2018杭州地铁一号线闸弄口站喷射混凝土配合比优化技术
摘要：以杭州地铁一号线闸弄口站附属结构为背景，对影响喷射混凝土质量的因素进行了研究，并对其配合比进行了优化设计，实现了改善喷射混凝土的施工性能、质量，以及节约成本的目的。http://
关键词喷射混凝土配合比优化
中图分类号： U455.48 文献标识码：C
Hangzhou Metro Line
Zhanong Kou Stationsprayed concrete mix optimization technology
Duzhichang
Abstract: Hangzhou Metro Line Zhanong Kou Station subsidiary structure as the background on the factors affecting the quality of sprayed concrete has been studied, and its mix design has been optimized to achieve improved performance of shotcrete construction, quality, and cost the purpose.
Keywords: Shotcrete；Mix；Optimization
附属结构基坑开挖后，为了防止桩间渗漏水和铺设防水层，需要对桩间进行喷射砼。施工中如何确保喷射混凝土的质量、结构内净空尺寸并减少混凝土的回弹量和节省材料，是此工序控制的重点。本文结合杭州地铁一号线闸弄口站附属基坑喷射混凝土施工，对喷射混凝土的质量影响因素进行了研究，并得出优化的配合比，提高了喷射混凝土的性能和质量，取得了较好的经济效益。
1 工程概况
杭州地铁一号线工程闸弄口站位于杭州市机场路与天城路（文晖路）十字交叉口的天城路路面下，站体沿天城路布置呈东西走向。车站总长181.2m，标准段底板埋深15.92m，最大开挖深度17.75m位于端头井处。车站结构包括车站主体结构和附属结构，附属结构由4个出入口、2个风井和1个电缆引入井组成。其附属结构围护部分采用钻孔灌注桩施工，基坑开挖后采用喷射砼进行初期支护。
2喷射砼初步施工方案
1）喷射混凝土的施工要求
根据施工经验，喷射混凝土应满足如下几方面的施工要求：
①喷射混凝土配合比应满足设计强度等级要求及抗渗要求；
②回弹量少；
③粉尘少；
④粘附性好，能获得密实的喷射混凝土；
⑤能满足施工要求，输料顺畅，不发生堵管等。
⑥掺入速凝剂后，初凝时间不应大于5min，终凝时间不大于10min。
2）初步方案的选择
考虑到施工时的质量和环境要求，喷射混凝土施工初步方案拟采用湿喷法施工：采用TK-961型湿喷混凝土机，强制式拌和机拌制混凝土，空气压缩机供风，设置上料平台和工作台架，人工持喷头施工。
3喷射混凝土配合比设计
1）配合比设计总述
一般湿喷机适宜喷射混凝土的坍落度为60～180mm，因此本次试验坍落度设计为100±20mm，混凝土强度为C20。
2）原材料情况
水泥：采用525#普硅水泥。
细集料：河砂，表观密度2.639g/cm3，堆积密度为1679kg/m3，细度模数＝2.5，符合级配要求。
粗集料：碎石，表观密度2.697g/cm3，级配：5～15mm.，连续级配。
水：饮用水。
外加剂：KDSN－6速凝剂，掺量为水泥质量的4％。
3）初始配合比的拟定
通过计算，得出基准配合比为mC0：mS0：mG0：mW0=450：843：718：189；保持用水量不变，以基准配合比0.42±0.02试配二个辅助配合比，经试验，得出三种水灰比的7天和28天抗压强度分别如下表。
4喷射混凝土质量的影响因素研究
为优化配合比设计，以喷射砼的强度、粘结力、初凝时间和回弹量为质量控制指标，按施工工艺、地下水原材料等方面对影响喷射砼质量的因素进行研究。
1）现场试验
按照拟定的配合比进行现场试验，掺入速凝剂4%，具体情况见表3。
现场试验情况表明，配制的喷射混凝土能满足工程需要。但也存在一定的不足：一是上述配比的回弹量较大，均值为19.29%。二是在滴漏点出现粘结力小于0.5Mpa的情况，有水的点粘结力也不高。
2）地下水的影响
通过对有滴漏点部位进行喷射混凝土施工观测，采取多层喷射混凝土后可以封闭滴漏，但刚喷射后出现大片状湿渍，混凝土表面潮湿而无明显的水迹。对于出水较多的点采用半月型排水管后可以封闭出水。
通过对上述点进行现场试验表明，有水的点喷射混凝土的回弹量较一般段大3%，且粘结力明显偏小，约为同条件下干燥面的0.5-0.8倍。
3）喷射层厚的影响
一次喷射层太厚，在自重作用下，喷层会出现错裂而引起大片坍落：太薄时大部分粗集料会回弹。喷层仅留砂浆，将影响喷射效果和质量，经现场试验，喷层厚3cm~5cm 时回弹量最小且不出现裂缝。
4）风压和水压的影响
风压过大会造成喷射速度太高而加大回弹量，风压过小会使喷射力减弱，使混凝土密实性差而影响强度；水压过小也会影响施工质量。经试验采用风压为200N／cm2，水压为210N／cm2。
5）原材料的影响
将上面提供的同一种材料，分A（用水冲洗过的集料）和B（照原样）进行试拌，在同一水灰比，同一位置上喷射，经试验对比，A比B具有混凝土强度高，粘结力大，回弹小等优点。
另外对不同骨料进行试验，混合料中骨料越大则回弹值越高。
6）水泥用量和水灰比的影响
喷射混凝土的胶骨比，水泥与骨料之比通常取1∶4～1∶4.5，水泥过少，回弹量大，初期强度增长慢；水泥过多，混凝土的硬化收缩增大，施工成本高。喷射工艺特点要求混凝土具有较好的粘附性，水泥含量的较佳值应该是保证喷射混凝土具有较高粘附性的同时，避免使用水泥过多造成浪费，增加成本。经验表明，喷射混凝土水泥较佳含量为350～450kg/m3。
对湿喷混凝土，水灰比过大，喷到桩间的混凝土会流淌下坠，减少一次性喷射厚度会增加回弹，凝结效果差，混凝土强度偏低；水灰比过小，料束偏干，粘结性降低，粉尘和回弹也增加，施工喷射困难。通过对C／W=0.4~5.0的混合料进行试喷，C／W=0.45左右效果较好。
7）砂率的影响
由试验及国内其他工程的实践得出如下结论：砂和石子的比例一般以两者相差不大为宜，含砂率在45%～55%最好。
8）速凝剂的影响
为了加快喷射混凝土的凝结硬化过程，增加一次性喷射厚度，减少回弹和剥落，宜在喷射混凝土中加入速凝剂。无论干式或湿式喷射混凝土施工，速凝剂都是必不可少的外加材料。
影响速凝剂性能的因素有许多，如速凝剂的加量、温度、水泥种类等。速凝剂添加量过少，回弹增加；添加量过多，混凝土后期强度损失大。添加速凝剂要求均匀、连续，否则将影响喷射混凝土的质量和增加回弹量。在施工之前应对所用水泥作速凝剂适应性试验。
5喷射混凝土配合比设计优化
为改善喷射混凝土施工质量，根据上述研究进行配合比优化。
1）施工方法和工艺优化
目前喷射混凝土采用的施工方法主要是干喷法和湿喷法。目前市面上液体速凝剂的价格高，其掺量一般都是水泥用量的3-6%，速凝剂增成本达到60元/m3。而干喷法则粉尘太大。为解决此问题，我们施工改为潮喷法，将混凝土初拌湿润，速凝剂采用粉剂，直接掺拌在湿料中，在喷嘴处二次加水。通过试验对比，可保证施工现场的环保要求。
2）地下水的影响段配合比优化
地下水的影响，主要表现在有地下水影响时，原配合比回弹值增加，粘结力及强度减小；如果施工中出现湿渍或滴漏的面积较大，必须对原配合比进行调整。
改进方案是采用砂率大、速凝快的喷射混凝土施工第一层，封闭地下水，然后采用正常配合比施工。
3）速凝剂及外加剂的选择
速凝剂选用KDSN-6系列速凝剂（粉剂）。其初凝时间为3min，终凝时间为6min。后期混凝土强度较高。
选用粉剂速凝剂后，为减小喷射混凝土的回弹和增加其粘聚性，宜掺入一定的减水剂或塑化剂。施工中采用性价比较好的质量浓度为30%的液体淡基丙烯酸醋(CAE)塑化剂，掺量为水泥用量的0.5%。
4）原材料和砂率的选择
经验表明，喷射混凝土中的大骨料越大则其回弹值越高。本工程原配合比用砂为粗砂，因此可适当调整粗骨料粒径，由原5-15mm连续级配改用为5-10mm碎石。原材料的含泥量按小于3%控制。
5）掺入活性材料
目前常用于喷射混凝土的活性掺和料是硅灰和沸石粉。硅灰的成本价格高，掺入后控制技术高，如控制不好混凝土常出现裂缝。沸石粉是天然沸石岩经磨细后形成的一种火山灰质材料，含有大量活性的SiO2和Al2O3，其火山灰活性仅次于硅灰，其价格确仅为硅灰的1/20。有文献指出，若以沸石粉等量取代(5～15)%的水泥，混凝土拌和物的粘聚性明显增加，而对工作性则没有影响。本方案选用掺入沸石粉，掺量为水泥用量的10%。
6）混凝土配合比的拟定
对于地下水影响段第一层采用一型配合比：其配比为mC0： mS0：mG0：mW0：mKDSN-6=420：897：733：185：25；正常段优化后的配合比采用二型：mC0：mCf：mS0：mG0：mW0：mKDSN-6：mCAE=389:39:824:817:171:15.5:1.95。水灰比为0.44。
上述两个配合比7天和28天强度均满足要求。具体如下表：
6 使用效果
优化后的配合比较好的配合了潮喷法施工，经现场测定其实测回弹量为9.8%，粘结力和强度均满足规范要求。
从成本分析来看，现配合比较原配合比在原材上（仅对外加剂各活性料计价）节约27元/m3，回弹值减小9.5%，节约混凝土约38元/ m3，效果十分显箸。
7 结语
通过调整喷射砼施工工艺，在喷射混凝土配合比设计时增加塑化剂、调整砂率、掺入活性材料沸石粉，结合施工方法选择速凝剂，能较好的改善喷射混凝土的施工性能和质量，并取得较好的经济效益。
参考文献：
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086－2001)
《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）
蒲心诚，王勇威1高效活性矿掺料与混凝土的高性能化1混凝土12002，(3)：21～31
李亚杰，建筑材料（M）北京，中国水利水电出版社，2000
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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