水利水电工程喷射混凝土施工材料的应用研究论文_艾丽敏

中国水利水电第十一工程局有限公司 河南郑州 450001

摘要:目前我国水利水电工程事业发展迅速,不同规模的水利水电工程为提升国民生活水平、促进社会发展做出了积极的贡献。为了确保水利水电工程正常且稳定的运转,需要不断加强对施工质量控制要点的研究。现阶段,在水利水电工程地下工程的支护及基坑边坡支护的过程中最为常用的技术手段就是喷射混凝土施工材料。这种施工技术手段不仅可以显著提升使用质量,还能够提升施工效率缩短施工时间。本文将从多个角度系统地阐述喷射混凝土材料这一施工技术手段在水利水电工程中的应用。

关键词:水利水电工程;喷射混凝土材料

1 前言

大力发展水利水电事业可以为改善我国能源资源配比、环节能源危机及气候危机、进行水量调配、发展我国生态环境治理事业等方面做出积极的贡献。截止到目前为止我国依旧有约70%的水电资源尚未得到充分的开发与利用,我国今后的水利水电事业的建设任务依旧非常繁重[1]。在建设水利水电工程的过程中所应用的喷射混凝土材料施工技术手段可分为两种干喷法和湿喷法[1]。两种不同的施工方法对混凝土材料性能、配合比设计等一系列的要求都是非常高的,为了进一步提升喷射混凝土材料在水利水电工程中的施工质量,需要综合多篇优秀文献及多年工作经验对各个控制要点开展更为详细的分析与讨论。

2 喷射混凝土的施工工艺特点

在水利水电工程中最为常用的喷射混凝土工艺主要有两种——干式喷射工艺和湿式喷射工艺[1-2]。干式喷射施工工艺的特点是首先将混凝土的粗集料、细集料、水泥和速凝剂通过干料搅拌机进行充分的搅拌拌和,然后通过连接有空气压缩机的喷射机器和连接有水泵的喷嘴喷射到施工面上;湿式喷射施工工艺的特点是首先将混凝土的粗集料、细集料、水泥和水通过搅拌机进行充分的搅拌,然后通过连接有空气压缩机的喷射机并在喷嘴处加入速凝剂将混凝土喷射到施工面上。湿式喷射施工工艺可以确保水与各个混凝土材料之间的结合度更高、在拌和的过程中所产生的粉尘更少。

3 喷射混凝土中的主要材料分析

3.1 胶凝材料[2]

(1)水泥

为了确保混凝土材料的性能及质量,应在采购水泥时选择刚出厂的水泥。如果水泥出厂时间尚未超过性能衰减要求,则应选用强度超过325的硅酸盐水泥。选用硅酸盐水泥的原因在于硅酸盐水泥相较于其他在工程领域常用的水泥,其凝结硬化速度快、早期强度高且与不同类型的速凝剂之间的相溶性强。此外,还可以选用强度超过425的火山质硅酸盐水泥。为了避免水泥质量对喷射混凝土质量带来不利的影响,需要对水泥进行质量检测。首先应对水泥进行细度检测,可通过使用筛析法测定水泥的筛余量,结合《水泥细度检测方法筛析法》(GBT1345-2005)[3]中的具体规定对水泥细度进行评价;然后随机抽取一定量的水泥进行凝结时间的测定,以国家出台的标准为依据对凝结时间进行评价;通过使用国家标准水泥强度检测方法[3]对水泥砂浆试件的抗折强度及抗压强度进行测定,确定所检测的水泥强度符合工程建设要求;对水泥材料的体积安定性及水化热的大小进行检测等。

(2)矿物质材料[3]

在混凝土中所掺加的矿物质材料主要有粉煤灰、火山灰等。将火山灰掺加到硅酸盐水泥之中可以促使其与 之间发生化学反应以形成硅酸钙胶体,进而提升水泥材料的和易性、抗渗性能和抗腐蚀性能。另外,掺加了矿物质的水泥在发生碱骨料反应的过程中混凝土的自身膨胀幅度也会大幅度减小。但是也应对矿物质材料的掺加量进行严格的控制,过多的矿物质材料会影响混凝土的早期强度。而适量的矿物质材料可以增强混凝土材料在输送泵中的可泵性[3]。

(3)硅粉[3]

硅粉是一种在埋弧式电炉中生产硅、硅铁及其其他硅合金材料过程中所产生的一种细小的、飞机降性质的凝硬性副产品[4]。通过试验分析可知硅粉中 的含量约百分之八十五,因此硅粉比硅酸盐水泥的颗粒更细。将如此细的硅粉掺加到水泥之中可以将水泥颗粒之间的间隙填满以减少水泥的渗透性能,进而大幅度提升混凝土材料的密实度。此外,硅粉的凝硬性特点也会促使混凝土材料的粘性及粘结力大幅度提升、回弹率显著降低[3]。为了进一步促使硅粉在混凝土材料中的性能优势,需要在使用硅粉之前对其进行完全的破碎,并加水进行充分的搅拌。硅粉与水搅拌后的产物为硅粉浆液[1],硅粉浆液中掺加适量的高效减水剂可以有效提升混凝土材料的和易性。

3.2 骨料[3]

在混凝土中加入粗细骨料可以有效阻止水泥砂浆中微裂纹原有的扩展路径,进而大幅度提升混凝土材料的自身承载能力和抵抗变形的能力,这也与粗细骨料的掺加量有直接的关系。当粗细骨料在混凝土材料中的质量比较小时,粗细骨料所能够提升混凝土自身承载能力的比例可达到30%左右。为了提升喷射混凝土的施工质量,需要对混凝土集料中的骨料进行优质化的选择。在对天然细骨料(砂)进行选择时应选择有着良好磨圆度的、坚硬且耐久性强的砂。其次也应选择压碎值、抗压强度、含沙量及泥块含量[2]符合国家应用标准的骨料。喷射混凝土中的粗骨料粒径大小应控制在15mm左右,这样粒径的骨料会合理化的避免回弹或喷射管路出现堵塞的情况。一旦在选择粗细骨料粒径的过程中骨料之间的级配不合理,那么将会导致混凝土出现粗糙的外表面,骨料在水泥浆粘结的力度不足[4],致使混凝土浇筑质量出现严重的问题。

3.3 混凝土中的水及混合料添加新工艺[3]

无论是喷射混凝土还是施工中常用的传统混凝土,其对水的质量要求都较高。应对自来水进行净化处理,除去水中的有害物质,防止有害物质严重的影响到混凝土中水泥的凝结与硬化效果。为此,应采取化学处理的方法或物理处理方法将水的PH值控制到4以下,并严格控制水泵的高压水喷射压力进行合理化的控制,压力值合理的高压水能够将混凝土材料更加均匀的混合。依据多年工作经验可知,混合水中的最低水压力应等于或大于喷头处的水压力(一般为0.1Mpa)。在这样的水压力控制下可以促使料流与混合料被混合压力水穿透。此外,添加适量的外加剂可以高效的改善混凝土的各项物理性能,并且减少水泥的用量以减少水化热所带来的温度应力的影响。在喷射混凝土材料中经常掺加的外加剂为速凝剂,速凝剂可以在短时间内快速提升混凝土的凝结速度,促使混凝土的早期强度增长迅速。

3.4 钢筋[3]

水利水电工程在使用喷射混凝土施工技术的过程中必须对所用的钢筋质量要求更高。首先应在对钢筋供应商进行优质化的选择,确定供应商所提供的钢筋是符合国家规范要求的各项物理性能指标的,然后在钢筋进场前对钢筋的物理性质进行抽样试验检测,以确保钢筋混凝土结构的骨架质量。在对钢筋进行现场存放的过程中应做好充分的防潮、防晒、防腐处理,避免在钢筋被使用出现一定的质量损失。在喷射混凝土之间首先要做的工作就是在施工现场布置钢筋骨架。钢筋骨架的间距应控制在30mm到150mm之间。钢筋骨架中应布置钢丝网,需在钢丝网的表面镀锌[5],这样可以防止钢丝网被腐蚀,以提升钢丝网的使用耐久性。如果在施工现场因一些特殊性的原因而无法镀锌,那么应将钢丝之间的间距控制在150mm之内。

3.5 少量的纤维材料[4]

将少量的纤维材料掺加到喷射混凝土材料之中可以通过借用纤维拉结能力提升混凝土材料的抗拉性能,并且还能提升一定的抗裂能力和防渗能力。原因在于纤维材料可以高效的改善混凝土材料的韧性性能,能够在外力作用下限制混凝土水泥基料中裂缝的拓展。在喷射混凝土中所添加的纤维材料种类主要有制造纤维材料(短纤维等)、长纤维(聚丙烯纤化薄膜等)、纤维制品(玻璃纤维网格布等)。据相关研究性文献研究结果表明,随着纤维材料的添加,混凝土材料的抗拉极限强度会提升约30%到50%[5].但是随着纤维材料的添加,喷射混凝土材料的强度会有小幅度的下降。因此需要在施工活动开始之前对纤维的添加量进行试验测试。

4 喷射混凝土材料性能影响因素分析

4.1 拌合料对喷射混凝土材料性能的影响

通过对多篇研究性文献的喷射混凝土试验数据进行分析可知,当水泥的含量达到最佳含量时,喷射混凝土的早期强度及极限强度提升较快且凝结质量较高。但是如果水泥的含量超过最佳含量时,混凝土材料在被喷射之后发生瞬凝的过程中一旦被扰动,那么混凝土材料的早期强度及极限强度会发生严重的下降[5]。与此同时,外加剂(速凝剂)的掺加含量对混凝土整体性质影响较大,如果外加剂的掺加量适宜,则混凝土的前期强度提升较快且后期强度下降幅度较小;如果外加剂的掺加量较多,则混凝土的早期强度及后期强度则无法满足工程质量要求。如果混凝土集料的含水量较大,那么在水泥较稀的前提下粗细骨料表面就会缺乏足够的水泥粘附,水域干拌合料在喷射装置喷嘴处的拌和质量也会严重下降。

4.2 混凝土喷筑条件对混凝土材料强度的影响

能够对喷射混凝土材料强度产生影响的因素主要有混凝土集料的配料作业、施工人员对喷嘴及喷射装置的使用、混凝土集料的温度、施工环境湿度及温度等[5]。人为因素是影响喷射混凝土质量的关键因素。由于施工现场施工人员错误的操作会导致混凝土中水的含量不受控制、骨料级配不合理等一系列问题的出现,进而严重影响喷射质量及混凝土在被喷射面的均匀性。在房建工程项目中所使用的混凝土材料强度可受技术人员对混凝土含水量或水灰比控制。但是在水利水电工程的支护工程中所使用的喷射混凝土施工技术手段对所喷射混凝土的材料性能进行控制并不是简单的调节含水量或水灰比。例如在使用干喷技术的过程中技术人员为调整喷射混凝土性能所控制混凝土拌合料的水灰比或含水量的调控范围是非常有限的。一旦在调节的过程中水灰比不合理,那么喷射混凝土的质量就会受到严重的影响,混凝土的强度就会出现严重的下滑。所以在使用干喷技术手段之前应首先明确此方法对混凝土材料施工质量调节的可参考的因素可分为含水量、水泥的含量、喷射速度等[3]。

4.3 水泥材料预水化对喷射混凝土材料强度的影响

通过对多个水利水电工程施工现场的喷射混凝土施工技术应用情况进行汇总分析可知,干喷法是最为常用的一种喷射方法。该方法会要求粗细骨料含有一定量的水分。这种含有一定含水量的粗细骨料在与水泥土等干拌合料充分接触的过程中会产生较少的灰尘。但是在此其中也会发生水泥材料的预水化反应。但是粗细骨料与水泥土之间的预水化反应时间较短,部门发生与水化反应的水泥土颗粒在高速喷射的过程中会影响骨料与水泥与粗细骨料之间的粘结力度,进而严重影响水化反应的均匀化发展,从而对混凝土的喷射质量产生一定的影响。在喷射混凝土中掺加一定量的速凝剂可以显著缩短水泥与粗细骨料中水分之间的预水化反应时间,例如相同的条件下掺入适量的速凝剂,混凝土28天的强度会下降百分之四十左右;不掺入速凝剂,混凝土28天的强度下降约百分之十。预水化反应不彻底的混凝土在喷射之前就已经出现了明显的结块成团现象。随着混凝土材料温度的不断提升,通过喷射装置喷射的混凝土材料内部凝聚力较低,力学强度达不到施工质量要求标准。因此可以认为影响混凝土材料与水化反应的因素有很多,而对喷射混凝土质量进行控制的关键工作就是在采用干喷技术的过程中尽量缩短混凝土混合料在搅拌与喷射之间的时间间隔,在施工的过程中做到边搅拌边喷射。

4.4 喷射混凝土试验方法的影响

在喷射混凝土施工之前进行试验是非常必要的,试验过程中对试件制作方法的确定、荷载加载方式的确定对喷射混凝土的早期强度增长速度及后期极限强度产生较大影响,甚至会出现强度测试值离散情况。依据本人多年工作经验,许多技术人员在对喷射混凝土进行试验的过程中经常出现未将试件放置于加载设备中心、荷载加载的速速率较低、试件与加载设备之间的垫帽不良、试件养护温度及湿度较低、试件养护周期内受到较大扰动等情况。以上这类情况均会导致试验所测数值偏低或承载力数字离散等。但是如果试件养护环境的温度及湿度都高,那么在试件受加载的过程中所获取的承载力数值偏高,也不符标准试验结果,无法通过试验工作指导混凝土的配合比等参数的确定。

喷射混凝土施工材料性能影响因素如下表所示:

5 结语

水利水电工程是一项利国利民的国家基础性项目[5],提升水利水电工程的施工质量可以起到节约资源、优化资源配置、提升国民生活质量等效果。喷射混凝土材料施工技术在水利水电工程中的应用范围较为广泛,该技术方法可以显著缩短施工时间、增强施工质量和节约施工成本。但是能够对喷射混凝土施工质量产生较大影响的因素较多,需要从各个角度进行更加全面的分析。

参考文献

[1]谢宏.探析喷射混凝土施工材料在水利水电工程中的应用[J].中国新技术新产品,2014,15:108.

[2]李佳宁.浅谈水利水电工程喷射混凝土施工材料的应用[J].广东科技,2013,2202:56-57.

[3]王惠民.水利水电工程混凝土施工技术与管理探析[J].珠江水运,2014,17:86-87.

[4]王科.喷射混凝土在钢筋混凝土结构加固工程中的应用研究[D].西南交通大学,2006.

[5]李冲志.纤维喷射混凝土的力学特性试验研究[D].安徽理工大学,2013.

作者简介

艾丽敏(1990.03);性别:女,民族:汉,籍贯:河南省濮阳市台前县人,学历:本科,毕业于河南城建学院;现有职称:助理工程师。

论文作者:艾丽敏

论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年15期

论文发表时间:2019/10/28

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