无机纳米材料和粗纤维在锦屏二级水电站喷射混凝土中的应用研究

石妍 彭尚仕 李家正 严建军

（长江水利委员会长江科学院、水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武汉430010）

摘要：结合锦屏二级东端引水隧洞工程，采用自设计的湿喷混凝土性能检测方法，开展无机纳米材料和粗纤维在喷射混凝土中的应用研究，试验结果表明：喷射混凝土中掺入无机纳米材料与粗纤维，混凝土拌和物性能良好。复掺无机纳米材料与粗纤维显著提高喷射混凝土的弯曲韧性，裂缝降低系数达56.8%。喷射混凝土与围岩轴拉粘结强度均在1.0MPa以上，且复掺的强度较高。自设计的试验方法可用于检测喷射混凝土性能，试验结果可为无机纳米材料与粗纤维在喷射混凝土中的应用提供技术参考。

关键词：无机纳米材料；粗纤维；喷射混凝土；力学性能；施工性能；与围岩粘结强度

1 引言

喷射混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将按一定比例配合的拌合料，通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而成的一种混凝土。近年来，喷射混凝土技术因工艺简便、效应独特及成本低，广泛应用于矿山井巷、水利水电、铁路隧道等工程建设中。喷射混凝土的性能一直备受关注，因其关系到工程质量、施工效率及工程造价等。

新型材料的应用，可以改善喷射混凝土的性能，促进喷射混凝土的技术发展，其研究和应用成为焦点。研究表明[1,2]，纳米材料掺入混凝土中，利用其特殊性能在水泥水化过程中形成纳米级微观水化产物，可明显改善混凝土的韧性。而增韧型合成粗纤维（简称粗纤维）以聚丙烯为主要原料[3]，可减少混凝土塑性收缩裂缝，显著提高混凝土抗冲击能力以及韧性和抗疲劳性。在喷射混凝土结构中，可替代或部分替代钢纤维，克服钢纤维运输不便、喷射反弹伤人、易生锈、易结团、磨损机械等缺点。而且，与钢纤维相比，同等体积掺量粗纤维的价格降低约50%。

但目前已发表的文献中，关于两种新型材料复掺在喷射混凝土中的应用较少。本文结合锦屏二级东端引水隧洞工程，采用自设计的室内湿喷方法，开展无机纳米材料及粗纤维在喷射混凝土中的应用研究，试验结果可为无机纳米材料与粗纤维在喷射混凝土中的应用提供技术参考，自设计的试验方法可用于对比不同配合比的喷射混凝土性能，为喷射混凝土的研究提供参考。

2 原材料及配合比

水泥：乃托42.5普通硅酸盐水泥，物理性能检测结果见表1；细骨料：大理岩人工砂，细度模数2.3；粗骨料：5～10mm的人工米石；无机纳米材料：主要化学成分SiO2，体积平均粒径D为150nm，减水率30.7%；速凝剂：初凝时间5min，终凝时间9min；粗纤维：主要原料为聚丙烯，经改性与表面处理工艺，当量直径146μm，公称长度36.86mm。

基于锦屏二级东端引水隧洞正在使用的湿喷混凝土配合比，喷射混凝土的试验配合比及拌和物性能见表2。

3 试验方法

试验采用湿法喷射混凝土，参照水电水利工程锚喷支护施工规范（DL/T 5181—2003）相关规定，利用喷大板切割的方法检测混凝土性能。喷射前，将模具喷筑面朝下倾斜，与水平面夹角约80°，置于墙角，模具内壁应擦净，涂一薄层矿物油。喷射方向与受喷面垂直，喷射距离控制在0.8m左右。在喷射过程中，液态速凝剂由喷抢出口处的导管定量泵送。喷射顺序为从左至右、自下而上。喷射完成后的大板试件见图1。

喷射满混凝土的模具移置安全可靠的地方，抹面编号后移至试验室。24h后脱模，脱模后的大板试件放入标准养护室中养护7d，进行试件的切割，继续在标准条件下养护至试验龄期。成型的大板钢模尺寸为1000mm×500mm×100mm，切割的抗压试件为100mm×100mm×100mm，抗弯试件为400mm×100mm×100mm，力学性能测试依据《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）的规定。

采用平板法测试喷射混凝土的抗裂性，参照CCES 01—2005《混凝土结构耐久性设计与施工指南》的规定，试验装置的试模尺寸为600mm×600mm×63mm，由放置在周边的L形钢筋网提供约束，试模内部底面上铺一层塑料薄膜以减少对混凝土的约束。试件喷射完成后，抹平，立即置入温度25±2℃，相对湿度60%±5%的环境中，用风扇吹混凝土表面，记录试件开裂情况。

喷射混凝土与围岩轴拉粘结强度的试验方法是：将现场取样的岩石加工成100mm×100mm×50mm的尺寸，垂直横置在混凝土翼型轴拉试模的正中间，试模规格见SL 352—2006。喷射过程中保持石块固定，待混凝土完全充满并覆盖试模，停止喷射，立即平模、编号，在养护室中养护至24h拆模，按照SL 352—2006的方法进行轴向拉伸试验观测。

4 试验结果与分析

4.1 力学性能

单掺纳米材料的喷射混凝土、复掺纳米材料和粗纤维的喷射混凝土力学性能试验结果见表3，喷射混凝土的变形—荷载曲线见图2。

试验结果表明，掺入纳米材料的两组混凝土含气量均稍高；复掺纳米材料与粗纤维，可提高喷射混凝土的抗压强度；复掺对喷射混凝土的抗弯强度及初裂强度没有提高效果，但显著增加弯曲韧度指数和等效抗弯强度。单掺纳米材料的喷射混凝土开裂即破坏，初裂缝也就是贯穿裂缝，荷载—变形曲线的下降段比较陡，下降很快；而纳米材料与粗纤维复掺的喷射混凝土初裂后仍能承受冲击力，荷载—变形曲线的下降段变缓，弯曲韧性较好。对比传统钢纤维喷射混凝土的力学性能[3]，本试验中的混凝土抗压强度稍低，但抗弯性能优异。

无机纳米材料主要由纳米硅粉组成，随着颗粒的细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物质材料所不具有的小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应[1]。而粗纤维耐腐蚀、易分散、易施工，且表面经特殊处理，与混凝土粘结性强。因此，无机纳米材料可细化喷射混凝土的孔隙结构，减少大孔比例，增加小孔含量，而合成粗纤维与混凝土之间有良好的握裹力，对喷射混凝土基体裂缝有桥接能力，两者复掺可提高混凝土的力学性能和弯曲韧性。同时，喷射混凝土的性能还受施工工艺和机械设备等因素影响。

4.2 抗裂性能

喷射混凝土平板式试验示意图见图3，根据喷射混凝土24h开裂情况，计算下列参数：

（1）裂缝的平均开裂面积：

（2）单位面积的开裂裂缝数目：

（3）单位面积上的总开裂面积：

C=ab（mm2/m2）

（4）裂缝降低系数：

式中 Wi——第i根裂缝的最大宽度，mm；

Li——第i根裂缝的长度，mm；

N——总裂缝数目，根；

A——平板的面积0.36m2。

喷射混凝土抗裂性能测试结果见表4。试验结果表明：单掺纳米材料的喷射混凝土的开裂时间早，平均开裂面积大，单位面积的裂缝数目大，单位面积的开裂面积大，最大裂缝宽度大；复掺纳米材料和粗纤维的喷射混凝土显著提高了喷射混凝土的抗裂性，裂缝降低系数达56.8%。

4.3 与围岩轴拉粘结强度

喷射混凝土与围岩粘结试验过程见图4，试验结果见表5。试验结果表明，两组配合比拌和物性能相当的情况下，喷射混凝土与围岩28d龄期轴拉粘结强度均在1.0MPa以上，达到I类岩石的技术要求[4]。且无机纳米材料与粗纤维复掺后，粘结强度值有所提高。《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB/T 50086—2001）与《水电水利工程喷锚支护施工规范》（DL/T 5181—2003），都在附录中列出了3种喷射混凝土与围岩粘结强度检测方法，即预留试件拉拔法、现场钻芯拉拔法、喷大板室内劈拉法。

相比而言，预留试件拉拔法有操作麻烦、挖环形槽难度大、埋拉杆难以保证不偏心等问题[5]。现场钻芯拉拔法的芯样损伤大、安装拉力架与膨胀螺栓存在偏心，且取芯成功率低，得到的轴拉粘结强度偏低。而喷大板室内劈拉法容易操作，只要保证岩石喷射面表面平整、加工厚度均匀，但喷射混凝土与岩石结合面不可能做到在劈拉试验时完全在同一垂直面上，多少存在剪切现象，因此，得到的劈拉粘结强度偏高[6]。本试验设计的喷射混凝土与围岩轴拉粘结强度测试方法，操作简单、成功率高、测试值可信，适合于室内湿喷混凝土的试验条件。

5 结论

结合锦屏二级东端引水隧洞工程，采用自设计的室内湿喷方法，开展无机纳米材料和粗纤维在喷射混凝土中的应用研究，测试结果可为无机纳米材料与粗纤维在喷射混凝土中的应用提供技术参考，自设计的试验方法可用于检测喷射混凝土性能。试验结果表明：

（1）喷射混凝土中掺入无机纳米材料与粗纤维，混凝土拌和物性能良好。

（2）复掺无机纳米材料与粗纤维显著提高喷射混凝土的弯曲韧性，裂缝降低系数达56.8%。

（3）单掺无机纳米材料和复掺纳米材料与粗纤维的喷射混凝土，与围岩轴拉粘结强度均在1.0MPa以上，且复掺的强度较高。

参考文献

[1] 王景贤，王立久．纳米材料在混凝土中的应用研究进展．混凝土，2004（11）:18-21.

[2] 陈东．纳米混凝土在不良地质隧洞支护中的应用 [J]．人民长江，2009,4（10）:32-33.

[3] 曹小霞，郑居焕．钢纤维和聚丙烯粗纤维对活性粉末混凝土强度和延性的影响 [J]．安徽建筑工业学院学报：自然科学版，2011,19（2）.

[4] GB 50086—2001锚杆喷射混凝土支护技术规范 [S].

[5] 黄国兴，刘燕波，柳华英，等．对预留试件拉拔法检测粘结强度的改进建议 [J]．水力发电，2008（2）:78-80.

[6] 黄国兴，陈文耀，尹俊宏．喷射混凝土与围岩粘结强度合理指标的探讨 [J]．水力发电，2007,3（2）:78-80.