喷射型多孔混凝土在水库消落区护坡中的喷射性能及施工工艺研究
2023-12-25程曦刘肖凡陈林陈玲玲
程曦 刘肖凡 陈林 陈玲玲
摘要：为推广喷射型多孔混凝土在水库消落区护坡中的应用，对基于正交试验及极差结果分析优选出的配合比进行实际喷射试验，研究其应用于消落区治理时的喷射性能及施工工艺，并分析了柔性聚丙烯纤维和丁苯橡胶乳液对喷射型多孔混凝土喷射性能的影响。试验结果显示：在喷射风压和喷射距离不变的情况下，喷射厚度与喷射面性质有关，石墙的喷射厚度大于木板喷射厚度；木板喷射面的回弹率明显高于石墙喷射面。喷射风压在0.7 MPa，喷射距离在1 m时，回弹率达到最小。柔性聚丙烯纤维的添加使回弹率减少约5%，丁苯橡胶乳液的添加使回弹率减少约6%，两者协同作用下回弹率减少约8%。
关键词：喷射混凝土； 多孔混凝土； 消落区； 喷射性能； 回弹率
中图法分类号：TU528.53
文献标志码：A
DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.009
文章编号：1006-0081（2023）12-0054-05
0引言
水资源梯级开发利用会给流域生态系统保护带来较大压力。其中，水库消落区的生态环境问题引起了广泛关注［1］。其形成会使地面出现不同程度的下降现象，进而导致土地沉降甚至坍塌，对房屋、道路、桥梁等建筑设施造成严重的破坏，还会改变土壤质地和水文特征，破坏当地的生态环境，影响植被生长。三峡工程为长江经济带的发展提供了防洪、供水、航运和电力安全保障［2］，水利部发表的《2021年三峡工程公报》显示，三峡水库消落区面积302 km2，库线总长约5 700 km［3］，因水库水位呈季节性涨落，致使库区沿岸生物多样性降低、生态系统脆弱，嚴重影响库周人民群众的财产安全。为确保三峡工程持续发挥综合效益、促进库区沿岸地区经济可持续发展，需开展消落区护坡治理。
喷射混凝土在传统护坡工程中应用越来越广泛，目前在复杂山体条件的加固施工中也有所应用，但由于水泥水化过程中会使混凝土碱度上升，对水资源造成污染，且传统混凝土护坡会影响植物后续生长，不符合绿色发展理念。20世纪90年代以前，中国在生态护坡研究领域多采用播种草籽、铺设草
皮等提高坡面稳定性的办法［4］。随着生态护坡的提出，传统护坡措施与植物措施有效结合，可提高边坡稳定性、工程和生态环境之间的协调性［5］，有利于水库沿岸生态系统发挥自我调节功能。
多孔混凝土具备强度较高、孔隙率大、耐久性好等优点，可以作为植物生长的基床，与耐水植物一起对消落区形成生态护坡。在传统护坡技术的基础上，对水库消落区采用喷射多孔混凝土进行护坡保护，以恢复其生态性。
喷射混凝土在水库消落区的治理存在一定特殊性，水库消落区坡度较大且施工环境恶劣，施工难度较大。由于消落区护坡需要考虑水作用及对水资源的影响，制备的喷射多孔混凝土主要是针对设计孔隙率、回弹率及喷射效果以及耐久性等方面。目前中国现有喷射混凝土施工中，由于配合比设计不合理［6］，喷射混凝土在应用过程中形成回弹，造成巨大的材料浪费，也降低了初期支护的强度。因此，在确定合适配合比的同时，也需寻找合理的喷射施工方式。
1回弹机理分析
喷射混凝土回弹率是反映及评价混凝土黏接性
能及喷射性能的重要指标之一［7］，计算公式为
R=wr/wp×100%（1）
式中：R为回弹率，%；wr为回弹料的质量，kg；wp为一次混凝土的质量，kg。
根据回弹率的试验公式［8］可以看出，回弹率的本质是两部分质量的比值。两部分的质量比值是属于同一物质运动但不同时期的质量，因为能量的损耗而产生差值，喷射回弹运动过程可以分析为一个以能量守恒定律为理论依据的运动过程，回弹率的产生基于运动过程中的能量损耗，能量损耗越大，回弹越大。根据能量守恒定律分析整个喷射回弹过程可得到：
1/2m前v2前-FL-fs=1/2m后v2后（2）
式中：m前为喷射喷出质量，kg；v前为喷射喷出速度，m/s；
F为混凝土黏滞力，kN；L为喷射管道长度，m；
m后为到达喷射面时喷射质量，kg；v后为到达喷射面时喷射速度，m/s；
f为空气阻力，kN；s为喷射距离，m。
根据喷射过程的能量守恒关系以及回弹率的公式可得，回弹率的大小与喷射速度、混凝土黏滞力、喷射管道的长度、空气阻力以及喷射距离相关，其中影响作用较大的是喷射速度、混凝土的黏滞力以及喷射距离［9］。从回弹理论分析可以看出，减少喷射过程的能量损耗是减少回弹率的核心，探究各影响因素是研究减少回弹率的第一步［10］。
2试验过程及结果
2.1试验原材料及配合比设计
多孔混凝土孔隙率的大小影响着植物生长，依据前期对透水混凝土路面的相关研究，粗骨料采用5～10 mm碎石［11］，水泥选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，在多孔混凝土中掺入适量的柔性聚丙烯纤维以改善混凝土的耐久性及整体性。丁苯橡胶乳液具有良好的黏结性和耐久性，掺入适量的丁苯橡胶乳液可使喷射混凝土的回弹率得到一定改善。
根据喷射混凝土的相关理论研究［12-14］，最终确定设计孔隙率、水胶比、柔性聚丙烯纤维、丁苯橡胶乳液4种影响因素，每种因素分别选取3个因素水平，详见表1。
2.2试件制作及养护
喷射型多孔混凝土的实验室制备与传统混凝土有较大区别，喷射型多孔混凝土对孔隙率要求较
高［15］，骨料空间排列需较为均匀。在正交试验中需探究各因素之间的影响关系，保持除正交试验4因素之外的变量均衡一致，因此试验选择搅拌机配以人工搅拌的拌和方式。
喷射型多孔混凝土的拌和工艺要求胶凝材料均匀包裹骨料，再掺入分散的柔性聚丙烯纤维，使混凝土各部分能充分均匀混合达到设计要求。水与水泥放入砂浆搅拌机搅拌1 min至均匀，待水泥初步水化后倒入适量丁苯橡胶乳液继续搅拌约2 min直至混合搅拌物无结块而均匀，最后倒入骨料拌和约3 min。搅拌机初步拌和完成之后配以人工手动搅拌，分散结块骨料，使胶凝材料拌和物均匀包裹骨料，图1为拌和完成的喷射型多孔混凝土。
由于喷射型多孔混凝土的实际施工条件较为特殊，实际施工现场难以养护，因此新拌混凝土采用自然养护的方式，即需将混凝土拌和装入模具后放置自然环境下达24 h，随后脱模，将混凝土标准养护至相应龄期。
2.3喷射型多孔混凝土试验
通过正交试验对喷射型多孔混凝土的抗压强度、有效孔隙率、坍落度以及孔隙内碱度等物理力学性能进行测定，并对结果进行极差分析［16］，极差分析结果见表2，其中喷射型多孔混凝土的有效孔隙率采用排水法测定［17］。
考虑到 28 d 的抗压强度及孔隙内碱度极差结果（相较于7 d）更具有实际工程参考意义，优选出4组配合比，A2B3C3D3（设计孔隙率25%，水胶比040，柔性聚丙烯纤维的掺量5%，丁苯橡胶乳液掺量10%）、A2B2C2D2（设计孔隙率25%，水胶比038，柔性聚丙烯纤维的掺量3%，丁苯橡胶乳液掺量8%）、A3B3C3D2（设计孔隙率30%，水胶比0.40，柔性聚丙烯纤维的掺量5%，丁苯橡胶乳液掺量8%）、A3B3C2D1（设计孔隙率30%，水胶比0.40，柔性聚丙烯纤维的掺量3%，丁苯橡胶乳液掺量5%）。依据这4组配合比进行实际喷射试验，分别对一次喷射厚度及回弹率进行试验记录，分析各因素对喷射性能的影响，研究喷射工艺、喷射面材料对喷射性能的影响，综合考虑确定较为合适的喷射施工方式。
2.3.1 喷射面材料对一次喷射厚度的影响
季节性水位涨落引起消落区库岸冲刷与淤积［18］，使现场坡面环境复杂，对于岩质边坡、覆土边坡等不同弹性及刚度性质的边坡，在进行喷射试验时采用石墙及木板作为受喷面，分别模拟岩质边坡及回弹属性较高的边坡。
选取1.5 m×2 m平整干净的石墙面和木板面进行定点垂直喷射，选取喷射距离为1 m，喷射风压为0.7 MPa，喷射过程自喷射面粘结混凝土开始至混凝土因自重脱落结束，测定喷射面混凝土厚度，试验过程如图2和图3所示，试验结果如表3所示。
噴射型多孔混凝土的一次喷射厚度试验结果显示：喷射型多孔混凝土在石墙面上的一次喷射厚度在4.9 cm以上，最大一次喷射厚度达到6.7 cm；在木板上的一次喷射厚度在2.8 cm以上，最大一次喷射厚度达到4.7 cm。由此可见，喷射厚度与喷射面材料有相关性，石墙的喷射厚度大于木板的喷射厚度。
2.3.2喷射面材料对回弹率的影响
通过回弹理论分析测定回弹率，试验结果如表4所示。分析可得出，在喷射距离和喷射机风压不变的情况下，喷射型多孔混凝土的回弹率普遍高于18%，木板喷射面的回弹率明显高于石墙喷射面。分析产生这种现象的原因有两种：① 以复合木板作为喷射面材料，木板本身的回弹率比石墙高；② 木板自身的稳定性较差，相比于石墙材料喷射面，除了木板材料喷射面自身长度大于2 m以外，还需要借助外力进一步固定，才能满足自身基本稳定性。分析受喷面材料对回弹率影响的试验结果，可考虑在喷射型多孔混凝土持续喷射作业中，在回弹属性高的边坡受喷面，先喷一层混凝土打底，再进行喷射型多孔混凝土的施工作业，以减少回弹。
2.3.3喷射压力与喷射距离对喷射性能的影响
试验选取第二组配合比垂直喷射在石墙喷射面，进行喷射压力以及喷射距离对喷射性能影响的试验，分别在喷射距离恒定1 m时进行风压影响试验，以及喷射压力恒定0.7 MPa 时进行喷射距离影响试验，试验结果见表5～6。
根据喷射风压对回弹率影响测定的试验结果分析得出，在喷射距离不变的情况下，回弹率在喷射风压0.5～0.7 MPa区间内，随着喷射风压的增高，回弹率有降低趋势。本次试验结果显示，喷射风压在0.7 MPa时，对回弹率影响最优，最小回弹率达到22%。
根据喷射距离对回弹率影响测定的试验结果分析得出，在喷射压力不变的情况下，回弹率在喷射距离1.0～1.5 m区间内，喷射距离增高，回弹率呈现整体增大趋势。在1.0～1.3 m区间的增大趋势明显大于在1.3～1.5 m之间的增大趋势。喷射距离在 1.0 m 时达到最小回弹率22%，在喷射距离1.3 m 时，达到最大回弹率35%。结合众多国内外学者对喷射混凝土最佳喷射距离的相关系统研究以及大量实际工程经验［19-22］，该结果符合最佳喷射距离为1.0～15 m的普遍规律。
2.3.4纤维及外加剂对喷射性能的影响
试验选取第二组配合比A2B2C2D2以及两组未添加柔性聚丙烯纤维和未添加丁苯橡胶乳液的对照试验组，在其他条件相同的情况下进行纤维及外加剂对喷射性能的研究，试验结果见表7。
根据纤维及外加剂对喷射性能影响的测定试验结果分析得出，在其他条件不变的情况下，纤维及外加剂对喷射性能的影响主要体现在回弹率。无任何外加剂对照组的回弹率为31%（达到最高），且伴随喷射时出现骨料与胶凝材料桨体较为明显分离的现象。添加柔性聚丙烯纤维使回弹率下降5%，这是由于纤维的掺入可以增大混凝土黏稠性，可有效减小喷射混凝土的回弹率。丁苯橡胶乳液本身具有良好的黏结性，掺入混凝土使回弹率下降6%。两者协同作用，回弹率下降效果更为明显。分析纤维与外加剂对回弹率影响的试验结果，掺入适量的纤维和外加剂对喷射型多孔混凝土的喷射性能有较为明显的改善。
3结论
（1） 一次喷射厚度与喷射面材料有相关性，石墙喷射面的最大一次喷射厚度达到6.7 cm，木板喷射面的一次喷射喷厚度达到4.7 cm。
（2） 回弹率的大小与喷射面材料属性有较大关系，木板喷射面的回弹率明显高于石墙喷射面，木板喷射面的回弹率比石墙喷射面的回弹率试验结果高约10%。
（3） 喷射距离不变的情况下，在喷射风压 0.5～0.7 MPa区间内，回弹率随着喷射风压的增高有降低的趋势。喷射压力不变的情况下，在喷射距离1.0～1.5 m区间内，随着喷射距离的增大，回弹率呈现整体上升的趋势。
（4） 在相同条件下，柔性聚丙烯和丁苯橡胶乳液的添加分别使喷射型多孔混凝土回弹率下降5%和6%，二者协同作用下效果更佳，可使回弹率下降8%。
综合而言，消落区用喷射型多孔混凝土的喷射性能主要与受喷面材料有关，受喷面为石墙时喷射性能要优于木板，在实际喷射作用中可在受喷面上先喷一层混凝土打底。柔性聚丙烯纤维和丁苯橡胶乳液协同工作能够有效降低喷射型多孔混凝土的回弹率。喷射型多孔混凝土在施工时，控制喷射压力0.7 MPa，喷射距离1.0 m时，喷射效果较好。经过喷射性能的各项试验，优选的四组配合比中第二组配合比A2B2C2D2（设计孔隙率25%，水胶比0.38，柔性聚丙烯纤维掺量3%，丁苯橡胶乳液掺量8%）各项喷射性能表现最佳。
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（編辑：唐湘茜，张爽）
Study on spraying performance and construction technology of sprayed porous concrete for slope protection in reservoir drawdown area
CHENG Xi，LIU Xiaofan，CHEN Lin，CHEN Lingling
（School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430040，China）
Abstract：In order to promote the application of sprayed porous concrete in the slope protection of reservoir draw down area，the actual spraying test was carried out on the optimized mix ratio based on the orthogonal test and range analysis.The spraying performance and supporting construction technology of sprayed porous concrete in the treatment of water-level-fluctuating zone were studied，and the influence of flexible polypropylene fiber and styrene-butadiene rubber emulsion on the spraying performance of sprayed porous concrete was analyzed.The test results showed that the spraying thickness was related to the property of the spraying surface when the spraying wind pressure and spraying distance were constant，and the spraying thickness of the stone wall was greater than that of the wood board.The rebound rate of wood spray surface was obviously higher than that of stone wall spray surface.When the injection air pressure was 0.7 MPa and the injection distance was 1 m，the rebound rate reached the minimum.The addition of flexible polypropylene fiber reduced the rebound rate by about 5%，the addition of styrene butadiene rubber emulsion reduced the rebound rate by about 6%，and the synergistic action of both adding reduced by about 8%．
Key words：sprayed concrete； porous concrete； draw down area； spray performance； rebound rate
