喷射混凝土配合比设计技术 摘要 喷射混凝土是一种从巷道支护技术中演变到地上构筑物加固的一种快捷有效的加固手段, 具有自己的独特优势: 喷射混凝土是借助喷射机械, 利用压缩空气做动力, 将一定比例的拌合料, 通过高压管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而成。 关键词: 喷射混凝土 配合比设计 设计技术 0 引言 随着铁路和公路的不断发展, 喷射混凝土其用途也越来越广泛; 在铁路、 公路工程隧道, 边仰坡支护、 混凝土结构补强加固等工程施工中都需要用到喷射混凝土。 本文介绍了喷射混凝土的特性, 配合比设计目的。 以 C25 喷射混凝土配合比设计实例介绍配合比设计过程中原材料, 试验计算, 试验过程等方面内容, 同时, 为了更好的让喷射混凝土配合比生产出来的混凝土质量得到保证, 对喷射混凝土的使用和施工过程中应该注意事项进行了简单介绍。 1. 喷射混凝土的特性 喷射混凝土是利用压缩空气按照设计的配合比的混凝土有喷射机的喷射口以高速高压喷出, 从而在被喷面形成混凝土层; 在较短的实际内凝结成为均匀的混凝土。 与传统的浇筑混凝土不同, 喷射混凝土不需要立模、 振捣, 而是依据高速喷射的动能将混合料连续喷敷到受喷面上, 冲击、 挤压达到密实。 喷射混凝土的施工方法有干湿两种工艺: 1. 干喷工艺 ①工艺流程 各种材料(不含水) 按照设计配比要求进行干拌和——拌和好的松散混凝土直接喂入(通 过机械或人工上料) 喷射机料斗——由空压机提供的压缩空气裹携物料通过输料管送到喷头 处——在此处加入水与物料混合——在风压作用下喷射到受喷面上。 2. 湿喷工艺 ① 工艺流程 各种材料(含水) 按照设计配比要求进行充分搅拌——拌和好的混凝土直接喂入(通过机械或人工上料) 湿喷机的强力振动料斗——由空压机提供的压缩空气裹携物料通过输料管 输送到喷头处——在此处加入速凝剂与物料混合——在风力作用下喷射到受喷面上。 湿式混凝土喷射机主要优点有四个: (1) . 湿法: 作业大大降低了机旁和喷嘴外的粉尘浓度, 消除了对工人健康的危害。 (2) 生产率高。 干式混凝土喷射机工作效率一般不超过 5 扩/h. 而使用湿式混凝土喷射机人工作业时可达 10m' /h, 采用机械手作业时, 则可达 20 扩/h。 (3) 回弹度低。 干喷时, 混凝土回弹度可达 15%~50%. 采用湿喷技术回弹率可降低到 10%以下。 (4) 湿喷时, 由于水灰比易于控制, 混凝土水化程度高, 故可大大改善喷射混凝土的品质, 提高混凝土的匀质性, 而干喷时, 混凝土的水灰比是由喷射手根据经验及肉眼观查来进行调节的, 混凝土的品质在很大程度上取决于机手操作正确与否。 喷射混凝土的主要特性如下: 喷射混凝土的干缩比普通混凝土的大; 喷射混凝土抗压强度比基准混凝土低; 喷射混凝土与围岩轴拉粘结强度比喷大板劈拉粘结强度低得多。 喷射混凝土的抗冻性比普通混凝土的高; 2. 喷射混凝土的目的 本次混凝土配合比试验的目的是: 提出满足设计等级和相应施工技术规范中有关混凝土的耐久性(混凝土最大碱含量不大于 3. 0kg/m3; 混凝土的耐蚀系数不得小于 0. 9) 、 抗渗性、 抗压强度、 抗蚀性等要求, 同时应满足混凝土施工强度保证率、 均质性指标及和易性要求。 并结合试验和工地施工条件提出混凝土无论力学指标的最优配合比, 确定施工过部位想要的湿喷混凝土施工工艺参数。 本项目采用的是湿喷法工艺, 所使用部位为上跃 3#隧道出口边、 仰坡支护喷射混凝土为 C25 喷射混凝土, 3. 原材料的选择和技术要求 设计要求采用湿喷, 为此, 我们参考了许多相关实力, 考虑到混凝土的品质、经济性、 满足施工要求等方面, 决定先从材料方面入手。 (1) . 水泥: 喷射混凝土应采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥, 必要时可采用特种水泥; 所以采用的水泥是: 广西鱼峰水泥股份有限责任公司生产的 P. O42. 5和兴安海螺水泥有限公司生产的 P. O42. 5; 经检测各项指标符合规定要求。 (2) . 细骨料: 喷射混凝土所用细骨料细度模数应大于 2. 5, 含泥量应不大于3%泥块含量不应大于 0. 5%; 因为砂子过粗, 会增加混凝土回弹量, 砂子过细, 会 使混凝土干缩增大; 采用的是三江斗江下余砂场生产的机制砂; 经检测各项指标符合要求。 (3) . 石子: 卵石或碎石均可, 以卵石为好, 卵石对设备磨损小, 也不易造成管路堵塞, 为减少回弹, 卵石粒径不宜大于 16mm, 亦不宜小于 5mm, 当使用短纤维时, 最大粒径不宜大于 10mm, 并宜采用连续级配; 不得采用含有活性二氧化硅的石材做骨料, 以免发生碱骨料反应; 所采用的是贵广铁路六经部 5-5 碎石场加工厂生产的 5~10mm 碎石, 经检测各项指标符合要求。 (4) . 水: 喷射混凝土用水要求与普通混凝土相同, 不得使用污水、 PH 值小于 4 的酸性水、 含硫酸盐按 SO4 计超过水重 1%的水及海水; (5) . 速凝剂: 速凝剂应采用质量稳定的产品, 其与水泥应有良好的相容性,性能指标应符合相关标准的规定, 速凝剂掺量不宜大于水泥用量的 5%; 使用速凝剂的主要目的是使喷射混凝土速凝快硬, 减少回弹损失, 防止喷射混凝土因重力作用所引起的脱落, 提高它在潮湿环境中的适应性能, 适当加大一层喷射厚度和缩短喷射层间的间隔时间。 通常采用液体速凝剂, 满足初凝时间不迟于 5 分钟,终凝时间不迟于 10 分钟, 24 小时后的强度不小于 10MPa, 采用的是北京金盾建材有限公司液体速凝剂; 也可以根据需要掺入其他外加剂, 其掺量通过试验确定。 (6) . 减水剂: 喷射混凝土中加入少量的减水剂, 可在保持混凝土流动性的条件下显著地降低水灰比, 提高混凝土强度, 减少回弹, 并明显地增强其不透水性和抗冻性; 4. 湿喷混凝土配合比设计思路 喷射混凝土的配合比不同于普通混凝土的配合比, 需要根据其施工工艺来选择, 主要讲述喷射混凝土湿喷法的配合比的设计方法; 湿喷混凝土的配合比是根据混凝土和易性(坍落度 8~15cm) 和混凝土强度条件进行试验确定. 为了减少回弹量需要较高的砂率, 砂率增加意味着集料的总面积增加, 这就要求用更多的水泥来包裹集料表面, 以满足喷射混凝土的强度要求, 水泥用量越大, 喷射混凝土就越容易干缩、 开裂, 同时成本也增加。 因此首先确定水泥用量,根据经验水泥用量不宜小于 400kg/m3, 其次确定砂率, 宜选用中粗砂, 砂率宜为45%-55%, 砂率过高或过低易造成堵管, 再次确定水灰比, 水灰比宜为 0. 4-0. 5, 水灰比过小会产生粉尘, 回弹量大, 粘结力低, 喷层会产生干斑, 砂窝等现象,水灰比过大会造成强度低、 速凝效果差, 喷层流淌、 滑移、 坍落等现象, 另外要注意根据施工环境的温度, 周围岩壁类别、 施工队伍的施工水平做相应的调整。5. 混凝土配合比试验 (1) . 混凝土配制强度 按照<<普通混凝土配合比设计规程>>JGJ55-2011 的规定. 混凝土的配制强度为: fcu, o≥fcu, k + 1. 645 σ 式中: fcu, o --- 混凝土配制强度(MPa) fcu, k --- 混凝土设计强度(MPa) σ --- 混凝土强度标准差(MPa) 故: fcu, o=25+1. 645*4 ≈31. 6 (2) . 选择粗集料最大粒径 粗集料的最大粒径不得大于喷射及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。 喷射机管内直径为 76mm。 Dm=76*1/3=25. 33>16mm 粗骨料选定为贵广铁路六经部自产碎石 5-5 碎石加工厂加工的 5-10mm 碎石。 (3) . 水灰比按下式计算 W/C=(α a . fb) / (fcu, o+α a . α b. fb) =(0. 53*53. 6) /(31. 6+0. 53*0. 2*53. 6) =0. 62 根据工程实际需求, 最终选定水灰比为: 0. 44 (4) . 用水量确定为 205Kg/m3 (5) . 每立方米混凝土水泥用量() mbo=mwo/(W/C) =205/0. 44 =466(kg/m3) (6) . 砂率: 经过试验确定砂率为 0. 5 (7) . 粗细骨料用量确定: 假定每立方米混凝土拌合物的质量为 2366, 根据公式可以得出骨料之和为: Mfo +Mco+Mgo+Mso+Mwo=Mcp Mgo+Mso=Mcp-(Mfo +Mco) =2366-469-205 =1692 β s = Mso/(Mgo+Mso) 0. 44= Mso/1092 Mso(细骨料) =0. 5*1692 =846 Mgo(粗骨料) =1692-Mso =846 (8) . 速凝剂的掺量 喷射混凝土中掺入适宜的速凝剂, 是加速混凝土凝结硬化, 防止混凝土流淌和脱落, 减少混凝土回弹的重要技术措施之一, 但掺速凝剂不是掺量多就好, 大部分速凝剂都会使混凝土强度下降 20%~50%; 试验室根据速凝剂厂家推荐的剂量进行掺入试验, 当喷射混凝土中速凝剂掺量较大时, 混凝土凝结硬化过快, 造成回弹率增大, 因此速凝剂 JD-12 型(液体) 速凝剂采用 4%(外掺) 。 6. 确定混凝土配合比 依据以上计算过程, 设计水灰比上下浮动 0. 3, 确定配合比分别为: 水灰比 水泥 砂子 碎石 水 速凝剂 0. 41 500 814 847 205 20 0. 44 469 846 846 205 18. 76 0. 47 436 880 845 205 17. 44 (1) . 配合比过程总结, 水泥用量, 水用量的调整, 在工地现场, 试喷时采用喷大板切割法, 既在 450mm*350mm*120mm 的模板内喷入混凝土, 然后将表面轻轻抹平, 24 小时后拆模, 切取 100mm*100mm*100mm 的试件, 依次分别留样 7 天和 28 天试件。 能够满足设计强度的水灰比、 合适的水泥用量的配合比为最佳混凝土配合比, 确定上跃 3#隧道出口 高边坡防护 C25 湿喷混凝土水泥最佳用量为469Kg/m3. 7. 结束语 喷射混凝土在隧道工程施工中使用已经很普遍, 应用也很广; 喷射混凝土配合比的设计与普通混凝土配合比的设计不同, 区别比较大, 但也有相同点。 喷射混凝土的配合比在按照规范要求设计的情况下, 还必须符合施工现场对喷射混凝土的要求: 满足喷射的掌子面和回弹率的要求, 随时进行适当的微调整: 如材料含水率的变化, 骨料级配的变化。 所以喷射混凝土配合比必须根据实际情况认真做好配合比设计, 不但要考虑喷射混凝土质量, 而且还要做到经济性和满足施工现场要求。 设计依据 1、 <<铁路混凝土工程施工质量验收标准>>TB10424-2010; 2、 <<铁路混凝土工程施工技术指南>>铁建设\ufe5d 2010\ufe5e 241 号; 3、 <<铁路混凝土>> TB/T3275-2011; 4、 <<铁路混凝土结构耐久性设计规范>> TB10005-2010; 5、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001); 6、 JGJ55-2011<<普通混凝土配合比设计规程>>。