工状态、环保情况对比分析。通过进行现场试喷情况对比，对现场管理人员及相关作业人员进行了调查，具体情况如下：

a.试验室：添加纳米材料后，喷射混凝土的和易性明显较好，强度高，初凝时间约为3 h，可以在机械故障等特殊情况下确保喷射混凝土和易性能正常使用。

b.工程部：添加纳米材料后，喷射混凝土和易性较好，回弹量明显降低，洞内施工工作面的粉尘降低，特别针对有水洞段，未发现喷射混凝土大量掉块现象。采用添加纳米材料后的喷射混凝土初支喷层厚度大约可由基准时的 5～7 cm提高到10～25 cm左右，从而在一定程度上加快了喷射混凝土施工进度。

c.架子队：施工过程顺畅，回弹量明显降低，洞内施工工作面粉尘明显降低，无不适感。

d.作业班组：添加纳米材料后，喷射混凝土喷射施工一段时间后未出现明显掉块。

e.抗压强度对比分析。对于每次试验循环，试验室按照要求预留了大板试件湿喷混凝土7 d、28 d龄期抗压强度试验结果。实测基准时的7 d/28 d喷射混凝土平均抗压强度为25.5 MPa/31.5 MPa；实测添加纳米材料后的7 d/28 d喷射混凝土平均抗压强度为29.6 MPa/37.6 MPa。

4 综合经济效益对比分析

根据绰斯甲水电站引水隧洞6号洞的实际情况，结合项目各原材料的采购单价，湿喷混凝土不同工况下单m3的综合成本及该标段整体综合参考成本对比情况见表5。

表5 湿喷混凝土不同工况下单m3综合参考成本对比表

根据表5中的数据，按照理论1万m3湿喷混凝土计算，实际施工方量按照超方30 %计算，实际湿喷混凝土方量约为1.3万m3。

采用两种配合比实际发生湿喷混凝土在不同工况下的回弹率后，其总方量约为：

①基准时，总方量为1.3万m3×(1+ 40.56 %)=1.827 28万m3。

②添加纳米材料时，总方量为1.3万m3×(1+ 18.36 %)= 1.538 68万m3。

表6 湿喷混凝土不同工况下以1万m3理论喷射混凝土综合参考成本对比表

湿喷混凝土不同工况下以1万m3理论喷射混凝土综合参考成本对比情况见表6。表6中的统计费用系按照大型湿喷机械手单价进行统计(计价规则按照实际方量计量)。如果采用小型湿喷机施工，计价规则应按照设计方量计量，总费用对比时可不考虑机械费。

5 结 语

在湿喷混凝土中添加纳米材料后，通过所进行的室内及现场喷射性能测试对比试验取得的成果表明：在有效保证施工质量、满足设计要求的前提下，大大减小了施工回弹率，加快了施工进度，减少了施工综合成本，降低了操作人员的健康风险，安全环保，尤其适用于回弹率大、富水区施工的地下洞室工程。因此，在湿喷混凝土中添加纳米材料具有很高的经济效益和社会价值，所取得的经验可在类似工程中进行推广与应用。