使用纳米级掺合料和粗合成纤维制备的湿喷混凝土凝结速度快、早期强度高，支护效率明显优于传统湿喷混凝土，尤其在高地应力、大埋深、高外水压等复杂地质条件下，它能够更早地发挥围岩的自稳能力，更大程度地降低坍塌、岩爆等工程灾害发生的风险。喷射混凝土的支护效率除了受强度发展速度的影响之外，还与喷层厚度的增长速率密切相关，即喷层越厚，支护能力越强，结构越安全。降低回弹率是加快喷层厚度增长的重要手段之一，它可提高施工效率，在较短的时间内实现预期喷射厚度，及早地控制围岩不利变形。可见，研究如何降低湿喷混凝土的回弹率具有重要的工程意义。

纳米级掺合料为一种市售矿物外加剂，兼具减水和高强特性，目前尚无相关技术规范可对其进行精确定义。与普通湿喷混凝土相比，纳米级掺合料湿喷混凝土具有一定的低回弹优势。但其与硅灰湿喷混凝土回弹性能有何差异，其掺量和细度对回弹率有何影响，是否仍可进一步优化，均需进一步研究。

与素喷射混凝土相比，无论是粗合成纤维^[1]、微合成纤维^[2]还是钢纤维^[3]湿喷混凝土均具有较低的回弹率。当前，钢纤维湿喷混凝土堵管问题突出^[4]，采用粗合成纤维取代钢纤维制备纤维增韧喷射混凝土已成为一种趋势。研究粗合成纤维品质(例如掺量、长径比等因素)对湿喷混凝土回弹率的影响，将有助于提高粗合成纤维的应用技术水平。

针对上述问题，对比了纳米级掺合料和同掺量硅灰对湿喷混凝土回弹率的影响，考察了纳米级掺合料掺量、细度对回弹率的影响。此外，还比较了不同的粗合成纤维材质、长径比、掺量、混杂方式等条件下的湿喷混凝土回弹率。

1 原材料及试验方案 1.1 原材料

水泥品种为P·O 42.5R，密度为3.11 g/cm³，比表面积340 m²/kg，初凝和终凝时间分别为140和215 min，3 d和28 d抗折强度为6.7和8.4 MPa，抗压强度为30.3和53.0 MPa。除特别说明外，纳米级掺合料为南京水利科学研究院专利产品(专利号：201210343040.7)，编号为NM1。另外2种纳米级掺合料为市售产品，编号分别为NM2和NM3。纳米级掺合料主要由高含量的SiO₂和高效减水组分组成，减水率在25%左右。3种纳米级掺合料与硅灰的物理力学性能见表 1。细骨料为大理岩人工砂，细度模数2.8，石粉含量12.5%，饱和面干吸水率1.3%；粗骨料为5 ~15 mm的大理岩人工碎石；纤维采用了丙纶、腈纶、涤纶等材质的粗合成纤维或微合成纤维和1种钢纤维，其物理性能见表 2；减水剂为市售聚羧酸系高效减水剂，1.0%掺量时减水率达20%；速凝剂为市售无碱液体速凝剂，8%掺量时JC 477检测初、终凝时间分别为3.3和8.5 min。

1.2 试验方案

共配制了21种湿喷混凝土，具体如表 3所示。各湿喷混凝土的水胶比(水/(水泥+纳米级掺合料或硅灰))均为0.437，坍落度均为180~220 mm。

表 3编号中：“N”，“S”分别表示掺加纳米级掺合料和硅灰的混凝土，例如，“N10”，“S10”分别代表纳米级掺合料和硅灰的掺量为10%，编号中未对此明确时，均看成N10，在纳米级掺合料品种方面，除了NM2和NM3的纳米级掺合料品种不同外，其余混凝土中均为NM1；“F”，“G”分别表示合成纤维和钢纤维，例如“F8”，“G40”分别表示合成纤维掺量为8 kg/m³和钢纤维掺量为40 kg/m³。表 3中的N10F8，NM1，BF30和LD30为同一配合比。HZ1，HZ2，HZ3和HZ4为4种混杂合成纤维方案。纤维组成是：HZ1为8 kg/m³ BF30+0.91 kg/m³ BFW；HZ2为4 kg/m³ BF30+4 kg/m³ BF56；HZ3为4 kg/m³ BF30+4 kg/m³ BF76；HZ4为4 kg/m³ BF30+4 kg/m³ BF56+0.91 kg/m³ BFW。HZ1代表粗细混杂，即粗合成纤维和微纤维混杂；HZ2和HZ3代表长短混杂，即两种不同长径比的粗合成纤维混杂；HZ4代表粗细混杂+长短混杂。

2 回弹率测试方法 2.1 边墙回弹率

边墙回弹率在南京水利科学研究院铁心桥试验基地进行。混凝土采用500 L双卧轴强制式搅拌机搅拌。喷射采用国产小型湿喷机，生产能力6 m³/h，配套空压机送风压力0.5 MPa。混凝土搅拌出机直接注入湿喷机料仓。喷射过程中，试模倾斜放置，与水平面夹角80°。喷射角度为直角，喷射距离为0.8 ~1.0 m，喷嘴做20~50 cm直径的螺旋线运动。回弹率测试时，在受喷面下方铺设塑料苫布，喷射结束后收集回弹物料，计算回弹率。实测速凝剂用量为胶凝材料的6%~7%。

2.2 综合回弹率

综合回弹率在四川某引水隧洞施工现场进行。混凝土搅拌采用出料容量1.5 m³的双卧轴强制式搅拌机。混凝土出机后用罐车运至现场，在混凝土进入湿喷机料斗前，罐车快速旋转1 min。施工采用进口大型混凝土湿喷机，其实际生产能力可达25 m³/h，配套空压机送风压力0.7 MPa。喷头到受喷面的距离为：边墙1.2~1.5 m，顶拱1.8~2.2 m。一个工作面分3次连续喷射完成，总的喷层厚度约10 cm，每次喷3 cm左右，每次间隔时间8~10 min。喷头以绕螺旋方式扫射，喷到受喷面时的覆盖直径约为：顶拱每个点1 m，边墙每个点0.8 m。每个点每次的喷射时间约1~3 s。收集回弹物料，计算回弹率。速凝剂用量约为胶凝材料总量的8%。

3 结果与讨论 3.1 纳米级掺合料对湿喷混凝土回弹率的影响 3.1.1 纳米级掺合料与硅灰的对比

4种湿喷混凝土的回弹率如图 1所示。可见，各湿喷混凝土的边墙回弹率均低于其综合回弹率。这一方面是因为综合回弹率中的回弹物料同时包含了顶拱和边墙的回弹量，受喷射手的经验和重力作用所限，顶拱的回弹率通常大于边墙回弹率，故与单一的边墙回弹率相比，综合回弹率测值稍高。另一方面，边墙回弹率测试时，以模板作为边墙，其一次喷射厚度大，有助于降低回弹率^[5]。

从配合比角度来看，两种纳米级掺合料纤维湿喷混凝土的回弹率比较接近，边墙回弹率均在4.5%左右，综合回弹率均在8.0%左右。两种硅灰纤维湿喷混凝土的回弹率也比较接近，边墙回弹率均在5.4%左右，综合回弹率均在11.0%左右。

对比4种混凝土的回弹率发现，无论掺加硅灰还是纳米级掺合料，粗合成纤维和钢纤维在影响湿喷混凝土回弹率方面差异不大，这表明纤维品种对回弹率的影响不明显。但与硅灰粗合成纤维或钢纤维湿喷混凝土相比，纳米级掺合料湿喷混凝土的边墙回弹率和综合回弹率分别下降了17%和25%，表明纳米级掺合料有助于降低湿喷混凝土回弹率。这一方面是因为纳米级掺合料中含一定量的有机增稠剂，可增加混凝土稠度，降低回弹率。另一方面主要由于纳米级掺合料的无机增稠作用，其颗粒粒径小^[6]，具有较大的比表面积，对水分的吸附量大，增稠效果好，可改善混凝土的黏聚性，提高与围岩的附着力；同时颗粒尺寸小还能够提高材料的化学反应活性，加速早期附着力发展。TANG Ming等^[7]曾对硅灰、超细粉煤灰、煤矸石、高岭石和蒙脱石等5种不同细度、活性的掺合料进行湿喷混凝土回弹率研究，结果见图 2所示。可见，与纯水泥混凝土相比，各掺合料湿喷混凝土的回弹率均有明显降低。并且对比各掺合料之间的差异发现，回弹率随掺合料比表面积的增加而降低。这是因为混凝土料束自喷头运动到受喷面的过程中容易发散，胶凝材料细度增加可提高混凝土稠度和内聚力，改善运动过程中的整体性。同时，稠度增加后混凝土与受喷面碰撞回弹所需能量也会增加，这均有助于降低回弹率。

3.1.2 纳米级掺合料掺量的优化

3种湿喷混凝土的回弹率如图 3所示。如前所述，对于同一种湿喷混凝土而言，综合回弹率均大于其边墙回弹率。但无论是综合回弹率还是边墙回弹率，均随纳米级掺合料掺量的增加而降低。与掺7.5%纳米级掺合料时相比，掺10.0%和12.5%纳米级掺合料湿喷混凝土的边墙回弹率分别降低了12%和20%、综合回弹率分别降低了8%和13%。且12.5%掺量时，纳米级掺合料湿喷混凝土的综合回弹率为7.8%，在8.0%以内。表明提高纳米级掺合料有助于降低湿喷混凝土的回弹率。这是因为纳米级掺合料掺量增加，胶凝材料体系的总比表面积增加，对水分的吸附、对其他组分的包裹能力增强，进一步改善了湿喷混凝土的黏聚性，增加了混凝土的稠度，降低了回弹率^[8]。在这一点上，Markus等^[9]得到的结论比较相似，并指出混凝土稠度在20~180 N·mm(扭转力矩)范围内，回弹率随稠度的增加而降低。

3.1.3 纳米级掺合料细度的对比

为进一步验证回弹率随掺合料细度增加而降低的猜想，配制了NM1，NM2和NM3共3种湿喷混凝土，其中NM1，NM2和NM3三种纳米级掺合料的体积平均粒径D_(4，3)分别为128，137和147 nm。回弹率测试结果如图 4所示。可见，3种纳米级掺合料湿喷混凝土的边墙回弹率和综合回弹率均存在微弱的变化趋势，即NM3>NM2 >NM1，表明回弹率随纳米级掺合料粒径的减小而降低。但三者之间的回弹率相差幅度并不显著。如前所述，硅质纳米级掺合料与硅灰之间之所以存在回弹率差异主要有两个原因：一是含一定量的增稠组分；二是颗粒的大小。而3种材料同为纳米级掺合料，无论在细度上还是在增稠组分含量上差异均不会过大。

3.2 粗合成纤维对湿喷混凝土回弹率的影响 3.2.1 粗合成纤维材质的对比

粗合成纤维材质对湿喷混凝土回弹率的影响见图 5。可见，无论是边墙回弹率还是综合回弹率，丙纶、涤纶和腈纶配制的湿喷混凝土回弹率均相差不大。3种湿喷混凝土的边墙回弹率、综合回弹率分别在4.5%和8.2%左右。表明同掺量条件下，纤维材质对湿喷混凝土回弹率的影响不大。这是因为纤维材质差异主要体现在力学性能方面，以断裂强度为例，丙纶、涤纶和腈纶的断裂强度分别为490，710和620 MPa。而湿喷混凝土的喷射与回弹均在瞬时发生，其回弹率的大小更依赖于自身的整体性和黏聚性。而纤维的力学性质对此贡献较小。

3.2.2 粗合成纤维长径比的优选

在粗合成纤维长径比对比时，回弹率仅测试了边墙回弹率，结果见图 6。可见，5种湿喷混凝土的边墙回弹率总体上在3.8%~4.8%。并且在30~76的粗合成纤维长径比范围内，回弹率随长径比的增加先降低后增加。长径比为38时回弹率最低，为3.8%。同掺量条件下，粗合成纤维长径比不同在混凝土内部主要体现为纤维的长度或数量差异，纤维弯曲、搭接、缠绕概率的区别。这会导致纤维在搅拌、喷射过程中结团程度不同，进而影响到纤维在混凝土基体内分散的均匀性和包裹性。换言之，纤维长径比对湿喷混凝土回弹率的影响，在一定程度上体现的是纤维的分散均匀性。参照GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》中6.4.1规定，进行纤维洗涤、烘干及质量测试，计算分散性结果见图 7。由此可见，长径比为38时混凝土中实测纤维含量与理论掺量偏差最小，即分散性最好，这与回弹率测试得出的最优长径比是一致的。其余长径比对应纤维的分散性与回弹率的趋势也基本一致。这与钱桂枫等^[10]采用PVA纤维得到的结论类似，即过大的长径比必然导致合成纤维在混凝土中的分散性变差。

3.2.3 粗合成纤维掺量的优选

不同粗合成纤维掺量下湿喷混凝土回弹率的测试结果见图 8。可见，4种湿喷混凝土的边墙回弹率为3.5%~4.6%，综合回弹率为7.7%~8.5%，前者整体上小于后者，原因不再赘述。

6 ~12 kg/m³的粗合成纤维掺量范围内，无论是边墙回弹率还是综合回弹率均随纤维掺量的提高先降低后增加。10 kg/m³时回弹率最低，边墙回弹率和综合回弹率分别为3.5%和7.7%。由纤维间距理论^[11]可知，对于同一种粗合成纤维，掺量提高，单位体积上的混凝土截面纤维根数增加，纤维平均间距减小，混凝土黏聚性改善，整体性增强。这有助于降低回弹率。但当纤维掺量过高后，将会影响其在混凝土内部的分散均匀性，纤维间搭接、结团作用加剧，不利于纤维与基体的粘结，会加剧混凝土的回弹。

3.2.4 合成纤维的混杂使用方式对比

合成纤维混杂使用方式下湿喷混凝土边墙回弹率测试结果如图 9所示。可见，边墙回弹率总体上为3.3%~4.3%，均低于单一粗合成纤维条件下的湿喷混凝土(N10F8)边墙回弹率(4.4%)。表明纤维混杂使用有助于降低湿喷混凝土的回弹率。这主要由于多尺度的纤维混杂，能使其在混凝土内部的结构层次上发挥各种纤维的尺度效应^[12-13]，从尺度上逐渐提高混凝土内部的黏聚性、改善整体性、降低回弹率。

与HZ1和HZ4相比，HZ2和HZ3两种湿喷混凝土的回弹率稍低，这可能是因为HZ1和HZ4中掺加的微纤维没有均匀分散所致，受微纤维自身的材质影响较大。4种纤维混杂方式中，使用长径比76和长径比30的两种粗合成纤维进行混杂的方式回弹率最低，为3.3%。与单一长径比情况下的回弹率测试结果相比，长短混杂(较大长径比与较小长径比的纤维混杂)既发挥了纤维长度在改善混凝土整体性方面的技术优势，又在一定程度上避免了较大长径比纤维掺量过高对分散性的不利影响。

4 结语

(1) 纳米级掺合料有助于降低湿喷混凝土的回弹率，并且颗粒尺寸越小，降低效果越明显；与同掺量的硅灰湿喷混凝土相比，纳米级掺合料湿喷混凝土回弹率可降低17%~25%。

(2) 提高纳米级掺合料掺量有助于降低回弹率，7.5%~12.5%掺量范围内，回弹率随纳米级掺合料掺量的增加而降低。与7.5%掺量时相比，掺10.0%和12.5%纳米级掺合料湿喷混凝土的边墙回弹率分别降低了12%和20%，综合回弹率分别降低了8%和13%。

(3) 掺加合成纤维或钢纤维均有助于降低湿喷混凝土的回弹率，但回弹率受纤维材质(钢、腈纶、丙纶、涤纶等)的影响不大。

(4) 适宜长径比有助于降低湿喷混凝土回弹率，30~76长径比变化范围内，38为最佳长径比。

(5) 优化纤维掺量有助于降低回弹率，10 kg/m³是6 kg/m³~12 kg/m³纤维掺量范围内的最佳掺量。

(6) 与单一纤维长径比条件下湿喷混凝土回弹率的测试结果相比，长径比76和长径比30的2种粗合成纤维混杂使用可进一步降低回弹率。