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濕噴機制砂混凝土配合比設計

來源:劉洋、尚友磊、何奇(中鐵二局第四工程有限公司貴廣鐵路項目部)
時間:2015-08-22
摘要:噴射混凝土支護對隧道圍巖穩定有著不可替代的作用。根據新建貴廣高速鐵路多條隧道開挖支護濕噴混凝土的施工現狀及經驗,介紹了隧道初支過程中所用機制砂配制C25噴射混凝土的配合比設計選定、調整及現場試噴驗證過程,提出了濕噴機制砂混凝土在原材料的選用、配合比的選定、施工應用及施工要點中應注意的事項,并對應用效果給予了總結。
  關鍵詞:噴射混凝土;機制砂;配合比

  1 前言

  濕噴混凝土是借助噴射機械,利用壓縮空氣等動力將混凝土拌合物高速噴射到受噴面迅速凝結的一種混凝土;相比傳統干噴混凝土具有自密性好、揚塵少、回彈率低等優點。這種工藝特別在隧道這種作業面狹小、空氣不易流通的環境有較大的應用和推廣價值。新建貴廣高速鐵路隧道初期支護全采用C25濕噴混凝土,由于工程地處山區,混凝土所用骨料全部采用機制砂石。本文主要介紹隧道用C25濕噴機制砂混凝土配合比設計及應用情況。

  濕噴混凝土配合比設計包括室內配合比設計和現場試噴調整2個部分。前一部分是依據設計要求,按照常規配合比設計思路提出初步配合比、試拌、檢測;后一部分是以初步配合比為前提,通過現場試噴、調整、驗證確定理論配合比。這兩部分互為補充,缺一不可。

  2 原材料的選用

  各種原材料應在嚴格按照規范要求的基礎上本著經濟實用、就地取材的原則選用。

  2.1 水泥

  應優先采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,強度等級不宜低于42.5 MPa,其各種檢測指標均應合格;遇含有較高可溶性硫酸鹽地層或地下水地段,應按侵蝕類型和侵蝕程度采用相應的抗硫酸鹽水泥;骨料與水泥中的堿離子可能發生反應時,應選低堿水泥;噴射混凝土需要有較高的早期強度時,可選用硫鋁酸鹽水泥或其它早強水泥;有特殊要求時,應選用相應的特種水泥。

  根據設計要求、材料品質、經濟價值綜合考慮,本工程選用了42.5級普定明達牌普通硅酸鹽水泥。

  2.2 細骨料

  細骨料應采用堅硬耐久的中砂或粗砂,細度模數應大于2.5。砂中石粉含量(小于0.075 mm顆粒)不應大于20% ,泥塊含量不應大于0.5% 。由于工程地處貴州山區,山多河少,基本無河砂可用,故采用機制砂代替河砂。生產機制砂石材料所用母巖多為石灰巖,部分為白云巖;通過大量的生產實踐證明,采用反擊式破碎相比箱式破碎能獲得更好粒型的骨料。然而現場生產機制砂受生產工藝和施工用量等方面制約,質量控制中干擾因素較多,質量波動較大,控制較困難,因此所產機制砂多為粗砂,細度模數在3.1—3.4之間。自產機制砂各項檢查指標如表1,級配經工藝調整后滿足I區粗砂要求如圖1所示。



 ?。ㄗⅲ荷a機制砂和碎石的母材必須進行堿骨料反應的檢測,大量的試驗證明母材中含有活性二氧化硅,不但嚴重影響水泥石的耐久性,還對混凝土拌合物前期的工作性有嚴重制約,特別在使用堿性速凝劑的噴射混凝土中更應引起重視。)

  2.3 粗骨料

  粗骨料的最大粒徑不得大于噴射系統輸料管道最小斷面直徑的1/3—2/5;亦不宜超過一次噴射厚度的1/3,且最大粒徑不宜大于15 mm,骨料級配宜使用連續級配。含泥量不應大于1% ,泥塊含量不應大于0.25% 。該工程根據噴射機械、設計要求及以往經驗等綜合考慮決定選用5—10 mm連續級配碎石,最大粒徑14 mm。經試驗驗證所用碎石各項指標合格,級配為良好,如圖2所示。



  2.4 減水劑

  噴射混凝土是依賴噴射過程中水泥和骨料連續撞擊、壓密、自穩形成的混凝土。為了能最大限度吸收噴射時的沖擊能量,所用砂率應較普通混凝土高,但同時增大了原材料的總比表面積,提高了單方用水量。為了在保證混凝土強度的同時滿足低水灰比條件下混凝土拌合物的工作性,本次配合比特地添加了聚羧酸系高性能減水劑,經檢測各項性能指標合格,推薦摻量為1% 。但是在濕噴混凝土施工中,混凝土拌合物坍落度也不能過大,過大的坍落度將抑制速凝劑攻效的快速體現,影響噴射效果。經試驗驗證,最佳摻量取0.8% 。

  2.5 水

  混凝土用水應符合工程用水的有關標準,現場使用拌合用水為山泉水,檢測達到飲用水標準,滿足使用要求。

  2.6 速凝劑

  速凝劑在使用前應與水泥做相容性試驗和凝結時間試驗,嚴格控制摻量(過摻對噴射混凝土強度有負面影響);水泥凈漿初凝時間不應小于5 min,終凝時間不應大于10 min。通過上述2項試驗,我們從3種速凝劑中選用了成都強恒瑞液體速凝劑,該外加劑和明達水泥相容性好,各項檢測指標合格,28 d抗壓強度比為76% ,摻量3%時滿足使用要求。

  3 配合比的選定

  噴射混凝土應其施工工藝的特殊性,配合比選用應根據多種因素來考慮,既要滿足設計和相關規范要求,又要兼顧施工工藝的要求,并通過試噴來確定。著重應遵循以下幾點:

 ?。?)滿足設計的初期強度、長期強度、厚度等要求。噴射混凝土3 h強度應達到1.5 MPa,24 h強度應達到10.0 MPa;

 ?。?)濕噴混凝土的膠凝材料用量不宜小于400 kg/m3;

 ?。?)水膠比宜為0.40—0.50;膠骨比宜為1:4—1:5;骨料砂率宜為45%—60%;

 ?。?)混凝土拌合物進入濕噴機前工作性能良好,輸料順暢,不堵管;

 ?。?)盡量減小回彈率。其回彈量:邊墻不應大于15,拱部不應大于25%;

 ?。?)與圍巖面要有良好的粘結力。

  3.1 初步配合比擬定

  該部分主要是室內試驗,初步擬定各原材料單方用量、調整拌合物的工作性、對比速凝劑對強度的影響、達到適配強度,滿足試噴條件。

  3.1.1 確定試配強度

  按常規混凝土配合比配制強度思路確定噴射混凝土配制強度:

  fcu,0≥fcu,k+1.645σ

     ≥25+1.645×3

     ≥29.9 MPa     (1)

  式中:fcu,0——計算用噴射混凝土配制強度(MPa);

     fcu,k——混凝土設計強度(混凝土立方體抗壓強度標準值)(MPa);

     σ——實配混凝土強度標準差(MPa),取3 MPa。

  根據試驗,速凝劑對混凝土強度有削弱作用,且噴射混凝土是氣壓下自密混凝土,與普通混凝土成型方式不同,因此試配未添加速凝劑前的混凝土應提高其試配強度:


  fcu,0fcu,0/· β


     29.9÷0.76×1.15


     ≥45.2 MPa     (2)


  式中:fcu,0——計算用未加速凝劑前混凝土配制強度(MPa);

     R——速凝劑28 d抗壓強度比(76%)(見本文2.6);

     β— — 標準成型試件對比自密混凝土系數(取經驗值1.15)。

  3.1.2 選取水灰比

  通過保羅米公式計算得室內試配基準水灰比為0.44,以0.02增減試拌3個水灰比(計算過程略)。

  3.1.3 選取砂率

  合理的砂率應是砂漿的數量能填滿石子的空隙,并稍有多余,能將石子隔開;通過緊密密度法(按不同砂率摻配后對比骨料的緊密密度)和電子級配合成圖等方法確定最佳砂率為48%??紤]到噴射混凝土適當增大砂率能降低回彈率,但機制砂相對于河砂其粒型棱角過多,小于0.075 mm顆粒所占比例更大,原材料總比表面積相應也更大,需要更多的水泥漿體對它們進行包裹,對混凝土拌合物的工作性和經濟性就有較大影響。因此在配合比選用時應考慮在傳統噴射混凝土大砂率的基礎上適當控制砂率,以保證混凝土優質的工作性。本次配合比每個水灰比擬取48%、52%、56%3個砂率進行試配。

  3.1.4 單方用水量

  由于濕噴混凝土采用了較高的膠凝材料,且機制砂混凝土石粉含量及粒型對混凝土單方用水量有較大影響(見2.4、3.1.3),通過進行大量的 昆凝土試拌對比,發現機制砂石粉含量的對混凝土的工作性能起著絕對性的作用,且能彌補機制砂細度模數偏大帶來的影響。石粉為15%時混凝土工作性能最好,但當石粉含量超過10%后用水量增大比較明顯,否則坍落度和擴展度會降低。經試驗,在使用材料不變、保持坍落度不變的情況下,機制砂石粉含量與用水量的關系如表2、圖3所示。




  根據圖3石粉含量與用水量的關系及以往經驗取單方用水量為185 kg。

  3.1.5 試拌配合比

  用體積法計算出不同水灰比和不同砂率下各組份材料用量并進行試拌,試驗記錄各配比拌合物坍落度、流動性、保水性等工作性及力學性能,為確定配合比提供依據,如表3所示。



  3.2 配合比試噴調整

  在噴射混凝土施工中,混凝土的回彈是不可避免的,鑒于材料的特殊性,粒徑越大的骨料顆粒越容易發生回彈,使得噴射后混凝土成分和最初拌合時混凝土成分不太一致。因此,噴射混凝土配合比設計與普通混凝土配合比設計最大的區別就在于噴射混凝土配合比要通過現場試噴來確定,并試行出一套現場可行的施工流程。

  從施工標段內選取一處與隧道內施工條件、水文、地質相似的巖壁,按照濕噴工藝流程進行了9種不同配合比的試噴,分別記錄了它們的回彈率、早期強度、粘結力,并制取了大板試件。

  3.3 確定配合比

  通過對混凝土拌合物工作性、坍落度、1 d強度、28 d強度、28 d現場鉆芯強度、粘結力、附著能力、回彈率、經濟性這9個指標進行比較,選出最佳配合比(如表3)。


  對以上數據具體分析如下:

  配合比1:拌合物坍落度過大,速凝劑效果不能快速體現,混凝土拌合物的附著力失效,粗骨料因自重、氣壓、二次噴射撞擊而大量脫落;回彈量很大,不經濟。

  配合比2:鑒于噴射混凝土受材料、施工操作影響因素較大,該配合比1 d強度和28 d鉆芯強度保證率低,其拌合物坍落度偏大,回彈率高。

  配合比3:砂率偏大,由于機制砂棱角過多,容易造成輸送管路堵塞;28 d鉆芯強度不高,回彈量偏大。

  配合比4:混凝土拌合物過稀,坍落度偏大,回彈量大。

  配合比5:各項數據均滿足設計及規范要求,回彈率低且容易施工,效果明顯。

  配合比6:混凝土工作性較差,拌合物輸送困難,相較于配合比5回彈率高、粘結力差。

  配合比7:單方水泥用量過高,不經濟,且相較于配合比5回彈率高。

  配合比8:單方水泥用量過高,不經濟;和易性較差,不便于施工。

  配合比9:混凝土拌合物幾乎無工作性,輸送困難;拌合物凝結過快,附著能力下降,后噴的混凝土無法有效嵌人到前一層混凝土當中,增大了回彈量,并造成混凝土凝固后內部空洞偏多,強度不均勻,有質量隱患;與巖石的附著力差,單方成本過高。

  經綜合比較,從滿足設計要求、保證質量、可操作性、經濟效益等方面綜合考慮,確定配合比5為本次C25濕噴機制砂混凝土配合比。其水灰比為0.44,砂率為52%,單方用水量為185 kg,減水劑摻量0.8% ,速凝劑摻量3%。

  4 施工應用及要點

  在斗篷山隧道初期支護過程中,結合現場施工使用,對該配合比實用性進行了驗證,各項指標均滿足施工技術要求,現場反映良好。

  4.1 應用效果

  (1)揚塵量極小,能見度好,有利于施工和現場人員身體健康。

  (2)噴射過程中混凝土回彈量小,沒有堵管、混凝土剝落和掉塊現象。因此返工量少,節省了工時,操作人員反映良好。

  (3)噴射混凝土表面輪廓平順無麻 無碎石外露。

  (4)通過實體鉆芯取樣,芯樣表面各組分顆粒排列均勻,空洞較少;且不同位置所取芯樣強度值相差較小,表明噴射混凝土強度較為均勻,如圖4所示。



  4.2 注意事項

  基于噴射混凝土容易受各種條件因素的影響,施工人員應根據材料情況、機械性能、作業環境、工作面條件、噴射距離、噴射角度等情況及時調整,科學施工。在現場施工配合比調整方面,應注意以下幾點。

  (1)嚴格控制原材料質量,特別是機制砂的質量。用于加工機制砂的母巖,不應具有潛在堿一集料反應活性,抗壓強度應大于所設計的混凝土強度等級1.5倍,且不宜低于80 MPa;宜使用質地堅硬、潔凈、無風化及無軟弱顆粒的石灰巖、白云巖、石英巖、花崗巖和玄武巖等生產機制砂,不宜使用頁巖、泥巖、板巖等生產機制砂;由于機制砂生產中影響因素很多,顆粒級配相比河砂波動較大、棱角更多,噴射混凝土又屬于高砂率混凝土,所以機制砂的質量對混凝土拌合物工作性影響很大。因此在施工中應隨時關注機制砂的質量變化,在理論配合比的基礎上適當調整砂率,使其達到最好的工作效果。

  (2)在受噴面上首次噴射混凝土時,經常由于時受噴面剛度過大,導致混凝土回彈量很大。為了避免這種狀況,可以考慮在初噴時先噴一層強度稍高一點的水泥砂漿以增加受噴面的柔性,來減少回彈率。

  (3)在大批量噴射作業時,用于拱部噴射的混凝土應適當增加砂率,反之向下噴射施工時可適當減小砂率。

  5 結語

  濕噴混凝土廣泛應用于隧道工程,對隧道圍巖及時封閉和施工安全有不可忽視的作用。在施工過程中影響噴射混凝土質量的因素有很多,而配合比設計在其中尤為重要。因此在配合比選定過程中應抓好每一個環節,特別重視試噴驗證這個過程,認真采集數據、綜合分析,選出最佳配合比。隨著經濟大力發展,對基礎設施建設投入的進一步加大,而河砂資源的日益匱乏,濕噴機制砂混凝土因其經濟性、實用性是噴射混凝土可持續發展的必然選擇,我們的工作還任重而道遠。

  參考文獻:

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  [4] TB 10753—2010高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準[s].

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編輯:金哲

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