喷射混凝土配合比设计方法探讨

摘 要：喷射混凝土当前的配合比设计还没有一个很成熟的方法，只是通过一些规范提供的材料比例，进行试配，然后通过试喷来进行调整。用以衬砌支护的喷射混凝土的质量是隧道施工中施工安全的关键所在，一个没有充分依据和优化的配合比实在是让人无法信服，这里针对这个问题，结合自身的实践体会，总结出一些建设性的经验，也是对试验人员的帮助。

关键词： 喷射混凝土 ；配合比关键因素 ；注意事项

1 前言

与普通混凝土性能要求不同，喷射混凝土施工方式独特，施工时不用支模和拆模，凭借在水泥混凝土中添加速凝剂，就能使混凝土在短短几分钟内凝结硬化，除了最终强度要满足设计要求外，还要求较小的回弹，因而其配合比设计时的几个关键指标也与普通混凝土大相径庭。以下是根据多年来进行配合比配制的经验总结，较为详细地阐述喷射混凝土配合比设计中的几个关键注意事项，以求配制出性能良好的混凝土来满足用喷射机施工这种特殊工艺的施工需要。

2 喷射混凝土配合比设计的几个关键注意事项

2.1确定速凝剂掺量时的注意事项

喷射混凝土是一种以压缩空气为动力，将混凝土混合料料通过管道和喷嘴，把混凝土浆体直接喷射到岩石或结构物表面，仅依靠在水泥混凝土中掺加速凝剂，在短短几分钟内就能使混凝土凝结硬化，被喷射的岩石或结构物得到加强和保护。所以速凝剂的质量和掺量，在整个喷射混凝土配合比设计占有重要作用。速凝剂的作用机理是一方面速凝剂与水作用，反应出的NaOH与水泥中的石膏（CaSO4）发生化学反应，生成Na2SO4，使石膏失去缓凝作用，降低了水泥浆体中的（SO4）2-，从而使铝酸三钙（C3A） 迅速溶解水化，生成钙矾石，致使水泥浆迅速凝固。另一方面，钙矾石的生成降低了液相中Ca(OH)2浓度，加速了硅酸盐矿物特别是硅酸三钙（C3S）的水化，生成了水化硅酸钙凝胶，水泥因而产生强度。

我们选择速凝剂掺量是依据JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》6.5条规定，采用水泥净浆的方法来确定。

（1） 不同加水方式对掺量选择的影响

水泥：惠州光大凯城牌P.O 42.5R400g；

速凝剂：徐州超力CNF-ZW速凝剂12g

自来水：扣除速凝剂中水后 154g

加水方式 速凝剂混在水中一起加入水泥搅拌 先加80%水搅匀+速凝剂+加入留20%水洗装速凝剂的杯子 先把全部水加入搅匀+速凝剂

初凝（min：s） 3：14 4：45 8：16

终凝（min：s） 7：25 11：10 15：30

由试验结果可以看出，加水方式不同明显影响净浆凝结时间，直接导致选择速凝剂时掺量出现误差，影响最终喷射效果。所以我们要严格按照规范JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》6.5条规定，一次性把水加完，搅拌均匀后再加速凝剂，切记不要留水洗装速凝剂杯子。从这也可以看出在湿喷时控制到现场坍落度的稳定是多么重要。

（2）试验温度对掺量选择的影响

水泥：惠州光大凯城牌P.O 42.5400g；

速凝剂：徐州超力CNF-ZW速凝剂10g

自来水：扣除速凝剂中水后 155.2g（一次性加完）

温度 15℃ 20℃ 25℃

初凝（min：s） 8：15 4：26 3：45

终凝（min：s） 17：21 10：45 10：10

所以在不同的施工季节，对拌出的混凝土温度不同时，应该经常校对，适时调整速凝剂的掺量，来减少回弹。

2.2确定水灰比的时的注意事项

根据JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》，掺速凝剂的砂浆28d抗压强度比≥70%。也就是说最大允许30%的强度损失，所以我们可以将喷射混凝土强度等级换算成普通混凝土的强度等级，然后再按《普通混凝土配合比设计方法》（JGJ55-2000）进行配合比设计，见下表：

设计喷射砼强度等级 C15 C20 C25 C30

换算成普通混凝土的强度等级 C15/0.7 C20/0.7 C25/0.7 C30/0.7

按普通混凝土设计方法计算试配强度（MPa） 15/0.7+1.645*4

=28.01 20/0.7+1.645*5=36.80 25/0.7+1.645*5=43.94 30/0.7+1.645*6=52.73

按普通混凝土设计方法计算水灰比 0.67

0.51 0.43 0.36

备注 上表计算水灰比时：采用P.O 42.5水泥，取水泥富余系数γc=1计算的（也可采用水泥实际的富余系数计算）

再参考《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001对水灰比规定宜为0.42~0.50，如不满足可以选用不同强度等级的水泥来满足最佳水灰比要求。

2.3 水泥强度等级选用的注意事项

水泥强度等级的选择也非常重要，如果水泥强度等级太高，水灰比大，水

泥过少，结果回弹量大，初期强度增长慢；反之，水泥强度等级太低，水灰比小，水泥过多，粉尘量大，硬化后混凝土收缩大。《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001对水泥的要求不得低于32.5级。具体我们应该根据不同强度等级的喷射砼选用不同等级的水泥。从2.2条的表中也可看出：采用P.O 42.5水泥时，C15喷射砼计算出来的水灰比为0.67，水灰比太大，显然是不合适的，一般如果确要采用P.O 42.5水泥，就采用0.55左右的水灰比，造成性价比大大下降，此时如果采用P.C32.5水泥性价比就很好了，同理如果是C35喷射砼计算出来的水灰比为0.32，水灰比太小，显然是不合适施工的，此时如果采用P.052.5水泥，就很好施工了。

2.4 试验室配合比设计进行喷射砼成型时注意事项

我们依据设计好的配比，依次投入碎石、砂、水泥干拌均匀后投入水、减水剂搅拌2min，在满足设计要求的坍落度后，把计量好的速凝剂投入搅拌机中，搅拌20~30s，出机后，最好几个人一起，每人装一个试模，以最快的动作完成成型过程。但实际试验过程中我们会经常发现喷射砼配比试配的重复性很差，往往我们在自己的试验室拌的很好，一去中心试验室报批，再成型时得出的强度结果相差很大。或过段时间在自己工地试验室再重复拌时，都容易出现比较大的误差。主要原因有如下几点：

（1） 湿混凝土搅拌均匀后，加入速凝剂后，具体搅拌时间是经过目测，有的试验员控制的短，有的试验员控制的长，控制搅拌时间稍长的搅拌出来的混凝土太干太散，成型不易密实，使强度降低。

（2） 因为加完速凝剂后，混凝土在短短几分钟就会凝结，所以当混凝土出机后，成型人员少或动作太慢，也会使混凝土太干太散，成型不易密实，使强度降低。

（3） 由于某些原因湿拌混凝土的坍落度变大的话，会导致加入同样计量的速凝剂后，混凝土凝结时间变长，这时成型的强度往往会高出不少。

所以在成型时需要注意的是，保持混凝土凝结时间的一致情况下成型的重复性较好，凝结时间长，成型的试块强度高，凝结时间短，成型的试块强度低。

2.5砂率的选择注意事项

与普通混凝土一样，喷射混凝土砂率的合理选择非常关键，甚至更加重要。如果砂率过大，集料总表面积增大，用水量也跟着增加，造成水泥用量多，混凝土收缩加大。如果砂率过小，作业喷射时回弹大，且容易堵管。最佳砂率是满足施工要求下，回弹最少时的砂率。《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001对喷射混凝土砂率的选择要求50~60%。

2.6 单位水泥用量的确定注意事项

《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001要求灰骨比为1:3.5~4.0，多年施工经验表明，灰骨比为1:4时，是施工的最佳状态。这样我们确定好骨灰比、砂率，水灰比，速凝剂掺量，就可以根据体积法计算式得：

+ + + + +0.01α=1

将各材料用量关系式代入上式计算得出水泥用量，代入各种材料与水泥的关系式，就能求出其它各材料用量，即得喷射混凝土的理论配合比。

3 结束语

国外早在上世纪40年代就开始研究应用喷射混凝土，我国起步较晚，在上世纪50年代才开始使用喷射水泥砂浆来作矿山开巷、围岩表面的隔离防护层。1965年我国铁道部率先使用喷射混凝土技术，到那时我国才真正开始使用喷射混凝土。随后冶金部相继在矿山、隧道中使用。目前已在矿山、竖井平巷、交通隧道、水工隧道、地面电站硐室等工程的岩壁衬砌及坡面护面等支护工程以及薄壳结构、深基坑护壁、旋喷桩加固地基、边坡加固等工程上广泛使用。喷射混凝土由于其独特的施工方式，从原材料的选择、配合比的设计到施工机械、混凝土的力学性能等都比普通混凝土提出了更高的要求。

本文根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-200要求说明，对喷射混凝土配合比设计中的几个关键因素的确定进行了较为详细的展开和讨论，阐述了如何配制出性能良好的混凝土来满足用喷射机施工这种特殊工艺的施工需要。

参考文献

【1】 《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000

【2】 《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001

【3】 《喷射混凝土用速凝剂》JC477-2005

【4】 混凝土外加剂，熊大玉等，化学工业出版社

【5】 《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南》交公便字[2006]02号

【6】 《公路工程混凝土外加剂》JT/T523-2004