湿喷机制砂混凝土配合比设计.pdf

日 2 0 1 2年 2月 第 3卷 第 1 期 高速铁路技术 HI GH S P EE D RAI L WAY T E CHNOL OG Y No 1， Vo 1 3 F e b 2 01 2 文章编号 ：l 6 7 4 8 2 4 7 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 5 2 0 5 湿喷机制砂混凝土配合 比设计 刘 洋 尚友磊何奇 ( 中铁二局第四工程有限公司贵广铁路项目部， 都匀 5 5 8 0 0 3 ) 摘要： 喷射混凝土支护对隧道围岩稳定有着不可替代的作用。根据新建贵广高速铁路多条隧道开挖支护 湿喷混凝土的施工现状及经验， 介绍了隧道初支过程中所用机制砂配制 C 2 5喷射混凝土的配合 比设计选定 、 调整及现场试喷验证过程， 提出了湿喷机制砂混凝土在原材料的选用、 配合比的选定 、 施工应用及施工要点 中应注意的事项， 并对应用效果给予了总结。 关键词： 喷射混凝土； 机制砂；配合比 中图分类号： U 4 1 4 1 8 文献标识码 ： B M i x i n g Pr o p o r t i o n De s i g n f o r Co n c r e t e wi t h W e t S p r a y e d M a c h i n e m a d e S a n d L I U Ya n g S HA NG Yo u - l e i HE Qi ( G u i y a n g G u a n g z h o u R a i l w a y P r o j e c t D e p t ， T h e 4 t h E n g i n e e ri n g L i m i t e d C o m p a n y o f C h i n a R a i l w a y N o 2 E n g i n e e r i n g G r o u p C o ， L t d ， D u y u n 5 5 8 0 0 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t： S h o t c r e t e s u p po r t i s i r r e p l a c e a b l e f o r t h e s t a b i l i t y o f t u n ne l s u rro u n d i n g r o c k s Ba s e d o n t h e wo r ki ng c o n d i t i o n a n d e x p e ri e n c e s a c q u i r e d f r o m t u n n e l s h o t c r e t e s u p p o rt i n t h e n e w l y b u i l t G u i y a n g G u a n g z h o u r a i l w a y p r o j e c t ， t h e d e s i g n a l t e r n a t i v e s a n d a d j u s t me n t f o r c 2 5 s h o t c r e t e m i x i n g p r o p o rt i o n w i t h m a c h i n e - -ma d e s a n d a n d i t s i n s i t u t e s t fo r t u n n e l i n i - t i a l s u p p o r t i n g pr o c e s s i o n a r e d e s c rib e d i n t he p a p e r I t p o i n t s o u t t h e k n o wh o w o f c h o o s i n g r a w ma t e ria l s ，d e t e r mi n i n g mi x i n g p r o po rti o n，a n d v i t a l p o i nt s i n a p p l i c a t i o n a nd c o n s t r uc t i o n a nd f i n a l l y t he a p p l i c a t i o n e f f e c t s a r e a l s o s u mma - r i z e d Ke y wo r d s： s h o t c r e t e；ma c h i n e ma d e s a n d；mi x i n g p r o po r t i o n 1 前言 湿喷混凝土是借助喷射机械 ， 利用压缩空气等动 力将混凝土拌合物高速喷射到受喷面迅速凝结的一种 混凝土 ； 相 比传统干喷混凝土具有 自密性好 、 扬尘少 、 回弹率低等优点。这种工艺特别在隧道这种作业面狭 小 、 空气不易流通 的环境有 较大的应用 和推广价值。 新建贵广高速铁路 隧道初期 支护全采用 C 2 5湿喷混 凝土 ， 由于工程地处山区， 混凝土所用骨料全部采用机 制砂石。本文主要介 绍隧道用 C 2 5湿 喷机制砂混凝 土配合 比设计及应用情况 。 收稿 日期 ： 2 O l 1 - 0 8 - 1 5 作者简介 ： 刘洋( 1 9 8 0 - ) ， 男 ， 助理工程师 。 湿喷混凝土配合 比设计包括室 内配合比设计和现 场试喷调整 2个部分。前一部分是依据设计要求 ， 按 照常规配合 比设计思路 提出初步配合 比、 试拌、 检测 ； 后一部分是以初步配合 比为前提 ， 通过现场试 喷 、 调 整、 验证确定理论 配合 比。这两 部分互为补充 ， 缺一 不可。 2 原材料的选用 各种原材料应在严格按照规范要求的基础上本着 经济实用 、 就地取材的原则选用。 2 1 水 泥 应优先采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 ， 强度 等级不宜低于 4 2 5 MP a ， 其各种检测指标均应合格 ； 遇含有较高可溶性硫酸盐地层或地下水地段 ， 应按侵 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 刘洋 ， 等： 湿喷机制砂混凝土配合 比设计 2 0 1 2年2月 蚀类型和侵蚀程度采用相应的抗硫 酸盐水泥 ； 骨料 与 水泥 中的碱离子可能发生反应时 ， 应选低碱水泥 ； 喷射 混凝土需要有较高的早期强度时 ， 可选用硫铝酸盐水 泥或其它早强水泥 ； 有特殊要求时 ， 应选用相应的特种 水泥 。 根据设计要求 、 材料品质、 经济价值综合考虑 ， 本 工程选用 了4 2 5级普定明达牌普通硅酸盐水泥。 2 2细骨料 细骨料应采用坚硬耐久 的中砂 或粗砂 ， 细度模数 应大于 2 5 。砂 中石粉含量 ( 小于 0 0 7 5 m m颗粒 ) 不 应大于 2 0 ， 泥块含量不应大于 0 5 。 由于工程 地 处贵州山区， 山多河少 ， 基本无河砂可用 ， 故采用机 制 砂代替河 砂。生产 机制砂 石材料所用母 岩多为石灰 岩 ， 部分为 白云岩 ； 通过大量 的生产实践证 明 ， 采用反 击式破碎相 比箱式破碎能获得更好粒型的骨料。然而 现场生产机制砂受生产工艺和施工用量等方 面制约 ， 质量控制中干扰因素较多 ， 质 量波动较 大， 控制较 困 难 ， 因此所产机制砂多为粗砂 ， 细度模数在 3 13 4 之间。自产机 制砂各项检查 指标 如表 1 ， 级配经工 艺 调整后满足 I区粗砂要求如图 1 所示。 表 1 机制砂检查指标表 试验项 目 试验结果 表观密度 P ( k g m ) 2 7 5 0 堆积密度 P 1 ( k g m ) 1 6 o 0 堆积空隙率” ( ) 4 2 紧密密度 P 0 ( k m ) 1 7 8 0 紧密空隙率 ( ) 3 5 l M B值 O 3 5 石粉含量 I M B 2 5 +1 6 453 I2 9 9 MP a ( 1 ) 式中 。 计算用喷射混凝土配制强度( M P a ) ； 混凝土设计强度 ( 混凝土立方体抗压强 度标准值 ) ( MP a ) ； 实配混凝土强度标准差 ( MP a ) ， 取 3 M P a 。 根据试验 ， 速凝剂对混凝土强度有削弱作用 ， 且喷 射混凝土是气压下 自密混凝 土 ， 与普通混凝土成型方 式不 同， 因此试配未添加速凝剂前的混凝土应提高其 试配强度 ： 卢 12 9 90 7 61 1 5 t4 5 2 MP a ( 2 ) 式中 计算用未加速凝剂前混凝土配制强度 ( MP a ) ； 尺速凝剂 2 8 d抗压强度 比( 7 6 ) ( 见本文 2 6 ) ； 标准成型试件对 比自密混凝土系数 ( 取经 验值 1 1 5 ) 。 3 1 2 选取水灰比 通过保罗米公式计算 得室 内试配基 准水灰 比为 0 4 4， 以 0 0 2增减试拌 3个水灰比( 计算过程略) 。 3 1 3 选取砂率 合理的砂率应是砂浆 的数量能填满石子 的空 隙， 并稍有多余， 能将石子隔开； 通过紧密密度法( 按不同 砂率掺配后对 比骨料的紧密密度) 和 电子级配合成图 等方法确定最佳砂率为 4 8 。考虑到喷射混凝土适 当增大砂率能降低回弹率， 但机制砂相对于河砂其粒 型棱角过多 ， 小于 0 0 7 5 mm颗粒所 占比例更大， 原材 料总比表面积相应也更大 ， 需要更 多的水泥浆体对它 们进行包裹 ， 对混凝土拌合物的工作性和经济性就有 较大影响。因此在配合 比选用时应考虑在传统喷射混 凝土大砂率的基础上适 当控制砂率 ， 以保证混凝土优 质的工 作 性 。本 次 配 合 比每 个 水 灰 比拟 取 4 8 、 5 2 、 5 6 3个砂率进行试配。 3 1 4 单方用水量 由于湿喷混凝土采用 了较高的胶凝材料 ， 且机制 砂混凝土石粉含量及粒型对混凝土单方用水量有较大 影响 ( 见 2 4 ： 3 1 3 ) ， 通过进行大量 的 昆凝土试拌对 比， 发现机制砂石粉含量 的对混凝土的工作性能起着 绝对性的作用 ， 且能弥补机制砂细度模数偏 大带来 的 影响。石粉为 1 5 时混凝土工作性能最好 ， 但当石粉 含量超过 1 0 后用水量增大 比较明显 ， 否则坍落度和 扩展度会降低。经试验， 在使用材料不变、 保持坍落度 不变的情况下 ， 机制砂石粉含量 与用水量 的关系如表 2 、 图 3所示。 薹 图3 石粉含量与用水量关系图 根据图 3石粉含量与用水量 的关系及 以往经验取 单方用水量为 1 8 5 k g 。 3 1 5 试拌配合比 用体积法计算出不同水灰 比和不同砂率下各组份 材料用量并进行试拌 ， 试验记录各配 比拌合物坍落度 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 刘洋， 等： 湿喷机制砂混凝土配合比设计 2 0 1 2年 2月 流动性、 保水性等工作性及力学性能， 为确定配合比提 供依据， 如表3 所示。 表 2 石粉含量与混凝土工作度关系表 石粉含量 单方用水量 坍落度 工作度 坍落度测试坍塌示意图 备注 ( ) ( k g ) ( mm) 差 ， 表面粗糙 ， 中部骨料堆 积裸露 ， 浆裹 。 4 1 4 4 2 o o 料不均， 离析严重坍塌边缘严重泌水， 无黏聚性 较差 ， 表面粗糙 ， 顶部有少量 碎石裸露 ， 胶凝 材 料 均 为 7 1 4 8 2 0 0 边缘有少量泌水 ，黏聚性较差 一 般 ， 浆 能 裹料 ， 拌 合 物 较 均匀 ， 无 泌 3 6 0 k g m 外加剂掺量 1 1 0 1 5 1 2 0 0 水 ，黏聚性较好 1 5 1 5 7 2 o 0 较好 ， 浆料均匀 ， 无泌水 ， 黏聚性强 表 3 湿喷机 制砂混凝土初步配合 比参数统计表 混凝土性能 配合 比 1 配合 比 2 配合 比 3 配合 比4 配合 比5 配合 比6 配合 比 7 配合 比 8 配合 比 9 水灰 比 0 4 6 0 4 4 0 4 2 砂率 ( ) 4 8 5 2 5 6 4 8 5 2 5 6 4 8 5 2 5 6 工作性 好 好 较好 很好 好 一般 较好 一般 差 坍落度 2 1 5 1 6 5 1 2 0 1 7 0 1 3 0 8 5 1 4 0 9 5 3 5 附着能力 差 一般 较好 一般 好 较好 好 较好 较差 拱顶回弹率( ) 2 7 2 2 2 9 1 4 4 2 1 4 1 2 3 l 5 O 1 4 5 l 1 8 2 3 7 边墙 回弹率 ( ) 1 5 8 1 2 9 8 1 9 2 7 5 8 3 8 5 7 5 1 4 3 1 d强度 1 1 2 1 O 4 l O 9 1 1 7 l 1 6 1 0 6 1 3 6 1 3 2 1 4 1 2 8 d强度 3 0 1 2 9 6 3 1 0 3 5 2 3 3 6 3 3 8 4 1 4 4 0 7 3 8 5 钻芯强度 2 8 7 2 5 3 2 5 9 3 2 7 3 2 2 3 1 3 3 6 9 3 6 3 2 9 7 粘结力 1 5 1 6 1 5 1 7 1 7 1 6 1 9 1 8 1 4 经济性 ( 水泥用量 ) 4 0 2 4 0 2 4 0 2 4 2 0 4 2 0 4 2 0 440 4 4 0 4 4 0 3 2配合比试喷调整 在喷射混凝土施 工中， 混凝 土的回弹是不可避免 的 ， 鉴于材料的特殊性 ， 粒径越大的骨料颗粒越容易发 生回弹 ， 使得喷射后混凝土成分和最初拌合时混凝土 成分不太一致。因此 ， 喷射混凝土配合 比设计与普通 混凝土配合比设计最大的区别就在于喷射混凝土配合 比要通过现场试喷来确定 ， 并试行 出一套现场可行的 施工流程 。 从施工标段内选取一处与隧道 内施工条件 、 水文 、 地质相似的岩壁 ， 按照湿 喷工艺流程进行了 9种不 同 配合比的试喷， 分别记录了它们的回弹率、 早期强度、 粘结力 ， 并制取了大板试件 。 3 3 确定配合比 通过对混凝土拌合物工作性、 坍落度、 1 d强度、 2 8 d强度、 2 8 d现场钻芯强度 、 粘结 力、 附着 能力 、 回 弹率、 经济性这 9个指标进行比较， 选出最佳配合比 ( 如表 3 ) 。 对以上数据具体分析如下： 配合 比 1 ： 拌合物坍落度过大 ， 速凝剂效果不能快 速体现 ， 混凝土拌合物 的附着力失效 ， 粗骨料因 自重 、 气压、 二次喷射撞击而大量脱落 ； 回弹量很大， 不经济。 配合比2 ： 鉴于喷射混凝土受材料、 施工操作影响 因素较大 ， 该配合 比 1 d强度和 2 8 d钻芯强度保证率 低， 其拌合物坍落度偏大， 回弹率高。 配合 比 3 ： 砂率偏大 ， 由于机制砂棱 角过多 ， 容易 造成输送管路堵塞 ； 2 8 d钻芯强度不高 ， 回弹量偏大 。 配合比4 ： 混凝土拌合物过稀， 坍落度偏大， 回弹 量大。 配合比5 ： 各项数据均满足设计及规范要求， 回弹 率低且容易施工 ， 效果明显。 配合比6 ： 混凝土工作性较差， 拌合物输送困难， 相较于配合比5回弹率高、 粘结力差。 配合比7 ： 单方水泥用量过高， 不经济， 且相较于 配合比5回弹率高。 配合比8 ： 单方水泥用量过高， 不经济； 和易性较 差 ， 不便于施工。 口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 刘洋， 等： 湿喷机制砂混凝土配合比设计 2 0 1 2年 2月 配合比 9 ： 混凝 土拌 合物 几乎无 工作性 ， 输送 困 难 ； 拌合物凝结过快 ， 附着能力下降， 后喷的混凝土无 法有效嵌人到前一层混凝土当中， 增大了回弹量 ， 并造 成混凝土凝固后内部空洞偏多， 强度不均匀， 有质量隐 患； 与岩石的附着力差， 单方成本过高。 经综合 比较 ， 从满足设计要求 、 保证质量 、 可操作 性 、 经济效益等方面综合考虑 ， 确定配合 比 5为本次 C 2 5湿喷机制砂混凝土配合 比。其水灰 比为 0 4 4， 砂 率为 5 2 ， 单方用水量为 1 8 5 k g ， 减水剂掺量 0 8 ， 速凝剂掺量3 。 4施工应 用及 要点 在斗篷山隧道初期支 护过程 中， 结合现场施工使 用 ， 对该配合 比实用性进行了验证 ， 各项指标均满足施 工技术要求 ， 现场反映 良好。 4 1 应用效果 ( 1 ) 扬尘量极小 ， 能见度好 ， 有利于施工 和现场人 员身体健康。 ( 2 ) 喷射过程中混凝土 回弹量小 ， 没有堵管、 混凝 土剥落和掉块现象 。因此返工量少 ， 节省了工时， 操作 人员反映良好 。 _ 射 馄 凝 土 表 面 轮 廓 平 顺 无 麻 无 碎 石 ( 4 ) 通过实体钻芯取样 ， 芯样表 面各组分颗粒排 列均匀 ， 空洞较少 ； 且不同位置所取芯样强度值相差较 小 ， 表明喷射混凝土强度较为均匀 ， 如图4所示 。 图 4 湿喷混凝土取芯 内表面 图 4 2 注意事项 基于喷射混凝土容易受各种条件因素的影响， 施 工人员应根据材料情况 、 机械性能、 作业环境 、 工作 面 条件 、 喷射距离、 喷射角度等情况及时调整 ， 科学施工。 在现场施工配合比调整方面， 应注意以下几点。 ( 1 ) 严格控制原材料质量 ， 特别是机制砂 的质量。 用于加工机制砂的母岩 ， 不应具有潜在碱 一集 料反应 活性 ， 抗压强度应 大于所设计 的混凝土强度 等级 1 5 倍 ， 且不宜低 于 8 0 MP a ； 宜使用质地坚硬 、 洁净 、 无风 化及无软弱颗粒的石灰岩、 白云岩 、 石英岩 、 花岗岩和 玄武岩等生产机制砂 ， 不宜使用 页岩、 泥岩、 板岩等生 产机制砂 ； 由于机制砂生产 中影响因素很多 ， 颗粒级配 相 比河砂波动较大 、 棱角更多 ， 喷射混凝土又属于高砂 率混凝土， 所以机制砂的质量对混凝土拌合物工作性 影 响很大。因此在施工中应随时关注机制砂 的质量变 化， 在理论配合 比的基础上适当调整砂率 ， 使其达到最 好 的工作效果 。 ( 2 ) 在受喷面上首次喷射 混凝土时 ， 经 常 由于时 受喷面刚度过大 ， 导致混凝土 回弹量很大。为 了避免 这种状况 ， 可以考虑在初喷时先喷一层强度稍高一点 的水泥砂浆以增加受喷面的柔性 ， 来减少回弹率 。 ( 3 ) 在大批量喷射作业 时， 用于拱部 喷射 的混凝 土应适当增加砂率 ， 反之 向下喷射施 工时可适 当减小 砂率 。 5 结语 湿喷混凝土广泛应用于隧道工程 ， 对 隧道 围岩及 时封闭和施工安全有不可忽视的作用 。在施工过程中 影响喷射混凝土质量的因素有很多， 而配合比设计在 其 中尤为重要。因此在配合 比选定过程中应抓好每一 个环节 ， 特别重视试喷验证这个过程 ， 认真采集数据 、 综合分析 ， 选 出最佳配合比。随着经济大力发展 ， 对基 础设施建设投入的进一步加大， 而河砂资源 的 日益 匮 乏 ， 湿喷机制砂混凝土因其经济性、 实用性是喷射混凝 土可持续发展的必然选择 ， 我们的工作还任重而道远。 参考文献： 1 T Z 2 0 4 2 0 0 8铁路隧道工程施工技 术指南 s T Z 2 04 2 0 0 8 C o d e f o r D e s i g n o f R a i l w a y T u n n e l E n g i n e e ri n g s 2 J G J 5 5 2 0 0 0普通混凝土配合比设计规程 s J GJ 5 5 - 2 0 0 0 S p e c i fi c a t i o n for mi x p r o p o i o n d e s i g n o f o r d i n a r y c o n - c r e t e S 3 T Z 2 1 42 0 0 5客运专线铁路隧道工程施工技术指南 s T Z 21 4 - 2 0 0 5 T e c h n i c a l ma n u a l for e n g i n e e rin g c o n s t r u c t i o n of r a i l - w a y t u n n e l p a s s e n g e r s p e c i a l l i n e s 4 T B 1 0 7 5 3 2 0 1 0高速铁路隧道工程施工质量验收标准 s T B 1 0 7 5 32 0 1 0 S t a n d a r d f o r C o n s t r u c t i o n Q u a l i t y A c c e p t a n c e of H i g h S p e e d R a i l w a y T u n n e l E n gi n e e ri n g s 5 T B 1 042 4 2 0 1 0铁路混凝土工程施工质量验收标准 s T B 1 042 42 0 1 0 S t a n d a r d f o r C o n s t r u c t i o n Q u ali A c c e p t a n c e o f R a i l w a y C o n c r e t e E n g i n e e r i n g s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m