赞比亚伊泰兹水电站湿喷混凝土施工技术研究.DOC

1、赞比亚伊泰兹水电站湿喷混凝土施工技术研究 邓兆勋 摘 要 本文系统介绍了赞比亚伊泰兹水电站工程湿喷混凝土的施工技术研究，通过机械选型、配合比设计试验、现场施工工艺试验研究和经济分析，制定了满足工程设计要求且经济合理的湿喷混凝土施工工艺措施。 关键词 湿喷混凝土 施工技术 工艺研究 综合分析 1 概况 伊泰兹水电站位于赞比亚中心省、距首都卢萨卡以西约 320km 的凯富河上，利用原有伊泰兹水库新建水力发电系统，包括引水遂洞，调压井、地面厂房及尾水 渠，总装机容量120MW，属 EPC 项目。 根据标书和设计要求，引水隧洞、调压井及调压井高边坡采取挂网锚喷支护方式，标书明确规定喷射混凝土采用湿喷法

2、施工。边坡前期喷护混凝土强度等级 C20，抗折强度等级为 F3（ 3.0MPa），厂房及引水隧洞后期喷锚混凝土强度等级改为 C25，抗折强度等级为F3.2（ 3.2MPa）。为保证施工进度、质量以及良好的经济效益，施工过程中对湿喷混凝土施工技术进行了综合性研究，产生了良好的经济和社会效益。 2 机械选型的研究 当前，国内外喷射混凝土大体分为干喷法、潮喷（水泥裹砂）法、湿喷 法三种。干喷法施工设备小，便于布置，不易卡管，最大骨料粒径一般为 15mm，水泥单耗少，但混凝土强度波动大，回弹量大，粉尘多，不适合地下工程；湿喷法强度稳定，质量可靠，回弹小，粉尘少，地下、地面均适用，缺点是喷射最大骨料粒径

3、一般为 10mm，水泥单耗多；潮喷法是在干喷法的基础上，通过混凝土原材料二次加水工艺改进而成，优缺点介于干喷与湿喷之间。通过三种施工方法的比选，湿法喷射只要解决最大喷射骨料粒径，降低水泥单耗，便具有了其它两种施工方法无法企及的优势。为此，结合现场已有 JS500 型拌合站、XAMS850CD/12m3空压机、 6m3混凝土搅拌罐运输车进行了设备配套选型： A 选择价格比国外同类产品低廉的国内产品； B 按干喷机标准选择最大可喷射骨料粒径 15mm 的湿喷设备； C 选择耐磨性好的转子、活塞式喂料机构。 D 选择具有较高的水平和垂直输送能力的设备，便于远距离输送； E 选择与已有设备配套的机型。

4、 经过多方面的研究、比较，本项目采用中铁岩峰成都科技有限公司生产的 TK500 型转子活塞式湿喷机。其主要技术参数 见 表 1。 表 1 TK500 型湿喷机的技术参数表 生产率m3/h 骨料最大粒径 mm 输料胶管内径 mm 最大输送距离 m 系 统风压 MPa 工作风压 MPa 耗风量m3/min 机旁粉尘 mg/m3 平均回弹量 % 5 15 51 水平： 40 垂直： 20 0.5 0.30.5 12 10 20 3 湿喷混凝土配合比设计与试验研究 3.1 配合比设计原则 3.1.1 选用较大粒径的骨料，以达到减小单位用水量，提高混凝土强度的目的。 3.1.2 选用合适的砂率，提高混凝

5、土的可喷性，减小喷混凝土的回弹量。 3.1.3 选用高效减水剂以减少由于增大砂率后所增加的单位用水量。 3.2 原材料选择：根据设计文件的要求和 现 场 施工情况，选择原材料 。 3.2.1 水泥 采用当地水泥厂 LARFAGE 生产的 CEM 42.5N（普通硅酸盐）水泥，质量符合 BS EN197要求。 3.2.2 砂 采用天然河砂和人工砂。天然河砂经过 5mm 筛筛分处理，细度模数 F.M=3.15；人工砂为项目骨料破碎系统生产的人工砂，细度模数为 2.68。考虑到现场人工砂的生产量不足及河砂较粗的实际情况，各按 50%混合后，细度模数为 2.82，级配符合 BS 882 标准中的中砂要

6、求。 3.2.3 石子 项目破碎系统生产的人工碎石 Dmax=14mm，质量符合 BS882 要求。 3.2.4 减水剂 经过优选采用南非生产的 Omega136 高效减水剂。质量符合 BS5075， BSEN934 要求。 3.2.5 速凝剂 根据欧洲 EFNARC 标准“初凝不应超过 5 分钟，终凝不超过 6 12 分钟”的要求，先后对 3 个厂家提供的速凝剂进行了比较试验，选定 JET10AF 液体速凝剂，其掺量为 6.5%。 3.3 配合比的设计 3.3.1 试验安排 湿喷混凝土采用 L9(34)正交表安排试验，考核混凝土不同龄期抗压强度、抗折强度性能。正交设计的因素水平 见 表 2。

7、 表 2 湿喷混凝土配合比 试验因素水平表 因 素 水 平 水胶比 砂率 (%) 空列 空列 1 0.5 55 / / 2 0.55 60 / / 3 0.6 65 / / 3.3.2 成型参数 表 3 湿喷混凝土试拌配合比表 试验 编号 水胶 比 砂率(%) Omage136 掺量 (%) JET10AF 掺量 (%) 每方混凝土材料用量 (kg) 水泥 水 河砂 人工砂 14mm小石 Omage136 JET10AF P-1 0.5 55 0.6 6.5 420 210 454 454 743 2.52 27.3 P-2 0.5 60 0.6 6.5 434 217 489 489 652

8、 2.604 28.21 P-3 0.5 65 0.6 6.5 448 224 523 523 563 2.688 29.12 P-4 0.55 55 0.6 6.5 382 210 464 464 760 2.291 24.818 P-5 0.55 60 0.6 6.5 395 217 501 501 667 2.367 25.65 P-6 0.55 65 0.6 6.5 407 224 536 536 577 2.444 26.47 P-7 0.6 55 0.6 6.5 350 210 473 473 774 2.100 22.75 P-8 0.6 60 0.6 6.5 362 217 5

9、10 510 681 2.170 23.51 P-9 0.6 65 0.6 6.5 373 224 547 547 589 2.240 24.27 3.3.3 试验成果 表 4 湿喷混凝土试拌配合比成果表 试验 编号 水胶 比 塌落度(mm) 抗压强度（ MPa） 抗折强度（ MPa） 1d 7d 28d 7d 28d P-1 0.5 98 17.2 29.2 37.1 3.88 4.4 P-2 0.5 100 16.8 28.7 36.3 3.8 4.22 P-3 0.5 101 16.2 28.1 35.7 3.7 4.2 P-4 0.55 95 15.0 25.5 33.5 3.55 4

10、.1 P-5 0.55 97 14.1 25.0 32.8 3.5 4.0 P-6 0.55 97 13.8 24.7 32.0 3.35 3.93 P-7 0.6 91 12.0 23.0 28.8 3.3 3.8 P-8 0.6 94 11.6 22.8 28.1 3.3 3.7 P-9 0.6 96 11.0 22.4 27.7 3.2 3.6 3.3.4 试验成果分析 通过对表 4 结果分析 ： （ 1） 水灰比是影响混凝土强度的决定因素，混凝土强度随着砂率的增大而减小，抗拉强度与抗压强度成正比关系。 （ 2） 从拌和物性能看，混凝土随着砂率的增大虽然和易性有所增加，但水泥用量明显增大

11、。 （ 3） 混凝土 28 天抗压强度回归分析结果 见表 5。 表 5 回归分析结果表 3.4 初选施工配合比 配合比的配制强度按下式计算： fcu,0=（ fcu,k+t） k1 k2 其中： fcu,0 湿喷混凝土的配制强度（ MPa） fcu,k 湿喷混凝土的设计强度等级（ MPa） t 根据保证率确定的系数，保证率为 95%时， t=1.645 标准离差系数，取 4.0MPa k1 喷射成型与振捣成型关联系数，一般 k1=1.0 1.2，采用 1.0 k2 速凝剂对后期强度的影响系数，一般 k2=0.91 1.43 采用 1.1 通过计算 C20 配制强度为 29.3 MPa， C25

12、 配置强度 34.7MPa。初选施工配合比如下表 6： 表 6 初选施工配合比表 强度等级 水胶 比 砂率(%) Omage136 掺量 (%) JET25AF 掺量 (%) 每方混凝土材料用量 (kg) 水泥 水 河砂 人工砂 14mm 小石 Omage136 JET10AF C20 0.59 60 0.6 6.5 368 217 530 529 706 2.208 23.92 C25 0.52 60 0.6 6.5 417 217 514 514 686 2.502 27.1 4 现场施工工艺试验研究 针对不同施工部位和目的，现场施工共进行了 2 次工艺试验。 4.1 调压井后边坡现场施工

13、工艺试验 4.1.1 试验目的 在调压井进场道路的左边坡（坡比大约为 1:0.25 左右）， 进行湿喷混凝土（素喷）施工工艺试验。其主要目的在于： a 验证室内喷混凝土配合比是否具有可施工性 ； b 确认掺速凝剂 与不掺外加剂对现场施工质量的影响 ； c 寻找湿喷机正确的施工参数及与现有配套设备是否匹配 ； d 培训当地员工，确认施工流程 。 4.1.2 现场试验机械设备与仪器配备 回归方程 均方差 S（ MPa） 相关系数 R Y=24.345X1-0.1333X2-4.065 1.234MPa 0.9926 X1 胶水比； X2 砂率（ %）； Y 混凝土 28 天抗压强度（ MPa） 表

14、 7 试验机械设备与仪器表 序号 设备名称 规格型号 数量 备注 1 自动配、上料拌和站 JS500 1台 2 湿喷机 TK-500 型转子活塞式湿喷射机 1 现场 3 空压机 XAMS850CD/12m3 1 现场 4 混凝土搅拌罐运输车 6m3 1 5 混凝土坍落度测试仪 / 2 拌和站、现场各 1套 6 无底大板木试模 455455150mm 6 现场 7 无底抗折试模 4040550mm 12 现场 8 容重筒 30L 2 现场 9 磅秤 100kg 1 现场 4.1.3 现场场地及考察项目安排 现场选择与调压井坡比基本相同的施工部位 25m2，按 5m2每块，共分成 5 块。编号分别

15、命名为 A、 B、 C、 D、 E。所考察项目分配 见 表 8。 表 8 场地安排及考察项目分配表 序号 混凝土 类型 场地面积 （ m2） 场地内布置模具数量 考察项目 试验目的 A C20、掺速凝剂 10 - 工作风压、不同方向的输送距离、不同 喷射角度的回弹程度、混凝土的工作坍落度 a、 c、 d B C20、掺掺速凝剂 5 无底大板木试模 2块，无底抗折试模 3块，塑料布 1块 抗压强度、抗折强度、回弹量、与岩 面粘结情况、养护与不养护的对比 a、 b C C20、不掺速凝剂 5 无底大板木试模 2块，无底抗折试模 3块，塑料布 1块 抗压强度、抗折强度、回弹量、与岩 面粘结情况、养护

16、与不养护的对比 a、 b D C25、掺掺速凝剂 5 无底大板木试模 1块，无底抗折试模 3块，塑料布 1块 抗压强度、抗折强度、回弹量、养护 与不养护的对比 a、 b E C25、不掺速 凝剂 5 无底大板木试模 1块，无底抗折试模 3块，塑料布 1块 抗压强度、抗折强度、回弹量、养护 与不养护的对比 a、 b 4.1.4 初拟岩面施工程序 松动岩块撬除冲洗岩面喷至设计厚度养护。 4.1.5 试验过程及参数调整 首先根据设备使用说明书、室内速凝剂掺量试验结果对喷锚机速凝剂计量泵进行标定，通过计算，湿喷机液体速凝剂计量剂泵刻度设置为 68%，经试泵单位时间内泵送速凝剂与配合比一致。在拌合站按表

17、 6中 C20初选施工配合比生产 2方混凝土，测其塌落度为 105mm，用混凝土搅拌罐运输车运至现场，根据不同 的时间测其塌落度。将湿喷机压力调整为0.7MPa、喷射管接至 2 节（ 40m），开机喷掉湿润水后在 A 区试验面上施喷。施喷过程中，湿喷机风压从 0.4MPa 每隔 0.1MPa 进行调整，观察喷射机及喷头、受喷面上混凝土的情况，同时喷头操作手将喷头与受喷面喷射角度从 60变换至 120，喷头与岩面的距离从 0.52m 之间变换，保持螺旋状喷射上升，观察混凝土的回弹情况。最后将喷射管加长至 3 节（ 60m），按垂直向上 20m、垂直向下 20m、水平距离 60m 三个方向，继续进

18、行喷射。该轮湿喷结束后，得出如下结论： a 机口混凝土 90 110mm、现场 70 90mm 的坍落度较大，施工过程中从转子泄浆孔流出大量的浆液，受喷面上的混凝土有流淌现象。现场混凝土保持 40 70mm 的坍落度，施工效果最佳。 b 湿喷机的工作风压设置为 0.6MPa，连续供风量 10m3 效果较佳。 c 喷射距离以距岩面 0.8 1.2m 较优，过大或过小，均使混凝土的回弹较大；喷射角度以 90（即与岩面垂直）为最佳，能够保持在 80 90即可，超出此范围则混凝土回弹增大，混凝土性能必受影响。 d 喷射管加长至 3 节（ 60m）后，三个方向都勉强可以施喷，但喷嘴出料脉冲、管路跳管、喷

19、 射机气料仓大量烟状气体喷出等堵管现象发生。施工中建议喷管长不得大于 3 节（ 60m）。 根据 A 区试验找到的施工参数，分别根据表 6 坍落度调整至 70 90mm 后的配合比生产混凝土；按表 8 的考察项目，用计量过混凝土质量的标准容重筒上料对 B、 C、 D、 E 分区进行施喷。一次喷至设计厚度 10cm 后，收集塑料布上的回弹料，并进行称量；将抗折试模收面，与大板试模一起用塑料布覆盖。混凝土初凝 2 小时后，对 B、 C、 D、 E 共 4 个分区的下半部分进行洒水养护，三天后观察混凝土表面情况，试件按 BS 标准到达龄期后进行相应试验。 B、 C、 D、 E 分区 的试验成果见下表

20、 9、表 10。 表 9 B、 C、 D、 E 试验分区的直观成果描述表 试验分区 混凝土类型 挂墙能力 回弹量（ %） 养护 未养护 B C20、掺速凝剂 好 7.2 未有异常 未发现异常 C C20、不掺速凝剂 少许流淌 8.5 未有异常 有部分裂纹 D C25、掺速凝剂 好 6.0 未有异常 未发现异常 E C25、不掺速凝剂 好 8.1 未有异常 有部分裂纹 表 10 B、 C、 D、 E 试验分区的物理性能成果表 试验分区 混凝土类型 抗压强度（ MPa） 抗折强度（ MPa） 1 天 7 天 28 天 7 天 28 天 B C20、掺速凝剂 11.5 20.5 28.1 3.1 3

21、.8 C C20、不掺速凝剂 10.1 22.8 30.0 3.5 4.0 D C25、掺速凝剂 14 26.7 34.4 3.75 4.1 E C25、不掺速凝剂 13.8 28.8 36.5 3.9 4.5 从以上结果表明：不掺速凝剂的喷混凝土，虽然挂墙能力、回弹量、养护不好的情况下的抗裂能力不及掺速凝剂的混凝土，但混凝土的强度优于掺速凝剂的强度，在加强养护的情况下仍然具有可施工性和较好的质量保证。且两 种混凝土与岩石的结合面都比较密实，从质量、施工、经济（在当本项目每方混凝土速凝剂的成本在 40 美元左右）等多方面考虑，边坡和隧洞边墙可不使用速凝剂，但其它材料比例不变。 4.2 隧洞顶拱

22、施工工艺试验 4.2.1 试验机械设备和仪器 所用设备基本与表 7 相同，不同之处由于厂房基础开挖作业路况较差，运输设备改为装载机。施工支洞施工平台采用脚手架搭设， 1 号引水隧洞采用移动平台。 4.2.2 场地安排说明 a 施工支洞洞口，因岩石内夹杂强度较弱的千枚岩，且多处渗水，岩面潮湿。 b 1#引水洞出口段，岩石为斑状花岗岩 ，岩况较好，岩面干燥。 4.2.3 试验项目 表 11 场地安排及考察项目分配表 序号 位置 混凝土类型 场地内布置模具 数量 考察项目 试验目的 1 施工支洞 C25、掺速凝剂 塑料布 1块 回弹量、喷层厚度 a、 b、 c 2 施工支洞 C25、不掺速凝剂 塑料

23、布 1块 回弹量、喷层厚度 a、 b、 c 3 1#引水洞口 C25、掺速凝剂 塑料布 1块 回弹量、喷层厚度 a、 b、 c 4 1#引水洞口 C25、不掺速凝剂 塑料布 1块 回弹量、喷层厚度 a、 b、 c 备注 该表中掺速凝剂的 C25 配合比与表 6中 C25配合比相同 4.2.4 初拟施工工序 网喷工序：松动岩块撬除高压风冲洗岩面挂网按 3 5cm 每层施喷喷至设计厚度养护。 素喷工序：松动岩块撬除高压风冲洗岩面喷至 5cm 设计厚度养护。 4.2.5 试验过程 试验开始前首先将塑料布平铺在施工平台的上，同样利用容重筒计量混凝土。按初拟施工工序进行试验、施工。 4.2.5.1 施工

24、支洞试验 施工支洞由于位于千枚岩部位，渗水严重。将岩面清理干净后分别进行不加速凝剂混凝土和掺加速凝剂混凝土的喷射施工。喷射完毕后，立即收集塑料布上的回弹料，进行称重 。同时观察岩面混凝土的情况。试验结果 见 表 12。 表 12 施工支洞试验成果表 序号 位置 混凝土类型 回弹量（ %） 喷至设计厚度 10cm的遍数 新鲜混凝土面的描述 1 施工支洞 C25、掺速凝剂 21 2 渗水部位有少量垮塌 2 施工支洞 C25、不掺速凝剂 32 5 渗水部位有大量垮塌 通过以上试验得出如下结论： a网喷工序需要 更改为 :松动岩块撬除渗水部位插管引流高压风冲洗岩面挂网按 3 5cm 每层施喷喷至设计厚

25、度养护。 b 顶拱施喷混凝土必须掺加速凝剂 。 4.2.5.2 1#引水洞口试验 1#引水洞口因岩面较好，属于素喷 5cm 范围。对该部位试验后 结果见 表 13。 表 13 1#引水洞口 试验成果表 序号 位置 混凝土类型 回弹量（ %） 素喷 5cm 的遍数 新鲜混凝土面的描述 1 1#引水洞口 C25、掺速凝剂 14.8 1 较好 2 1#引水洞口 C25、不掺速凝剂 18 1 较好 从表 13 看出：岩面较好的部位（素喷部位），不掺速凝剂的混凝土虽然回弹量大于掺加掺加速凝剂的混凝土，但从施工进度和经济方面考虑，可以不掺加速凝剂。 5 结 语 本项目根据试验研究的工艺和参数，现场已完成大面积喷 射混凝土施工，随着操作工人技术水平的不断提高，喷射速度不断加快，在雨季来临之前已经喷射近万平米，较好的完成了工程整体施工计划要求且喷射质量均符合技术要求，尤其是喷射硬化后的混凝土经爆破飞石的多次击打，均未出现任何破损，满足了工程需要。