0 引言

喷射混凝土^[1-2]技术广泛应用于公路隧道中，施工过程中存在湿喷混凝土回弹率过大的问题。过大的回弹率即造成了材料的浪费，又影响了喷射混凝土的质量，引起施工过程中的安全隐患。

为解决喷射混凝土回弹率过大的问题，国内外学者开展了大量研究，包括调整混凝土的配合比^[2-3]、加入矿物掺和料^{[1, 4-5]}、掺入速凝剂^[6-8]及调整施工参数^[9-11]等。除以上方法外，在喷射混凝土混合料中加入回弹抑制剂也可有效控制回弹率^[12-13]。喷射混凝土和砂浆常用的有机回弹抑制剂为纤维素醚和聚丙烯酰胺^[14]。

纤维素醚和聚丙烯酰胺对混凝土性能的影响已有了部分研究成果。聚丙烯酰胺对水泥混凝土性能影响的研究中，张长清^[15]研究了对水泥基本性能的影响；李正平^[16]讨论了对水泥浆体黏度的影响；黄政宇^[17]对比了分子量对水泥浆体性能的影响，并提出了掺量临界点的概念；孙增智^[18-20]对比了对水泥净浆、砂浆和混凝土的影响，并分析了对混凝土微观性能的影响。纤维素醚对混凝土性能影响的研究中，郭浩^[21]分析了对聚合物修补砂浆性能的影响；延永东^[22]分析了对泵送混凝土的保水性和黏聚性的影响，并提出了对工作性能的优化方案；周金钟^[23]讨论了对石灰石粉混凝土性能的影响；康苏芳^[24]研究了对陶粒混凝土性能的影响。

但是詹镇峰^[25]和刘鹏飞^[26]的研究结果表明，加入回弹抑制剂后水泥砂浆的抗压强度有所降低。现阶段不同种类回弹抑制剂及掺量对喷射混凝土综合性能的影响规律尚不明确。本研究采用对比试验的方式，研究不掺入回弹抑制剂，以及不同掺量纤维素醚与聚丙烯酰胺作用下对混凝土坍落度、抗压强度、黏结强度以及回弹率的影响规律，然后根据相关规范对喷射混凝土的性能要求，提出这2种回弹抑制剂的适用掺量范围。

1 试验方案 1.1 配合比设计 1.1.1 材料选用

本研究采用水泥强度等级为P.O42.5，水泥中各参数均符合《喷射混凝土用速凝剂》(JC477—2005)规定；细骨料采用机制砂，细度模数3.0，表观密度2.5 g/cm³；粗骨料采用颗粒级配、粒径良好的碎石，其性能指标符合《建筑用碎石》；粒径为4.75~19 mm，连续级配；拌和水采用饮用水，符合《混凝土拌合用水标准》(JGJ 63—2006)。

减水剂采用萘系高效减水剂(粉状)和聚羧酸高效减水剂(固含量为40%)，基于不同类型减水剂对喷射混凝土的性能影响，确定复掺回弹抑制剂时所用减水剂的类型。

回弹抑制剂的工作原理是通过增大混凝土自身的黏度，提高混凝土与接触面间的黏结能力，达到降低回弹性能的目标。常用回弹抑制剂主要包括纤维素醚和聚丙烯酰胺，二者均具有优秀的黏结性能和絮凝性。通过加入回弹抑制剂，可生成柔性聚合物，并填充于混凝土孔隙中起到了柔性填充和柔性加筋的作用。回弹抑制剂可提升黏结性能，有效地降低混凝土的回弹率。但在基体受压时，因刚性支撑作用的降低，基体的抗压强度有所弱化。

为了综合考虑回弹抑制剂对回弹性能的改善及对混凝土强度的折减，回弹抑制剂含量分别设定为纤维素醚0‰~3‰和聚丙烯酰胺0‰~0.3‰。

1.1.2 配合比设计

水泥用量、水灰比、砂率及外加剂等均对喷射混凝土性能产生影响。当水泥用量过少时，喷射混凝土初期强度增长缓慢，回弹率大，但水泥过多，坍落度损失较大，硬化后混凝土收缩会增大。随着水灰比增大，喷射混凝土表面出现流淌、滑移及拉裂。水灰比偏小时，喷射混凝土表面出现干斑，作业过程中粉尘大，回弹率大。水灰比取值适当时，混凝土表面平整，粉尘和回弹率较小。通常水灰比值建议选用0.4~0.5。喷射混凝土砂率多控制在45%~60%区间。外加剂的选择和掺入对喷射混凝土的强度和回弹率也均有影响。为满足混凝土的综合性能要求，多进行外加剂复掺。研究中确定高效减水剂对混凝土性能影响后，确定适当的减水剂类型，并复掺回弹抑制剂，测试不同类型及掺量回弹抑制剂引起混凝土性能的变化。

配合比设计主要方法遵循《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)，其中喷射混凝土中水泥用量标准需遵循《喷射混凝土应用技术规程》(JGJ/T372—2016)。配合比设计时，先根据喷射混凝土坍落度和强度要求，确定混凝土水胶比和高效减水剂的选用，再研究复掺不同类型和掺量的回弹抑制剂对混凝土性能的影响规律，并确定回弹抑制剂的适用性。

(1) 水胶比和减水剂确定

先设定水胶比为0.40~0.50，讨论在此区间内混凝土性能的变化以及萘系高效减水剂和聚羧酸系减水剂对混凝土性能的影响，如表 1所示。所获得的试验结果为讨论回弹抑制剂的类型及掺入量对混凝土性能的影响规律研究做基础。

试验结果表明，随着水胶比的增高，混凝土坍落度上升，抗压及黏结强度有所降低。当水胶比低于0.45，喷射混凝土坍落度较小，难以满足喷射混凝土坍落度80~200 mm需求。当水胶比达到0.5且掺入高效减水剂后，喷射混凝土的1 d抗压强度较低。因此，后续试验中水胶比控制宜选用0.45。同时试验结果表明，同等掺量下萘系减水剂对坍落度的提高及抗压强度的降低影响大于聚羧酸系减水剂。为同时保证混凝土坍落度和强度需求，在后续试验中减水剂采用聚羧酸系减水剂。

(2) 掺入回弹抑制剂配合比设计

采用聚羧酸高效减水剂1%。试验试配后确定基准配合比为水泥∶水∶砂∶石=1∶0.45∶2.35∶2.15，其中单位水泥用量为400 kg/m³。回弹抑制剂含量分别设定为纤维素醚0‰~3‰和聚丙烯酰胺0‰~0.3‰。纤维素醚掺量在0‰~1‰变化时，以0.2‰的掺量进行递增，掺量大于1‰时，以0.5‰递增。聚丙烯酰胺在0‰~0.1‰变化时，以0.02‰的掺量进行递增，掺量大于0.1‰时，以0.05‰递增。基准配合比中的各材料用量见表 2。

1.1.3 考核指标

《喷射混凝土应用技术规程》(JGJ/T372—2016)对喷射混凝土的拌和物性能、混凝土强度和回弹率均有明确要求。拌和物性能控制中，喷射混凝土拌和物坍落度应控制在80~200 mm。水平喷射混凝土拌和物回弹率不宜大于15%，竖直喷射混凝土拌和物回弹率不宜大于25%。

此外，喷射混凝土强度应符合《混凝土结构设计规范》(GB50010)的规定，地下工程用喷射混凝土的设计强度等级不应低于C25，喷射混凝土的1 d混凝土抗压强度不应低于8 MPa，结构作用中喷射混凝土与岩石基底的最小黏结强度为0.8 MPa，与混凝土基底的最小黏结强度为1.0 MPa。

因此，试验方案设计主要围绕喷射混凝土的坍落度、抗压强度、黏结强度及回弹率展开。

1.2 试验方案 1.2.1 坍落度性能测定

依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)中规定：将坍落度筒放在不吸水的水平地板上，用脚踩住两边的脚踏板，防止坍落度筒在装料时浮动；按要求将混凝土分3次装入筒内，并每层插捣25次；清除筒边掉落的混凝土，在5~10 s内将筒提起。测量筒高与坍落后混凝土试件最高点之间的高度差，即为该混凝土拌和物的坍落度值。

1.2.2 力学性能测定

(1) 抗压强度测试

根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)规定，制作标准尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，以标准条件进行养护，采用标准试验方法测得抗压强度值。

(2) 黏结强度测试

根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086—2001)规定，黏结强度测试采用喷大板室内劈裂法进行测试。选取表面平整的岩块，将其加工成400 mm×300 mm×50 mm(长×宽×厚)的岩石板(喷射面不经过加工)并使岩石板厚度均匀。岩块置于模板内喷上混凝土，养护至7 d龄期用切割法去掉周边，加工成边长为100 mm的立方体试块(其中岩石和混凝土的厚度各为50 mm左右)。养护至28 d龄期在岩块与混凝土结合面处用劈裂法求得混凝土与岩块的黏结强度值。

1.2.3 回弹率测试

回弹率测定中采用大板法进行试验。试验过程为对60 cm×60 cm×20 cm尺寸的大板喷射混凝土，每次喷射量为185 kg，混凝土喷射完成后进行清理，并称量脱落在地面上的混凝土。通过混凝土的喷射量和脱落在地上的混凝土质量计算脱落量占喷射总量的百分率作为喷射混凝土回弹率X₁，计算方法如式(1)：

(1)

式中，X₁为回弹率；W₁为回弹物质量测定值；W₀为根据配比推定的或实测的喷射质量。

喷射机采用三门峡泰力矿山设备有限公司研制的GSP-A型喷射混凝土机，喷射机具体参数如表 3混凝土喷射机技术参数所示。混凝土喷射试验过程如图 1所示。

2 试验结果分析 2.1 对坍落度的影响

选择坍落度为检验指标，分析加入纤维素醚和聚丙烯酰胺2种类型的外加剂后，喷射混凝土坍落度的变化如表 4及图 2所示。

从表 4和图 2中可知，与未掺入回弹抑制剂相比，较低掺量的纤维素醚，即掺入量在0.2‰~1‰区间，可增大混凝土的流动性。随纤维素醚掺量的增加，即掺量在1.5‰~3‰区间，混凝土的坍落度出现下降。随着纤维素醚的掺入，混凝土的坍落度呈现先增长后降低的趋势，纤维素醚掺量在1‰时，混凝土的坍落度最大。但当纤维素醚的掺量在0.2‰~1.5‰时，混凝土的坍落度超过了规范允许的80~200 mm范围。同时试验过程中发现，纤维素醚能有效改善混凝土的泌水性，增加其黏聚性。

加入纤维素醚后混凝土坍落度先增后降的主要原因为纤维素醚颗粒的润滑作用，引气作用和胶黏特性。纤维素醚在低掺量中，因其引气作用，在砂浆中气泡均匀分布呈现滚珠效应，降低了混凝土颗粒间的运动阻力。随着纤维素醚掺量的增加，纤维素醚优异的胶黏特性降低了混凝土的流动能力。

通过试验数据与图中趋势显示，可知与未掺入回弹抑制剂相比，聚丙酰胺在低掺入量，即0‰~0.1‰掺量范围内，对混凝土坍落度的影响较小，但随着聚丙烯酰胺掺量的继续增加，混凝土坍落度呈明显下降趋势。当聚丙烯酰胺掺入量达到0.3‰时，混凝土坍落度已低于80 mm，超过了规范允许的80~200 mm范围。聚丙烯酰胺因其很强的吸附作用，降低了集料之间自由浆体的含量，从而增大了混凝土的流动性阻力，影响了混凝土的坍落度。

2.2 对力学性能的影响

分别选用聚丙烯酰胺和纤维素醚作为回弹抑制剂，测试混凝土中掺入回弹抑制剂后混凝土的力学性变化，如表 5所示。

2.2.1 抗压强度

从表 5的试验结果可看出，纤维素醚和聚丙烯酰胺的掺入，对混凝土的抗压强度有不同程度的影响，1 d及28 d抗压强度的影响变化规律如图 3所示。

由表 5及图 3可知，与未掺入回弹抑制剂的试件相比，纤维素醚与聚丙烯酰胺均对混凝土1 d和28 d抗压强度有降低作用。纤维素醚增加到3‰的掺量时，1 d和28 d抗压强度约为未掺入回弹抑制剂试件抗压强度的80%，聚丙烯酰胺对混凝土抗压强度的影响大于纤维素醚。虽然随着聚丙烯酰胺的掺入，混凝土抗压强度有所降低，但聚丙烯酰胺掺入量达到0.3‰时，1 d抗压强度仍可达到8 MPa的规范需求。

纤维素醚和聚丙烯酰胺对混凝土抗压强度的影响，主要因为2种回弹抑制剂具有保水、增稠、引气和缓凝的效果。随着纤维素醚和聚丙烯酰胺的加入，引气效果不断增强，砂浆中的孔隙率不断增大，同时产生了柔性聚合物，降低了混凝土中集料间的刚性支撑强度及集料间的咬合力，导致混凝土抗压强度降低^[27]。苏雷^[28]试验结果表明，纤维素醚改性水泥浆体抗压强度与新拌浆体含气量之间存在对数关系。

2.2.2 黏结强度

从表 5的试验结果可看出，与无回弹抑制剂试件相比，纤维素醚和聚丙烯酰胺的掺入对混凝土的黏结强度也均有显著影响，其变化规律如图 4所示。

由图 4可看出，纤维素醚和聚丙烯酰胺的掺入均可较大幅度提升混凝土的黏结强度。这是因为絮凝剂的分子量较大，具有长链结构，可同时吸附多个水泥颗粒。在水泥颗粒表面与高分子絮凝剂的球面相接近的位置出现负电荷过剩现象，增大了负库仑电位。增大的负库仑电位将高分子絮凝剂中可流动的反离子吸引过来，中和了一部分水泥颗粒表面电荷。由于电荷的中和作用降低了水泥颗粒表面的排斥能，产生絮凝现象，在宏观上表现为试块的黏结强度增大。

由图中数据可见，纤维素醚对混凝土黏结强度的改善效果优于聚丙烯酰胺。从试验结果可看出2种回弹抑制剂均能使混凝土能较好地黏结在围岩上。

2.3 对回弹率的影响

分别测试无回弹抑制材料、掺入纤维素醚、掺入聚丙烯酰胺对回弹率的影响。考虑到坍落度和强度的要求，纤维素醚掺入量控制在2.0‰~3.0‰，聚丙烯酰胺掺入量控制在0.15‰~0.25‰。

根据试验结果可看出，未掺入回弹抑制剂的喷射混凝土的回弹率较大，超过规范允许限值的15%，喷射试验过程中碎石反弹情况较严重，且在空气射流的作用下部分已喷射在模上细集料被吹离模板形成粉尘，影响了喷射人员的视线。

表 6试验结果显示，掺入回弹抑制材料后喷射混凝土的回弹率出现了较为明显的下降。回弹抑制剂对水泥颗粒表面电荷的中和作用降低了水泥颗粒相互之间的排斥性，形成絮凝现象和胶黏性能，不仅表现出了黏结强度的增大，而且表现出了回弹率的降低。试验结果显示，掺入2.0‰~3.0‰纤维素醚和0.15‰~0.25‰聚丙烯酰胺后，混凝土回弹率分别下降到13.03‰~10.08‰和10.06‰~9.04‰。与未掺入回弹抑制材料相比，回弹率分别降低了19.3%~37.6%和37.2%~44.1%。纤维素醚掺入2‰和聚丙烯酰胺掺入0.15‰时，混凝土回弹率均达到喷射混凝土要求。从试验结果可知聚丙烯酰胺在降低喷射混凝土回弹率的效果优于纤维素醚。

2.4 回弹抑制材料适用掺入量 2.4.1 喷射混凝土基本性能要求

《喷射混凝土应用技术规程》(JGJ/T372—2016)对拌和物性能控制中喷射混凝土拌和物的坍落度、水平喷射、竖直喷射回弹率控制值有明确规定。《混凝土结构设计规范》(GB50010)对喷射混凝土强度有所控制。其中隧道作为地下工程，对喷射混凝土的短期强度和黏结强度等有所要求。具体要求及数据同1.1.3。

2.4.2 适用掺量分析

依据对比试验结果结合规范对喷射混凝土各项性能的要求，对采用纤维素醚和聚丙烯酰胺2种回弹抑制剂的适用性进行分析：(1)规范要求湿喷混凝土拌和物坍落度应控制在80~200 mm，试验结果显示，纤维素醚掺量宜控制在2‰~3‰，聚丙烯酰胺掺量宜控制在0.02‰~0.25‰；(2)规范要求地下工程用喷射混凝土的设计强度等级不应低于C25，喷射混凝土的1 d混凝土抗压强度不应低于8 MPa，通过试验结果分析，纤维素醚掺量宜控制在0.2‰~3‰，聚丙烯酰胺掺量宜控制在0.02‰~0.3‰；(3)基于喷射混凝土黏结强度要求，结合试验结果分析，纤维素醚掺量宜控制在0.2‰~3‰，聚丙烯酰胺掺量宜控制在0.02‰~0.3‰；(4)规范要求水平喷射混凝土拌和物回弹率不宜大于15%，竖直喷射混凝土拌和物回弹率不宜大于25%，依据试验结果分析可知，纤维素醚掺量宜控制在2‰~3‰，聚丙烯酰胺掺量宜控制在0.15‰~0.25‰。

结合以上对坍落度、抗压强度、黏结强度、回弹率的综合考虑，建议回弹抑制材料中纤维素醚的适用掺量宜控制在2‰~3‰，聚丙烯酰胺的适用掺量宜控制在0.15‰~0.25‰。

3 结论

通过对比试验研究了纤维素醚与聚丙烯酰胺2种回弹抑制剂的不同掺量对隧道施工过程中湿喷混凝土的坍落度、抗压强度、黏结强度以及回弹率的影响规律，结合规范对喷射混凝土性能的综合要求提出了2类回弹抑制剂的适用掺量范围，主要研究结论如下：

(1) 随着纤维素醚掺量从0‰增加到3‰，坍落度呈现先增长后降低的趋势，坍落度峰值出现在掺量1‰附近，随着聚丙烯酰胺掺量从0‰增加到0.3‰，坍落度呈现降低趋势。

(2) 随着纤维素醚掺量从0‰增加到3‰，或聚丙烯酰胺掺量从0‰增加到0.3‰，混凝土抗压强度出现不同程度的下降，但仍能满足喷射混凝土的抗压强度要求，随着回弹抑制剂的掺入，混凝土黏结强度不断增长，且黏结强度均大于1.0 MPa，满足混凝土最小黏结强度要求。

(3) 未掺入回弹抑制剂时，混凝土回弹率未满足规范需求，掺入纤维素醚2‰~3‰或掺入聚丙烯酰胺0.15‰~0.25‰后，回弹率有明显降低，其中，聚丙烯酰胺掺入0.15‰~0.25‰时，对回弹率降低影响大于纤维素醚。

(4) 为满足喷射混凝土综合性能需求，建议纤维素醚掺量控制2‰~3‰范围内，聚丙烯酰胺掺量控制在0.15‰~0.25‰范围内。