低掺量高早强速凝剂在喷射混凝土中的实际应用

引言
近年来，喷射混凝土在我国基础设施建设中的用量呈不断增加的趋势，起到越来越重要的作用，因此，对喷射混凝土的性能、耐久性及经济性有了更高的要求[1-3]。

喷射混凝土技术的关键之一是早期强度快速发展，在隧道开挖初期喷射混凝土对控制围岩变形起着至关重要的作用，缓慢的强度发展不仅会影响施工进度，也使施工操作人员暴露在支护强度不足的危险中[4-5]。

目前关于喷射混凝土中速凝剂和促凝早强剂复配的使用也有了一些初步研究。

王建黔等[6]发现在硫铝酸钙基促凝早强剂与无碱液体速凝剂协同作用下，湿喷混凝土凝结速度加快，3 h抗压强度可达5 MPa。

王子明等[7-8]系统研究了3种不同促凝早强剂对喷射混凝土性能的影响，通过净浆凝结时间和砂浆抗压强度表征3种粉体促凝早强剂（FAC、FAS和CN）单掺时的促凝早强效果，在掺加无碱液体速凝剂的基础上加入促凝早强剂，结合水泥水化放热特性、水化产物组成测试结果表征双掺体系的促凝早强效果及机理，结果表明，促凝早强剂与速凝剂双掺能够显著提高砂浆的早期抗压强度，6 h抗压强度均大于3.5 MPa；FAS促凝早强剂促进大量C-S-H凝胶生成，C-S-H凝胶和钙矾石形成紧密的空间网络结构提高强度，FAC和CN促凝早强剂通过生成大量的钙矾石提高强度。

赵翔宇等[9]研发了一种具有普通减水剂、增粘
低掺量高早强速凝剂在喷射混凝土中的实际应用
尚百雨1，2万维福1
1. 北京金隅混凝土有限公司 北京 100165
2. 中国混凝土与水泥制品协会喷射混凝土材料与工程技术分会 北京 100011
摘 要：针对某工程初支喷射混凝土存在回弹率严重偏高、安全隐患大等问题，结合现场使用材料，在工区中心试
验室开展了对比试验，优化速凝剂的配合比与制备工艺，调配出一种与工程现场使用材料相容性优异、掺量低、
高早强的速凝剂（SJC-1）。

结果表明：在SJC-1掺量较现场用速凝剂降低20%的情况下，喷射混凝土的回弹率可控
制在10%以内，其3 h强度提高150%以上，6 h强度提高300%以上，初支喷射混凝土的支护功能得到有效发挥，安全
风险大大降低；此外，在经济效益方面，通过对比发现，使用SJC-1可以有效降低工程造价，综合效益提升显著。

关键词：喷射混凝土；回弹率；低掺量；高早强；速凝剂
Application of Low-dosage High Early Strength Accelerating Agent in Shotcrete
Abstract: This paper focuses on the problems of severe high rebound rate and significant safety hazards in
the initial stage of project shotcrete, combining with the materials used on site, carries out a large number of comparative experiments in the central laboratory of the work area to optimize the mix proportion and preparation process of the rapid setting agent, formulates a rapid setting agent (SJC-1) with excellent compatibility, low-dosage, and high early strength with the materials used on site. The results show that when the SJC-1 dosage is reduced
by 20% compared to the on-site use of rapid setting agent, the rebound rate of sprayed concrete can be controlled within 10%, its 3 hours strength can be increased by more than 150%, and its 6 hours strength can be increased
by more than 300%. The initial support function of sprayed concrete is effectively exerted, and the safety risk is greatly reduced; in addition, in terms of economic benefits, it was found through comparison that using SJC-1 can effectively reduce project costs and significantly improve overall benefits.
Key words: Shotcrete; rebound rate; low-dosage; high early strength; rapid setting agent
收稿日期：2024-1-16
第一作者：尚百雨，1972年生，硕士，高级工程师，主要从事水泥及水泥基材料的研究与应用、工业固废及建筑垃圾资源化处置与利用等相关工作
E-mail：*********************
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总179期2024.05混凝土世界
剂、促凝早强剂以及防水剂效果的复合型减弹剂，研究结果表明，当隧道围岩有渗水，复合型减弹剂掺量为3%时（复合型减弹剂中各组分为：减水母液9%，保坍母液9%，引气剂0.05%，增粘剂0.12%，促凝早强剂10%，防水剂1.2%），能将湿喷喷射混凝土回弹率从22%降到10%以下，显著提高喷射混凝土的早期强度，并能有效改善喷射混凝土的工作性及稳定性。

SJC-1速凝剂是一款在低掺量水平下依然具备促凝、早强特点的一种新型材料，在大量试验室研究成果的基础上，本文选定国家高速公路网规划项目的3个工区进行现场验证，通过对比混凝土回弹率的控制、速凝剂的掺量、凝结时间的变化及早龄期强度发展等方面，进一步检验新产品应用于工程实体现场喷射混凝土的性能状况，并结合原材料使用状况及施工环境进一步优化以满足施工现场需求的材料性能，为实现该项目喷射混凝土施工的安全高效、成本节约、绿色环保、科技赋能助力。

1 工程概况
国家高速公路网规划项目，工程路线总长254.94 km，采用双向4车道高速公路标准建设，设计速度为100 km/h，其中，隧道46471.3 m/27座。

该项目的建成，将进一步完善辽东地区乃至辽宁省的交通路网，推动辽东地区旅游业快速发展，加快辽宁生态旅游实验区建设，助力提升本溪市区位优势，促进经济发展。

同时，本工程已列入推进东北地区老工业基地振兴三年滚动计划实施方案，对促进边境城市建设、扩大对外开放均具有重要意义。

针对隧道初支施工存在的回弹量超高、材料浪费严重、成本居高不下、安全隐患较大等突出问题，项目团队深入全线10个标段，对工程喷射混凝土施工进行了大量的调研工作，包括各施工标段原材料使用情况、配合比执行情况、施工过程中存在的问题，开展了全方位的交流与分析。

现场取证高达230余次，并在各工区中心试验室开展了大量的对比试验工作，发现该项目的喷射混凝土施工存在以下主要问题：
（1）回弹量严重偏高，依据前期统计数据保守估计，全线回弹率平均值在35%以上；（2）混凝土强度严重偏低，1 d强度普遍小于5.0 MPa，早龄期（3～6 h）强度小于1.0 MPa，存在安全隐患；（3）现场用速凝剂（WM-S）掺量严重偏高，在极端情况下，WM-S的实际掺量高达15%以上，成本偏高；（4）WM-S属于强酸含氟速凝剂，刺激性气味强烈，施工环境恶劣，易导致施工人员身心健康受损。

2 材料与方法
2.1 试验材料
水泥：P·O 42.5普通硅酸盐水泥，金隅冀东（辽阳）水泥有限公司，其主要性能指标见表1。

骨料：粗骨料，当地产细碎石，粒径5～15 mm；细骨料，当地产河砂，细度模数2.6，含泥量2.8%。

减水剂：聚羧酸减水剂，减水率25%，推荐掺量1.0%，中铁物贸统一供应。

速凝剂：现场用速凝剂（WM-S），推荐掺量9%；新调配速凝剂SJC-1，推荐掺量6%，2种速凝剂均为中铁物贸统一供应；速凝剂的主要性能指标见表2。

2.2 配合比
混凝土的配合比见表3。

在实际生产时，依据砂石的含水率调整用水量。

2.3 试验方法
混凝土的回弹率测定：喷射之前铺设彩条布，然后喷射一定体积或重量的混凝土，将落到地面的混凝土收集并称重，落到地面混凝土的重量占总喷射混凝土重量的比例即喷射混凝土的回弹率。

速凝剂的凝结时间及胶砂强度性能测试：按照GB/T 35159—2017《喷射混凝土用速凝剂》的规定进行试验。

3 回弹率
通过铺设彩条布，收集喷射混凝土的真实回弹量，计算喷射混凝土的实际回弹量和回弹率，获得现场喷射混凝土的回弹率。

每个工区随机安排4次验证，喷射混凝土的具体回弹状况见表4。

图2为喷射混凝土的喷射现场。

由表4可知，使用SJC-1速凝剂后，喷射混凝土的回弹率降低了20%，并能控制其回弹率保持在10%以内，个别情况下甚至可以将回弹率控制在5%以内。

而喷射混凝土回弹率的大幅降低，能减少材料的浪费，缩短喷射混凝土的施工时间，从而提高喷射效率。

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4 速凝剂掺量对比
2种速凝剂的掺量统计通过参考机显掺量及实测实际消耗量的方式获得，具体见表5。

由表5 可知，在不同工区，SJC-1均有显著的掺量优势，其与现场使用的速凝剂WM-S相比，掺量可降低2%～3%，甚至更高，降低幅度高达20%以上，且在降低掺量的情况下，使用SJC-1的混凝土依然有良好的喷射效果。

5 速凝剂种类对喷射混凝土性能的影响
5.1凝结时间
速凝剂对喷射混凝土凝结时间的影响见表6。

由表6可知，使用SJC-1速凝剂时，喷射混凝土的凝结速度明显加快，其凝结速度提升比例高达50%以上，且喷射混凝土的初、终凝时间差有效缩短，这也是喷射混凝土早期强度显著提升的原因之一。

现场喷
表 1 水泥的主要性能指标
比表面积/（m2/kg）密度/（kg/m3）标准稠度用水量/%
凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa 初凝终凝 3 d28 d 3 d28 d
372310826.414621525.248.7 4.67.7
表 2 速凝剂的主要性能指标
检测项目
质量指标检测结果
一等品合格品WM-S SJC-1
初凝时间/（min:s）≤3:00≤5:004:352:36
终凝时间/（min:s）≤8:00≤12:0010:486:28
1 d抗压强度/MPa≥7.0≥6.0 6.511.7
28 d抗压强度比/%≥75≥7087102
表 3 混凝土的配合比 kg/m3水泥石子砂子水减水剂速凝剂速凝剂类型460910872167 4.641.4WM-S
460910872167 4.627.6SJC-1
表 4 喷射混凝土回弹状况统计
工区速凝剂实际量/m3回弹量/m3回弹率/%平均回弹率/%
工区A SJC-1
27.5 2.59.1
9.0
14.5 1.38.8
18.0 1.58.3
20.1 2.010.0
WM-S
23.0 5.825.1
25.8
22.0 5.927.1
24.0 6.326.4
27.0 6.524.5
工区B SJC-1
10.00.7 6.8
5.8
10.00.6 5.9
9.00.4 4.9
9.00.5 5.6
WM-S
10.0 2.828.2
27.2
9.0 2.325.9
10.0 2.828.5
9.0 2.426.4
工区C SJC-1
9.0 1.415.8
5.9
9.00.77.5
10.00.5 4.9
10.00.5 5.2
WM-S
8.0 1.619.8
24.4
10.0 2.423.8
10.0 2.525.2
10.0 2.928.8
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5.2 胶砂强度
速凝剂对胶砂抗压强度的影响见表7。

由表7可知，使用SJC-1后，各试验工区胶砂的1 d强度大幅度提高，这对于增强支护功能，减少坍塌风险，确保施工安全意义重大。

5.3 大板混凝土强度
速凝剂对大板混凝土抗压强度的影响见表8。

由表8可知，相较于现场使用的速凝剂WM-S，使用SJC-1时，混凝土的3 h、6 h和1 d强度均有大幅度提高。

其中，3 h强度提高幅度高达130%～190%，6 h 强度提高幅度高达380%～420%，1 d强度提高幅度高达105%～116%。

使用SJC-1的实体喷射混凝土小时强度发展迅速，强度呈倍数级增长，有利于支护作用的发挥。

同时，从强度发展规律来看，使用SJC-1喷射混凝土的12 h强度与使用WM-S喷射混凝土的1 d强度相当，这对于缩短爆破间隔，加快施工进度非常有利。

6 效益分析
效益分析的假设条件为：湿喷料水泥用量450 kg/m 3，湿喷料材料直接成本500元/m 3，W M-S速凝剂价格2500元/t，SJC-1速凝剂价格3600元/t。

经测算，使用SJC-1速凝剂后，材料的直接成本可降低128.7元/m 3，
税收优惠30元/m 3，在不考虑工期缩短、机械租赁费用降低、人工成本减少等因素的情况下，较现
表 5 速凝剂掺量对比
工区名称
速凝剂
机显掺量/%
实际掺量/%
工区A
SJC-1
3~6
5.23~7 5.553~6 4.953~6 5.4WM-S
5~9
7.845~97.615~108.155~97.57工区B
SJC-1
3~7
5.223~6 5.03~7 5.073~7 4.83WM-S
5~10
9.135~108.215~98.265~98.45工区C
SJC-1
3.6
3.5
4.9 4.5
5.0 4.74.9 4.3WM-S
7.5
8.07.88.17.27.457.6
8.1
图 2 喷射现场
枪手使用SJC-1后的反馈结果是，喷射混凝土更容易一次喷射成型，大幅减少了补喷次数，同时一次喷射的厚度也有所增加。

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场使用的WM-S速凝剂可节约成本158.7元/m 3，成本降低幅度高达30%以上。

结论
本文针对某工程现场喷射混凝土施工过程中回弹率偏高的现象，开发了一种对现场用原材料适应性良好、凝结时间优异、强度增长理想的低掺量、高早强、低回弹的SJC-1速凝剂，其能有效降低初支用喷射混凝土施工安全风险预期，通过现场应用，得出以下结论：
（1）SJC-1速凝剂可大幅度降低喷射混凝土的回弹率，回弹率可以控制在10%以内，最低可控制在5%左右。

（2）使用SJC-1速凝剂，可缩短喷射混凝土的初、终凝时间，有助于提高混凝土的早期强度；可提升喷射混凝土的抗压强度，其中，混凝土3 h、1 d强度增长1倍以上，6 h强度增长3倍以上。

（3）使用S JC-1速凝剂较现场使用的W M-S速
表 6 速凝剂对喷射混凝土凝结时间的影响
工区名称速凝剂初凝时间/（m:s ）
终凝时间/（m:s ）
工区A
SJC-11:202:00WM-S 2:104:10工区B
SJC-12:525:05WM-S 4:309:55工区C
SJC-12:304:30WM-S
4:40
7:45
表 7 速凝剂对胶砂抗压强度的影响
工区名称速凝剂 1 d强度/MPa
增长倍数工区A
SJC-111.7 4.57
WM-S 2.1工区B SJC-110.7 5.29
WM-S 1.7工区C SJC-19.9 5.60
WM-S
1.5
表 8 不同速凝剂对大板混凝土抗压强度的影响
工区名称速凝剂 3 h强度/MPa
3 h强度增长倍数 6 h强度/MPa
6 h强度提高比例/%
1 d强度/MPa
1 d强度提高比例/%
工区A
SJC-1 1.5 1.70
5.9380
15.2105
WM-S 0.6 1.27.4工区B SJC-1 1.4 1.30 5.242015.7106
WM-S 0.6 1.07.6工区C SJC-1 1.6 1.90 6.239014.9116
WM-S
0.5
1.3
6.9
凝剂，可节约成本158.7元/m 3，降低幅度达30%以上，经济效益显著。

参考文献
[1] 王子明, 贾琳. 王庄. 等. 喷射混凝土与速凝剂发展研究现状[J].
混凝土世界, 2017(12):58-62.
[2] THOMA A. 喷射混凝土衬砌隧道(英)[M]. 梁庆国, 欧尔峰, 译.
北京: 科学出版社, 2014:3-25.
[3] 程良奎. 喷射混凝土[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1990:347. [4] 霍建勋, 林传年, 刘喆. 隧道高性能支护喷射纤维混凝土配比
试验研究[J]. 铁道标准设计, 2021, 65(10):65-73.
[5] 杨斌, 梁松挺, 陈胜. 速凝剂对喷射混凝土基本性能影响的研
究[J]. 混凝土世界, 2021(1):69-71.
[6] 王建黔, 陈智丰, 王国兴, 等. 硫铝酸钙基促凝促强剂对湿喷混
凝土性能的影响[J]. 新型建筑材料, 2021, 48(7):67-70.[7] 王子明，赵攀，刘晓，等. 不同促凝早强剂对喷射混凝土性能
的影响研究[J]. 混凝土世界, 2022(5):12-16.
[8] 李松涛, 王子明, 张媛媛. 喷射混凝土早期强度测试方法综述[J].
新型建筑材料, 2023, 50(9):42-50.
[9] 赵宇翔, 王靖, 刘俊元, 等. 新型喷射混凝土复合减弹剂的研究
与应用[J]. 混凝土世界, 2022(5):23-25.。