摘 要: 結合交通部2006 年新頒布的《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》, 介紹了水泥混凝土速凝劑的品種分類、性能指標, 并對摻速凝劑噴射水泥混凝土的配合比、施工方法、質量控制及安全措施等進行了深入的分析。
關鍵詞: 公路工程; 噴射水泥混凝土; 配合比; 速凝劑
速凝劑是專門為噴射水泥混凝土施工特制的一種超快硬早強的水泥混凝土外加劑, 摻配后水泥混凝土的初凝時間不超過3 m in, 初凝后就具備了抵抗水泥混凝土自重脫落的能力。速凝劑的這些優(yōu)異特性, 使其廣泛應用于公路隧道支護、邊坡防護、地下洞室、邊坡防護、水池、薄殼、修復加固等噴射或噴錨水泥混凝土結構, 也可用于需要速凝堵漏的水泥混凝土或砂漿中。
在公路工程中, 使用速凝劑的噴射或噴錨水泥混凝土與使用其他外加劑的水泥混凝土最顯著的不同點是: 無論噴射水泥混凝土工藝使用干法或濕法,噴射水泥混凝土都是在噴口處將速凝劑或水分摻進水泥混凝土的, 不是拌和進入的, 所以, 其強度等力學性能的試件制作也是使用噴射法制成的, 也非拌和加振動臺制作成形的。試件制作方法詳見《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》(簡稱指南) 附錄K, 噴射水泥混凝土及其試驗方法。
按物質形態(tài)分, 速凝劑有粉狀和液狀2 種。粉狀速凝劑是以鋁酸鹽、碳酸鹽、硫鋁酸鹽等無機鹽為主要成份。液體速凝劑以偏硅酸鈉、硫酸鋁膠、水玻璃等為主要成份, 或與重鉻酸鉀、亞硝酸鈉、三乙醇胺等其他無機鹽復合而成。
1 速凝劑性能指標
用于公路工程的速凝劑必須滿足國標一等品的各項性能指標(表1) 及勻質性要求(表2) , 否則不得使用。
注: (1) 28 d 抗壓強度比為摻與不摻速凝劑砂漿的抗壓強度比;
(2) 速凝劑抗壓強度試驗方法參見指南附錄K, 速凝劑的凝結時間試驗方法也參見指南附錄K。
速凝劑進場除應附有質量證明書外, 還應具有質量檢驗報告, 其性能檢驗批量為每20 t 一批。速凝劑施工過程中的檢驗項目包括凝結時間、細度、含水率、1 d抗壓強度, 按每5 t 為一批檢驗, 不足5 t 按一批計。
2 噴射水泥混凝土原材料與配合比
2.1 噴射水泥混凝土原材料要求
噴射水泥混凝土應采用符合質量要求的外加劑, 選用與水泥適應性好、凝結硬化快、28 d 強度損失少、較低摻量的速凝劑。使用前, 應對速凝劑與水泥的適應性、水泥凈漿凝結效果進行檢驗。當與其他類型的外加劑復配使用時, 也應做相應的性能檢測試驗。常用粉狀速凝劑極易吸濕變質, 在運輸和儲存中應保持干燥, 不得損壞包裝, 防止受潮、結塊、變質。
為保證噴射水泥混凝土快速凝結, 提高1 d 強度, 應優(yōu)先采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。實際工程也可采用礦渣硅酸鹽水泥或火山灰質硅酸鹽水泥, 有防腐或其他特殊要求時, 亦可采用相應的特種水泥。水泥強度等級應不低于32.5 級。
噴射水泥混凝土應采用堅硬耐久的卵石或碎石, 粗集料最大粒徑不宜大于15mm。使用纖維噴射水泥混凝土時, 粗集料最大粒徑不宜大于10mm。由于速凝劑中往往具有高堿性, 當使用堿性速凝劑時,嚴禁使用堿活性集料。
噴射水泥混凝土細集料應采用堅硬耐久的中粗砂, 細度模數宜控制在2.5～ 3.5 之間。干法噴射時,砂的含水率宜控制在5%～ 7% 的范圍; 當采用防粘料噴射機時, 砂含水率可為7%～ 10%。粗、細集料組合級配應符合表3 的規(guī)定。
噴射水泥混凝土用水應符合《混凝土拌合用水標準》(JGJ 63- 89) 的規(guī)定。水中不應含有影響水泥正常凝結與硬化的有害雜質, 不得使用污水、pH 值小于5 的酸性水、硫酸鹽含量大于1% 的水。
2.2 噴射水泥混凝土配合比要求
強度應符合設計要求; 濕法噴射水泥混凝土坍落度宜控制在80～ 120 mm 之間; 能滿足工程的抗凍、抗?jié)B耐久性要求; 盡量節(jié)約水泥。配合比應通過試噴試驗或根據經驗確定。
干法噴射中, 水泥與砂石材料的質量比宜為1∶4.0～ 1∶4.5; 水灰比宜為0.40～ 0.45; 砂率宜控制在45%～ 55% 的范圍。水灰比一般由噴射手憑經驗控制, 很難做到均勻一致, 要求在噴射時粉塵和脫落較少, 噴射水泥混凝土表面基本平整, 呈水亮光澤,無干斑和滑移流淌現象。
濕法噴射水泥與砂石材料的質量比宜為1∶3.5～ 1∶4.0; 水灰比宜為0.42～ 0.50; 砂率宜控制在50%～ 60% 的范圍。
噴射水泥混凝土在剛噴射到附著體上時, 主要依靠水泥漿和砂漿本身提供的粘聚性, 因此, 水泥用量不可偏少, 砂率要求很大。一般水泥用量宜為400 kg/m 3左右。砂率宜控制在45%～ 60% 之間。但過高砂率在大風、干熱、曝曬環(huán)境下, 噴射水泥混凝土極易開裂。因此, 在噴射水泥混凝土施工時, 要考慮環(huán)境條件, 同時兼顧回彈率和防裂的要求, 在不增大回彈率的前提下, 選用較偏低的砂率。
速凝劑摻量宜為水泥質量的2%～ 8% , 最優(yōu)摻量視其種類不同, 通過試驗確定。
當噴射水泥混凝土摻入纖維時, 除鋼纖維具有提高抗拉強度作用外, 一般有機纖維僅具有防裂作用, 因此, 其摻量配合比應通過試配試噴確定。
3 噴射水泥混凝土的施工
3.1 噴射方法選擇
噴射水泥混凝土有干噴和濕噴2 種工藝和施工設備。濕噴粉塵少, 回彈量少, 水泥混凝土強度高, 質量更穩(wěn)定, 在公路隧道和封閉洞室噴錨支護中, 應優(yōu)先采用。但干噴法發(fā)展較早, 技術較為成熟, 設備投資較省, 可在露天邊坡工程中使用。
3.2 機械設備選擇
選擇噴射機要注意減少噴射中的回彈率, 降低作業(yè)面空氣中的粉塵濃度, 提高噴射作業(yè)效率, 保證工程質量, 降低造價。一般要求噴射機密封性良好、輸料連續(xù)均勻。干法生產能力為3～ 5 m 3/h; 輸料水平距離不小于100m , 垂直距離不小于30 m。濕法噴射機生產率大于5m 3/h ; 水平距離不小于30m , 垂直距離不小于20 m; 機旁粉塵小于10 m g/m 3。當施工現場的噴射距離不足時, 應搭建工作臺架, 以滿足噴射輸送距離的要求。
拌制噴射混合料宜優(yōu)先采用強制式攪拌機, 可采用自落式或滾筒式攪拌機, 嚴禁使用手工拌和。這是保證干拌和料勻質性, 減少粉塵飛揚、水泥散失和減少脫落的重要環(huán)節(jié)。采用容量小于400 L 的強制式攪拌機時, 攪拌時間不得少于60 s; 采用自落式或滾筒式攪拌機時, 攪拌時間不得少于120 s; 當摻有外加劑摻合料或纖維時, 攪拌時間應適當延長。
噴射中需配備專用空壓機, 其排風量不應小于9 m 3/m in, 風壓應穩(wěn)定, 波動值不宜大于0.01M Pa;風壓和風量不足, 易產生堵管, 削弱噴射時的沖擊搗實力, 影響密實度; 風壓波動過大, 既影響料流速度,也造成噴口水灰比難于控制, 使噴射水泥混凝土干濕不勻、質量低劣。
空壓機至噴射機送風管的耐壓強度不應小于0.8M Pa, 送風管接頭應牢固、耐磨、可靠。采用干法噴射時, 噴頭處的水壓力宜為0.15～0.20M Pa, 這是保證干混合料與水均勻混合的重要條件。噴頭料流的壓力一般在0.1M Pa 左右, 混合水的最低壓力應比噴口處料流壓力大0.05M Pa 左右,才能保證壓力水穿透料流與混合料均勻摻合。
3.3 水泥混凝土的拌制與運輸
水泥和速凝劑的稱量誤差為±2% , 砂石料的稱量誤差為±3%。
為防止噴射前產生水化反應, 混合料均應隨拌隨用。不摻速凝劑時, 存放時間不宜超過2 h。摻速凝劑的干混合料, 存放時間不應超過20m in。在運輸和存放過程中, 應嚴防雨淋、滴水或混雜大塊石。裝進噴射機之前應過篩, 防止堵管。
3.4 噴射作業(yè)
為利于控制噴層厚度、減少回彈、提高水泥混凝土強度, 噴射作業(yè)應分段、分片進行; 為了避免松散的回彈物料粘結在尚未噴射的壁面上, 影響密實度與強度, 噴射必須自下而上依次進行, 這樣既能使下部已經噴射的噴層對上部噴層起支托作用, 又能減少回彈率, 防止噴層的拉裂與墜落。水平噴射時, 水泥混凝土的回彈率應不大于15% , 垂直噴射時不大于25%。噴射中若發(fā)現干燥松散、下墜滑移或拉裂時, 應及時清除, 并進行補噴。
工程實踐表明: 只有當壁面上形成10 mm 左右厚度的塑性層后, 粗集料方可嵌入。因此, 一次噴射的厚度不宜過薄; 噴層過厚, 會因自重太大而拉裂或脫落。所以, 在分層噴射時, 單次噴射最大厚度不宜大于表4 規(guī)定值, 后一層噴射必須在前一層水泥混凝土終凝后進行, 若終凝后1 h 再噴射, 應先用水濕潤噴層表面, 以減少表面灰塵污染, 增強層間粘結力。施工實踐表明, 噴射水泥混凝土終凝后3 h, 水泥混凝土粘聚力及其與壁面的粘結強度達到了1.0M Pa左右, 緊臨噴射作業(yè)面放炮時, 足以抵抗爆破力振動, 不會出現水泥混凝土離鼓、開裂或脫落現象。
噴射機噴頭處的工作風壓應保持在0.1M Pa 左右。垂直向上輸料時, 每增高10 m , 工作風壓應比水平輸料時增大0.02～ 0.03M Pa。噴射作業(yè)開始前, 噴射手應對噴射機、風/水管路、輸料管路、電纜線路進行全面檢查, 檢查噴頭與輸料管的連接是否緊密, 防止連接處漏水, 并試運轉。作業(yè)開始, 應先送風, 后開機, 再給料; 結束時, 應待料噴完后, 再關風。
堅硬巖面噴射前應使用高壓風、高壓水沖洗, 遇水易潮解、風化的巖層應使用高壓風清掃巖面, 但土層表面不得用高壓風清掃。噴射作業(yè)時, 向噴射機供料應連續(xù)均勻, 正常運轉時, 料斗內應保持足夠的存料。料流出口與受噴表面宜垂直, 并應保持0.6～1.0 m 的距離。噴頭應按直徑為30 mm 的螺旋形軌跡一圈壓半圈地移動。噴射的水泥混凝土表面應呈潮濕光澤, 無干斑或滑移流淌現象。這樣就能使粗集料能夠嵌入塑性噴層之中, 料流的沖擊力適宜, 回彈降低, 粉塵減少, 噴層表面平整。
因堵管、停風、輸料中斷或噴射作業(yè)完畢后, 應立即關閉噴頭水閥, 必須將噴射機和輸料管內的積料清除干凈, 并將噴頭朝下放置, 嚴防水分倒流進輸料管中, 同時將噴頭內的水環(huán)清洗干凈。
3.5 噴射鋼筋網水泥混凝土
噴射鋼筋網水泥混凝土前, 應清除鋼筋網污銹,增強鋼筋與水泥混凝土的粘接。鋼筋網宜在巖面噴射一層水泥混凝土后鋪設, 鋼筋網與壁面的距離宜為30 mm , 網格尺寸不宜小于150 mm ×150 mm , 距離過大, 網格過密, 鋼筋背面形成空洞的機率增大。采用雙層鋼筋網時, 第二層鋼筋網應在第一層鋼筋網被水泥混凝土覆蓋后再鋪設。鋼筋網應與錨桿或其他錨固裝置聯結牢靠, 噴射時不得晃動, 以免造成施工缺陷, 易于脫落。
開始噴射時, 將噴頭與受噴面的距離縮短至60～ 80 cm , 并調節(jié)噴射角度, 以保證鋼筋與壁面之間水泥混凝土的密實性; 提高料流的沖擊力, 迫使水泥混凝土嵌入鋼筋背面, 保證鋼筋被水泥混凝土包裹,提高水泥混凝土噴層的密實性。鋼筋網的反彈往往導致回彈脫落量增大, 應及時清除噴射中脫落的水泥混凝土。
3.6 噴射鋼纖維水泥混凝土
噴射鋼纖維水泥混凝土時, 鋼纖維長度偏差不應超過公稱值的±5% 范圍。因為過長的鋼纖維易成團, 鋼纖維過短則影響抗裂能力和抗拉強度。噴射水泥混凝土對鋼纖維長度偏差的要求比其他鋼纖維水泥混凝土結構要高1 倍。
鋼纖維不得有明顯銹蝕、油跡及其他妨礙鋼纖維粘接的雜質, 鋼纖維內的粘接片、鐵屑及雜質總量不應超過鋼纖維質量的1%。
鋼纖維在噴射水泥混凝土中的分布應均勻, 不得成團。推薦采用播料機將鋼纖維均勻投入水泥混凝土中, 且攪拌時間不宜小于180 s。
在鋼纖維噴射水泥混凝土表面宜再噴射一層厚度為10 mm 的水泥砂漿, 其強度等級不應低于鋼纖維噴射水泥混凝土的強度等級, 以減少鋼纖維在表面裸露銹蝕, 提高耐久性。
3.7 噴射水泥混凝土低溫施工
低溫施工時, 噴射水泥混凝土的溫度不應低于5 ℃, 否則, 應停止施工, 并不得噴水養(yǎng)護。在普通硅酸鹽水泥配制的噴射水泥混凝土強度低于設計強度的30% 時, 礦渣硅酸鹽水泥配制的噴射水泥混凝土強度低于設計強度的40% 時, 水泥混凝土不得受凍。
3.8 噴射水泥混凝土養(yǎng)生
噴射水泥混凝土的水泥用量和砂率都很大, 表面蒸發(fā)率較大時, 應加強養(yǎng)生, 防止開裂。一般噴射水泥混凝土在終凝后2 h, 即應開始噴水養(yǎng)生。一般工程的養(yǎng)生時間不得少于7 d, 重要工程不得少于14 d。每天噴水養(yǎng)生的次數, 以保持表面90% 相對濕度為準。濕度較好的隧道、洞室或地下、地上封閉環(huán)境中的噴射水泥混凝土, 可酌情減少噴水養(yǎng)生次數。
4 噴射水泥混凝土質量控制
4.1 強度控制
噴射水泥混凝土的密實性與抗壓強度變異要比普通水泥混凝土大, 而隧道噴錨支護結構的可靠性要求也相當高。因此, 此類重要工程的噴射水泥混凝土施工, 宜根據噴射水泥混凝土現場28 d 齡期抗壓強度的試驗結果, 繪制抗壓強度質量圖, 按強度質量控制圖進行強度控制。
4.2 勻質性控制
噴射水泥混凝土的勻質性, 可以現場28 d 齡期噴射水泥混凝土抗壓強度的標準差和變異系數, 按表5 的水平控制。
5 噴射水泥混凝土安全施工與防塵
5.1 安全施工主要措施
施工前, 應認真檢查并處理錨噴支護作業(yè)區(qū)的危石, 施工機具應布置在安全地帶。在Ì、Í 級圍巖中進行錨噴支護施工時, 應遵守下列規(guī)定。
(1) 在圍巖穩(wěn)定性較差的情況下進行錨噴施工時, 由于隧道開挖后自穩(wěn)時間很短, 易發(fā)生安全事故, 開挖后應及時支護。利用支撐效應, 減少對開挖工作面附近圍巖的擾動, 錨噴支護必須緊跟開挖工作面。施工中應先噴后錨, 噴射水泥混凝土厚度不應小于50mm。噴射作業(yè)中, 應有人隨時觀察圍巖變化情況, 保證作業(yè)區(qū)的安全。
(2) 錨桿施工宜在噴射水泥混凝土終凝3 h 后進行。因為, 此時抗壓強度達到1.0M Pa 左右, 可保證錨桿施工安全。向錨桿孔注漿時, 注漿罐內應保持一定數量的砂漿, 以防罐體放空, 砂漿噴出傷人。處理管路堵塞前, 應卸除罐內壓力。
(3) 施工中, 應定期檢查電源線路和設備的電器部件, 確保用電安全。處理機械故障時, 必須使設備斷電、停風。向施工設備送電、送風前, 應通知有關人員。
( 4) 噴射機、水箱、風包、注漿罐等都是承壓設備, 應進行密封性能和耐壓試驗, 合格后方可使用。噴射水泥混凝土施工作業(yè)中, 要經常檢查出料彎頭、輸料管和管路接頭等有無磨薄、擊穿或松脫現象, 發(fā)現問題, 及時處理, 防止出現安全事故。
(5) 噴射中出現堵管時, 應將輸料管順直, 必須緊按噴頭, 應盡可能采取敲擊法疏通。疏通管路的工作風壓不得超過0.4M Pa, 防止爆管。
(6) 噴射水泥混凝土施工用的工作臺架應牢固可靠, 并應設置安全欄桿。
(7) 非操作人員不得進入正進行施工的作業(yè)區(qū)。施工中, 噴頭和注漿管前方嚴禁站人。
(8) 速凝劑和樹脂具有較強的堿性, 對人體皮膚具有腐蝕作用, 易燒傷皮膚, 應避免直接接觸。樹脂是可燃物質, 應嚴禁接觸明火。
(9) 噴射鋼纖維水泥混凝土施工中, 應采取措施防止鋼纖維扎傷操作人員。
5.2 防塵
采用干法噴射施工時, 宜采取綜合防塵措施。在保證順利噴射的條件下, 增加骨料含水率; 在距噴頭3～ 4 m 處增加一個水環(huán), 用雙水環(huán)加水; 在噴射機或混合料攪拌處, 設置集塵器或除塵器; 在粉塵濃度較高地段, 設置除塵水幕; 加強作業(yè)區(qū)的局部通風;采用增粘劑等外加劑。
噴射作業(yè)區(qū)的粉塵主要是飛散的水泥粉, 其濃度不應大于10m g/m 3。每半個月至少測定一次粉塵濃度。噴射水泥混凝土作業(yè)區(qū)人員, 應采用防塵用具。
6 結語
速凝劑主要用于隧道、邊坡等結構表面防護的噴射水泥混凝土, 與普通水泥混凝土相比有其特殊性。如能參照規(guī)范合理選擇噴射水泥混凝土的原材料, 進行精確的配合比設計, 正確選擇噴射機械和工藝流程, 嚴格控制噴射施工質量, 就能達到設計的效果, 保證噴射水泥混凝土的施工質量。
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