观音坳隧道纳米改性喷射混凝土性能与应用

庞佳玮，刘凯

（1.广东省路桥建设发展有限公司二广分公司，广东 广州 510000；2.江苏省建筑科学研究院有限公司 高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 211103）

0 引言

观音坳隧道为广东华陆高速的重要组成部分，隧道所经山体的富水、围岩等级高等特点对喷射混凝土的回弹率和抗渗性能提出了更高的要求，针对上述实际工程需求，通过复掺纳米低回弹掺合料制备纳米改性喷射混凝土，并在广东华陆高速观音坳隧道中实体施工，进行力学和耐久性能测试，为高耐久喷射混凝土的设计和应用提供参考。

1 原材料与配合比

1.1 水泥

水泥为华润P·O 42.5 级水泥， 其物理和化学性能分别见表1、2。

表1 华润水泥的物理性能

表2 华润水泥的化学性能

1.2 速凝剂

试验所用速凝剂为观音坳隧道工程使用的市售有碱速凝剂，其性能见表3。

表3 速凝剂基本性能

1.3 集料

细集料采用河砂，细度模数为2.82，粗集料为5~10 mm 碎石。

1.4 纳米低回弹掺合料

纳米低回弹掺合料为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的SBT@-HDC(Ⅱ)纳米低回弹掺合料。

1.5 配合比

初支施工C25 喷射混凝土配合比见表4。

表4 C25 喷射混凝土施工配合比 单位：kg/m3

2 纳米改性喷射混凝土试验

2.1 拌合物性能

参照GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》 对C25 喷射混凝土拌合物进行含气量、表观密度、坍落度、扩展度及经时损失试验，试验结果见表5。

表5 C25 喷射混凝土拌合物性能

从表5 可以得出，相较于基准混凝土，纳米低回弹掺合料掺入后，混凝土含气量降低了0.6%，容重提高了20 kg/m3， 初始坍落度增加了15 mm，初始扩展度增加了70 mm，且1 h 后的坍落度和扩展度损失较小，表明其掺入后改善了喷射混凝土的工作性能，提高了受喷材料的稳定性，降低了施工过程中因混凝土工作性能损失而出现泵送困难和堵管现象的风险。

2.2 回弹率

参照JGJ/T 372—2016 《喷射混凝土应用技术规程》在广东华陆高速观音坳隧道施工中进行喷射混凝土回弹率指标测试，测试结果见表6。

表6 喷射混凝土施工回弹率

从表6 可以得出，基准组回弹率较大，这是由于基准混凝土粘聚性较差，且强度和凝结硬化发展缓慢导致；相较于基准组，掺入纳米低回弹掺合料后，同施工条件下回弹率降低了47.7%，原因是纳米低回弹掺合料增大了胶凝材料的比表面积，改善了浆体的包裹力， 提高了喷射混凝土的粘聚性，降低了施工时混凝土的回弹。

2.3 混凝土力学性能和耐久性能

施工过程中采用450 mm×350 mm×120 mm 模具制备C25 喷射混凝土大板，同条件养护28 d 后，利用切割法制备100 mm×100 mm×100 mm 混凝土标准立方体试块， 采用钻芯法钻取φ100 mm×d50 mm的圆柱体试块，参照GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》 及GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行抗压强度、 抗碳化和氯离子扩散系数测试试验，试验结果见表7。

表7 C25 喷射混凝土力学性能及耐久性能

由表7 可以得出，掺入纳米低回弹掺合料的喷射混凝土28 d 抗压强度较基准组提高了13.8%、28 d 氯离子扩散系数较基准组降低了41%、28 d碳化深度较基准组降低了19.6%。原因是掺合料中的纳米组分在掺入后，一部分以纳米晶核的形式促进水泥水化，另一部分填充了由于水化带来的细微孔隙，提高了喷射混凝土基体的密实性。

3 施工效果

为验证上述喷射混凝土的实体施工性能，在广东华陆高速观音坳隧道中选取围岩潮湿区域进行实体施工试验， 采用湿喷工艺进行喷射混凝土施工，待7 d 后观测喷射混凝土表面渗水情况以验证纳米改性喷射混凝土实际作用效果。

在隧道围岩湿润的前提下，基准组与试验组呈现出截然相反的状态，基准组在钢架区出现明显的水痕， 这是由于围岩水渗透过喷射混凝土造成的，而试验组呈较为干燥的状态，表明掺入纳米低回弹掺合料的纳米改性喷射混凝土具有较好的抗渗耐久性能。

4 结论

（1）相较于普通喷射混凝土，纳米改性喷射混凝土具有显著的降低回弹率的作用， 降低幅度达47.7%。

（2）相较于普通喷射混凝土，纳米改性喷射混凝土28 d 抗压强度提高了13.8%，28 d 氯离子扩散系数降低了41%，28 d 碳化深度降低了19.6%，表明具有良好的力学和耐久性能。

（3）纳米改性喷射混凝土施工效果显著，改善了喷射混凝土抗渗性能，有助于提升结构耐久性。