【技术分析】湿喷机制砂混凝土配合比设计!

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C25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

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C25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C25湿喷机制砂混凝土配合比设计及应用情况。

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。

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。

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42.5 MPa，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42.5级普定明达牌普通硅酸盐水泥。

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0.075 mm颗粒）不应大于20％ ，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3.1—3.4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。

（注：生产机制砂和碎石的母材必须进行碱骨料反应的检测，大量的试验证明母材中含有活性二氧化硅，不但严重影响水泥石的耐久性，还对混凝土拌合物前期的工作性有严重制约，特别在使用碱性速凝剂的喷射混凝土中更应引起重视。）

粗骨料的最大粒径不得大于喷射系统输料管道最小断面直径的1／3—2／5；亦不宜超过一次喷射厚度的1／3，且最大粒径不宜大于15 mm，骨料级配宜使用连续级配。含泥量不应大于1％ ，泥块含量不应大于0.25％ 。该工程根据喷射机械、设计要求及以往经验等综合考虑决定选用5—10 mm连续级配碎石，最大粒径14 mm。经试验验证所用碎石各项指标合格，级配为良好，如图2所示。

喷射混凝土是依赖喷射过程中水泥和骨料连续撞击、压密、自稳形成的混凝土。为了能最大限度吸收喷射时的冲击能量，所用砂率应较普通混凝土高，但同时增大了原材料的总比表面积，提高了单方用水量。为了在保证混凝土强度的同时满足低水灰比条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减水剂，经检测各项性能指标合格，推荐掺量为1％ 。但是在湿喷混凝土施工中，混凝土拌合物坍落度也不能过大，过大的坍落度将抑制速凝剂攻效的快速体现，影响喷射效果。经试验验证，最佳掺量取0.8％ 。

混凝土用水应符合工程用水的有关标准，现场使用拌合用水为山泉水，检测达到饮用水标准，满足使用要求。

速凝剂在使用前应与水泥做相容性试验和凝结时间试验，严格控制掺量（过掺对喷射混凝土强度有负面影响）；水泥净浆初凝时间不应小于5 min，终凝时间不应大于10 min。通过上述2项试验，我们从3种速凝剂中选用了成都强恒瑞液体速凝剂，该外加剂和明达水泥相容性好，各项检测指标合格，28 d抗压强度比为76％ ，掺量3％时满足使用要求。

喷射混凝土应其施工工艺的特殊性，配合比选用应根据多种因素来考虑，既要满足设计和相关规范要求，又要兼顾施工工艺的要求，并通过试喷来确定。着重应遵循以下几点：

（1）满足设计的初期强度、长期强度、厚度等要求。喷射混凝土3 h强度应达到1.5 MPa，24 h强度应达到10.0 MPa；

（2）湿喷混凝土的胶凝材料用量不宜小于400 kg／m3；

（3）水胶比宜为0.40—0.50；胶骨比宜为1：4—1：5；骨料砂率宜为45％—60％；

（4）混凝土拌合物进入湿喷机前工作性能良好，输料顺畅，不堵管；

（5）尽量减小回弹率。其回弹量：边墙不应大于15％，拱部不应大于25％；

（6）与围岩面要有良好的粘结力。

该部分主要是室内试验，初步拟定各原材料单方用量、调整拌合物的工作性、对比速凝剂对强度的影响、达到适配强度，满足试喷条件。

按常规混凝土配合比配制强度思路确定喷射混凝土配制强度：

fcu，0≥fcu，k+1.645σ

　　　≥25+1.645×3

　　　≥29.9 MPa 　　 （1）

式中：fcu，0——计算用喷射混凝土配制强度（MPa）；

　　　fcu，k——混凝土设计强度（混凝土立方体抗压强度标准值）（MPa）；

　　　σ——实配混凝土强度标准差（MPa），取3 MPa。

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：

fcu，0’≥fcu，0／R · β

　　　　≥29.9÷0.76×1.15

　　　　≥45.2 MPa 　　 （2）

式中：fcu，0’——计算用未加速凝剂前混凝土配制强度（MPa）；

　　　R——速凝剂28 d抗压强度比（76％）（见本文2.6）；

　　　β— — 标准成型试件对比自密混凝土系数（取经验值1.15）。

通过保罗米公式计算得室内试配基准水灰比为0.44，以0.02增减试拌3个水灰比（计算过程略）。

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48％。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0.075 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48％、52％、56％3个砂率进行试配。

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15％时混凝土工作性能最好，但当石粉含量超过10％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。

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185 kg。

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、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。

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。

通过对混凝土拌合物工作性、坍落度、1 d强度、28 d强度、28 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28 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；28 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。

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C25湿喷机制砂混凝土配合比。其水灰比为0.44，砂率为52％，单方用水量为185 kg，减水剂掺量0.8％ ，速凝剂掺量3％。

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。

(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。

(3)喷射混凝土表面轮廓平顺无麻 无碎石外露。

(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。

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80 MPa；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。

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。

[1] TZ 204—2008铁路隧道工程施工技术指南[s]．

[2] JGJ 55——2000普通混凝土配合比设计规程[s]．

[3] TZ 214—2005客运专线铁路隧道工程施工技术指南[s]．

[4] TB 10753—2010高速铁路隧道工程施工质量验收标准[s]．

[5] TB 10424—2010铁路混凝土工程施工质量验收标准[s]．

来源：中国砂石骨料网

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