巖土工程師輔導(dǎo)：隧道工程噴射混凝土施工

　　摘要：介紹了施工原材料的控制與噴射擊混凝土配合比的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)的措施。

　　關(guān)鍵詞：噴射混凝土;回彈率和粉塵率;質(zhì)盆控制

　　0、前言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量的新材料、新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)不斷應(yīng)用于工程中，同時(shí)，隧道施工技術(shù)也在超長(zhǎng)、大跨度、防水、穿過(guò)不良地層等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，涌現(xiàn)出了大量的科技成果。錨噴構(gòu)筑法在技術(shù)上有采用速度較快，支護(hù)及時(shí)、支護(hù)質(zhì)量較好、強(qiáng)度高、密實(shí)度好、防水性能較好;省工、操作較簡(jiǎn)單，支護(hù)工作量減少;施工靈活性很大，可以根據(jù)需要分次噴射混凝土追加厚度，滿足工作設(shè)計(jì)與要求等優(yōu)點(diǎn)。

　　在國(guó)內(nèi)，一些國(guó)際招標(biāo)的大型水利工程中，如二灘水電站，黃河小浪底工程，三峽工程等，均是采用濕式混凝土噴射作業(yè)。國(guó)內(nèi)目前使用的各種濕式混凝土噴射機(jī)多是從國(guó)外引進(jìn)的設(shè)備。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些單位也開(kāi)發(fā)研制出幾種濕式混凝土噴射機(jī)，但生產(chǎn)規(guī)模尚有待擴(kuò)大。濕式混凝土噴射機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)有四個(gè)。

　　(1)濕法：作業(yè)大大降低了機(jī)旁和噴嘴外的粉塵濃度，消除了對(duì)工人健康的危害。

　　(2)生產(chǎn)率高。干式混凝土噴射機(jī)工作效率一般不超過(guò)5擴(kuò)/h.而使用濕式混凝土噴射機(jī)人工作業(yè)時(shí)可達(dá)10m’/h，采用機(jī)械手作業(yè)時(shí)，則可達(dá)20擴(kuò)/h，

　　(3)回彈度低。千噴時(shí)，混凝土回彈度可達(dá)15%~50%.采用濕噴技術(shù)回彈率可降低到10%以下。

　　(4)濕噴時(shí)，由于水灰比易于控制，混凝土水化程度高，故可大大改善噴射混凝土的品質(zhì)，提高混凝土的勻質(zhì)性，而干噴時(shí)，混凝土的水灰比是由噴射手根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及肉眼觀查來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，混凝土的品質(zhì)在很大程度上取決于機(jī)手操作正確與否。

　　1、施工工藝與原材料的控制

　　1.1 施工工藝

　　噴射前，應(yīng)將巖面沖洗千凈，并將表面軟弱破碎巖石清掃干凈。噴射作業(yè)應(yīng)分區(qū)段進(jìn)行，長(zhǎng)度一般不超過(guò)6二，噴射順序應(yīng)自下而上。后一次噴射應(yīng)在前一次混凝土終凝后進(jìn)行，若終凝后1h以上再次噴射，應(yīng)用風(fēng)水清洗混凝土表面。邊墻一次噴射厚度4~6cm，拱部則為2-4em，噴射2一4h后應(yīng)灑水養(yǎng)護(hù)，一般養(yǎng)護(hù)7一14d，混凝土噴射后至下一循環(huán)放炮時(shí)間，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定，一般不小于4h，放炮后應(yīng)對(duì)混凝土進(jìn)行檢查，如出現(xiàn)裂紋，應(yīng)調(diào)整放炮間隔時(shí)間或爆破參數(shù)。

　　1.2 原材料控制

　　(1)拌和用水：工程中多以飲用水作為拌和用水，而pH值小于4的酸性水和含硫酸鹽量(SO4，一)超過(guò)水量1%的水，含有影響水泥正常凝結(jié)與硬化的有害物質(zhì)的水均不得使用。

　　(2)水泥：為保證噴射混凝土的凝固時(shí)間及與速凝劑的相溶性，所用水泥應(yīng)具有強(qiáng)度高、抗?jié)B性和耐久性好，應(yīng)優(yōu)先選用4S5，以上的普通硅酸鹽水泥，其次選用礦渣硅酸鹽水泥和火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥。在地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道中應(yīng)采用早強(qiáng)水泥，使用前應(yīng)做強(qiáng)度鑒定實(shí)驗(yàn)，水泥存放時(shí)嚴(yán)禁受潮和結(jié)塊，也不得把不同規(guī)格、不同廠家的水泥混合使用。

　　(3)骨料：混凝土的強(qiáng)度除了取決于骨料的強(qiáng)度外，還取決于水泥漿與骨料的粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)骨料的表面越粗糙界面粘結(jié)強(qiáng)度越高，因此用碎石比用卵石好。實(shí)驗(yàn)表明在一定范圍內(nèi)骨料粒徑越小，分布越均勻混凝土強(qiáng)度越高，骨料最大粒徑地減少不僅增加了骨料與水泥漿的粘結(jié)面積，而且骨料周圍有害氣體減少，水膜減薄，容易拌和均勻，從而提高了混凝土的強(qiáng)度。

　　(4)活性：摻和料：水泥水化是一個(gè)逐步發(fā)展的過(guò)程，在28d的齡期中，水泥的實(shí)際利用率僅占60%一70%，而另外的未水化的水泥中的Ca0后期遇水后生成Ca(OH)2，產(chǎn)生體積膨脹，給后期強(qiáng)度帶來(lái)不利影響，利用活性摻和料代替部分未水化的水泥，不僅可以降低成本，最主要的是可以利用活性材料中的活性成分(主要是Si02與A403)與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)：進(jìn)行二次反應(yīng)，生成含水硅酸鈣與含水鋁酸鈣，新生成的水化產(chǎn)物不僅提高了噴射混凝土的強(qiáng)度和致密性，而且提高了其抗凍、抗?jié)B、抗腐蝕等性能，這一類活性摻和料主要是粉煤灰和沸石粉，摻量約為水泥重量的10%-20%.

　　(5)外加劑：為了降低用水量、降低回彈率和粉塵率，使噴射混凝土早凝早強(qiáng)，必須使用外加劑。應(yīng)采用符合質(zhì)量要求并對(duì)人體危害性很小的速凝劑，摻加速凝劑之前，應(yīng)做速凝劑與水的相溶性實(shí)驗(yàn)及水泥凈漿速凝效果實(shí)驗(yàn)，注意速凝劑效果實(shí)驗(yàn)，初凝時(shí)間不應(yīng)大于5min，終凝時(shí)間不應(yīng)大于10min，保持速凝劑干燥勿受潮變質(zhì)，在噴射混凝土中添加速凝劑的目的是使噴射混凝土滿足設(shè)計(jì)要求，促進(jìn)早強(qiáng)。一般速凝劑最佳摻量約為水泥重量的2%一4%，實(shí)際使用時(shí)拱部可利用2%-4%，邊墻可用2%，過(guò)多的摻量對(duì)噴射混凝土反而不利，這是因?yàn)樗倌齽╇m然加速了噴射混凝土的凝結(jié)速度，但也阻止了水在水泥中的均勻擴(kuò)散，使部分水包裹在凝結(jié)的水泥中，硬化后形成氣孔，另一部分水泥因而得不到充足的水分進(jìn)行水化反應(yīng)而干縮，從而產(chǎn)生裂紋。另外速凝劑摻人應(yīng)均勻。

　　2、噴射混凝土配合比的設(shè)計(jì)與控制要點(diǎn)

　　噴射混凝土的配合比不同于普通混凝土的配合比，需要根據(jù)其施工工藝來(lái)選擇，主要講述C，噴射混凝土潮噴法的配合比的設(shè)計(jì)方法。為了減少回彈量需要較高的砂率，砂率增加意味著集料的總面積增加，這就要求用更多的水泥來(lái)包裹集料表面，以滿足噴射混凝土的強(qiáng)度要求，水泥用量越大，噴射混凝土就越容易干縮、開(kāi)裂，同時(shí)成本也增加。因此首先確定水泥用量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)水泥用量宜為375一450kg/m;，其次確定砂率，宜選用粗砂或中砂，砂率宜為45%一55%，砂率過(guò)高或過(guò)低易造成堵管，再次確定水灰比，水灰比宜為0.4-0.5，水灰比過(guò)小會(huì)產(chǎn)生粉塵，回彈量大，粘結(jié)力低，噴層會(huì)產(chǎn)生干斑，砂窩等現(xiàn)象，水灰比過(guò)大會(huì)造成強(qiáng)度低、速凝效果差，噴層流淌、滑移、坍落等現(xiàn)象，另外要注意根據(jù)施工環(huán)境的溫度，周圍巖壁類別、施工隊(duì)伍的施工水平做相應(yīng)的調(diào)整。

　　研究超塑化劑、硅灰、速凝劑和摻人火山灰或礦渣硅酸鹽水泥的復(fù)合作用，用濕噴法生產(chǎn)高性能噴射混凝土(HPS)具有下列優(yōu)點(diǎn)：(1)堿腐蝕性低;(2)工作性高和坍落度損失低;(3)回彈率低;(4)早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度高;(5)耐久性強(qiáng)。

　　2.1 材料和配合比

　　2.1.1 水泥

　　高強(qiáng)硅酸鹽水泥由于水化速度較快，用于做噴射混凝土性能一般優(yōu)于混合水泥。火山灰和礦渣硅酸鹽水泥具有耐久性高，水化熱低，對(duì)裂縫自收縮和干縮有較好性能?；鹕交宜嘀锌捎?5%粉煤灰替代硅酸鹽水泥;礦渣水泥中可用50%礦渣取代硅酸鹽水泥。

　　2.1.2 硅灰

　　使用加密硅灰以改善對(duì)基材的粘結(jié)力和減少集料回彈。

　　2.1.3 超塑化劑

　　使用市售的質(zhì)量濃度為30%的液體淡基丙烯酸醋(CAE)為超塑化劑，生產(chǎn)水灰比為0.42一0.44，坍落度為210-220mm流動(dòng)性混凝土。也可采用聚磺酸鹽系高效減水劑。

　　2.1.4 速凝劑

　　用兩種不同的市售速凝劑，一種常用速凝劑是硅酸鈉(30%)，另一種無(wú)堿速凝劑是以從(SO4)，為主要成分的水溶液(60%)，當(dāng)使用后者時(shí)，由于無(wú)堿降低了在施工過(guò)程中堿性腐蝕的危險(xiǎn)。

　　2.1.5 集料

　　使用細(xì)砂(0一4mm)，粗砂(4一6mm)，石子(6一8mm)三者的體積比為65%，30%，5%.

　　2.1.6 混凝土配比

　　配制兩種未摻速凝劑的基準(zhǔn)對(duì)比拌合物，它們的主要區(qū)別在于水泥品種(42.5火山灰水泥和42.5礦渣水泥)每種混凝土拌合30min，在噴嘴處加人不同的速凝劑(水玻璃或無(wú)堿速凝劑)的摻量分別為水泥量的8%-12%或6%一7%，

　　2.2 試驗(yàn)結(jié)果

　　由于使用超塑化劑，50min之內(nèi)的坍落度損失可以忽略不計(jì)，這意味著在噴嘴處加人速凝劑之前坍落度損失可忽略不計(jì)，以可靠方式供給噴射設(shè)備的泵送混凝土的工作性能好，噴射混凝土產(chǎn)量可達(dá)20m;/ho在規(guī)定超塑化劑摻量為1%一2%時(shí)，盡管礦渣水泥混凝土的W/C稍低于火山灰水泥混凝土，其初始坍落度(220mm)還是稍高于火山灰水泥混凝土坍落度(210mm)在無(wú)筋隧道內(nèi)施工，由于復(fù)合有超塑化劑、硅灰和速凝劑，拌合物粘結(jié)性好，研究的所有噴射混凝土的回彈率僅僅為2%一3%.

　　3、噴射混凝土養(yǎng)護(hù)措施

　　養(yǎng)護(hù)是噴射混凝土施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在正常養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土強(qiáng)度隨齡期延長(zhǎng)而增大，其原因是由于膠凝材料的水?dāng)嗨?。而水化速度與環(huán)境溫度和濕度有關(guān)，由于經(jīng)常放炮和通風(fēng)不良導(dǎo)致隧道內(nèi)的溫度較高，噴射混凝土周圍的空氣相對(duì)來(lái)說(shuō)比較干燥，加上水化熱引起的混凝土內(nèi)部溫度較高，將使其表面水分很快就蒸發(fā)掉，進(jìn)而引起水石“毛細(xì)管”中水分繼續(xù)蒸發(fā)。噴射混凝土中水泥與水接觸的時(shí)間短且范圍有限，與普通混凝土相比水泥水化的程度更低。噴射混凝土的凝結(jié)過(guò)程也是水泥進(jìn)一步水化的過(guò)程，水泥的水化反應(yīng)必須在有水的條件下才能發(fā)生，水泥水化因?yàn)樗嗍鄙偎植荒芾^續(xù)進(jìn)行，還因毛細(xì)管引力作用在混凝土中引起收縮，此時(shí)的噴射混凝土強(qiáng)度還很低，收縮引起的拉應(yīng)力將使混凝土開(kāi)裂，破壞了混凝土結(jié)構(gòu)，影響混凝土強(qiáng)度的繼續(xù)增長(zhǎng)，而且停止水化使水化物不能進(jìn)一步向水泥石的毛細(xì)孔填充，還將影響混凝土的抗?jié)B性。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　噴射混凝土在隧道施工中應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，噴射混凝土的質(zhì)量直接影響著結(jié)構(gòu)受力、防護(hù)、耐久性等情況，所以對(duì)噴射混凝土施工，必須按質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求，通過(guò)各種措施強(qiáng)化質(zhì)量意識(shí)，加強(qiáng)質(zhì)量管理，制定操作規(guī)程，使噴射混凝土在隧道防護(hù)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

更多內(nèi)容訪問(wèn)>> 注冊(cè)土木工程師(巖土)考試頻道   注冊(cè)土木工程師(巖土)考試論壇  巖土工程師課程試聽(tīng)

·2010年注冊(cè)土木工程師（巖土）考試輔導(dǎo)招生簡(jiǎn)章
·巖土工程師輔導(dǎo)現(xiàn)在報(bào)名任意專業(yè)知識(shí)贈(zèng)送專業(yè)知識(shí)習(xí)題班
·老師輔導(dǎo)每天24小時(shí)不限時(shí)間隨時(shí)反復(fù)學(xué)習(xí)……