一种基于喷射混凝土现场工作性要求的拌合站材料配比反向
控制方法
技术领域
背景技术
[0002] 在隧道工程应用中，隧道开挖之后要及时施作隧道初期支护，以保证隧道施工的安全以及阻止岩体发生过大
变形。混凝土湿喷技术是目前国内外普遍采用的隧道初期支护施工的方式，所用到的混凝土首先在洞外的拌合站集中拌制，并由混凝土运输车输送至隧道内，由湿式喷射机进行喷射施工。
[0003] 根据工程现场的实际情况，拌合站按照一定的配比进行混凝土的拌制，得到的混凝土必须满足强度以及工作性的要求。在运输过程中，拌制混凝土会发生
离析及坍落度损失的现象，所以应该尽量缩短运送时间，保证塌落度控制在一定范围内，确保湿喷机在
泵送混凝土时不会因为坍落度损失过大而造成堵管现象。混凝土在泵送管道内存在压
力损失，其与混凝土的配比、泵送管道的长度等因素有关，因此对于湿喷机压力的控制也有要求，必须要保证喷口处的混凝土达到一定的喷射速度才能取得比较好的喷射效果。不同的工程对应着不用的施工条件，混凝土的配比必须结合施工现场与泵送设备的情况进行相应的调整，这无疑需要大量的试验来确定。因此提出一种基于喷射混凝土现场工作性要求的拌合站材料配比反向控制方法，有助于拌合站及时快速的确定所需混凝土的配比。
发明内容
[0004] 本
申请旨在至少解决
现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种基于喷射混凝土现场工作性要求的拌合站材料配比反向控制方法。该方法能减少因施工现场地质情况与泵送设备的情况不同所需要进行的大量重复性试验，精准地控制混凝土配比与外加剂掺量，使得在泵送混凝土时不会因为
混凝土坍落度损失值过大而造成堵管、爆管的现象发生，可以更好地进行喷射支护作业。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种基于喷射混凝土现场工作性要求的拌合站材料配比反向控制方法，基于喷射混凝土现场工作性要求，确定最佳喷射速度和最佳泵送速度，根据规范及施工经验确定泵送时混凝土坍落度要求，通过混凝土在泵送管道内的压力损失公式为施工现场提供所需采取的泵送压力值范围，通过试验和/或结合以往施工经验确定运输时段混凝土坍落度随时间变化关系，推得拌合站混凝土所需达到的坍落度范围值，同时开展试验测定混凝土强度、坍落度与外加剂掺量之间的关系曲线，确定同时满足坍落度和混凝土强度要求的外加剂掺量区间，根据所得区间范围进行混凝土的配比工作。
[0007] 进一步的，采用泵送式湿喷机进行混凝土喷射作业，基于喷射混凝土现场工作性要求，按下述公式求解得到最佳喷射速度，也即
喷嘴口处轴线速度：
[0008]
[0009] 其中，vl为受喷面处轴线速度；v0为喷嘴口处轴线速度；y0为扩散半径，由喷射机的喷头与受喷面之间的距离以及喷嘴扩散
角求得；R0为喷嘴口半径。
[0010] 进一步的，通过求解得到的最佳喷射速度，按下述公式计算得到最佳喷射速度下的最佳泵送速度：
[0011]
[0012] 其中，v1为最佳泵送速度；P0为喷嘴口处喷射压力；P1为泵送管道出口压力；ρ1为未进入压缩空气时混凝土
密度；v2为压缩空气进入喷嘴时的速度；P2为压缩空气压力；ρ2为压缩空气密度。
[0013] 进一步的，根据工程要求以及以往施工经验确定泵送时混凝土坍落度区间[S1,S2]，根据确定的坍落度、最佳泵送速度确定泵送压力值，并将泵送压力值P3控制在以下范围：
[0014]
[0015] 其中，K为安全系数；P3为泵送压力值；ρ为混凝土密度；g为重力
加速度；h为泵送管道倾斜段垂直高差；L为管道长度；R为混凝土输送管半径；t2/t1为混凝土泵分配
阀切换时间与
活塞推压混凝土时间之比； 为混凝土拌合物在输送管内的平均流速；α为径向压力与轴向压力之比，泵送方式选择为常速度泵送，有
[0016] 进一步的，考虑到泵送时坍落度损失、混凝土
波动因素造成的阻力损失值未计算，取安全系数K＝0.9。
[0017] 进一步的，根据现场试验和/或以往施工经验确定运输过程中混凝土坍落度随时间变化的关系式，确定拌合站至作业点的运输时间，进而求得运输过程中坍落度的损失情况。
[0018] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
[0019] 1.本发明提出的混凝土配比控制方法是基于工程现场的实际情况，能及时根据现场的反馈信息进行调整，并结合以往工程的经验数据对混凝土运输过程中的坍落度损失值进行数据拟合，推得拌合站混凝土所需达到的坍落度范围值，从而精准地控制混凝土配比，使得在泵送混凝土时不会因为混凝土坍落度损失值过大而造成堵管、爆管的现象发生，更好地进行喷射支护作业。
[0020] 2.本发明所提出的混凝土配比控制方法，无需再考虑由于运输过程中混凝土坍落度损失过大而出现泵送时堵管、无法泵送，而额外添加外加剂改善混凝土的性能的问题。
[0021] 3.本发明所提出的混凝土配比控制方法，能够适用于不同施工条件的施工工程，可以解决因施工现场地质情况与泵送设备的情况不同所需要进行的大量重复性试验。
[0022] 4.本发明所提出的混凝土配比控制方法，能够为现场提供可靠的泵送压力控制值，减少大量设备调试作业。
附图说明
[0024] 图2是湿喷混凝土扩散示意图；
[0025] 图3是泵送管道与喷嘴连接处示意图；
[0026] 图4是管道内泵送阻力示意图；
[0027] 图5是外加剂添加量对混凝土坍落度及强度的影响曲线图。
具体实施方式
[0028] 下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029] 如图1所示，本发明提供的一种基于机制砂混凝土使用现场工作性要求的拌合站材料配比反向控制方法，基于喷射混凝土现场工作性要求，确定最佳喷射速度和最佳泵送速度，根据规范及施工经验确定泵送时混凝土坍落度要求，通过混凝土在泵送管道内的压力损失公式为施工现场提供所需采取的泵送压力值范围，通过试验并结合以往施工经验确定运输时段混凝土的工作性时变函数，推得拌合站混凝土所需达到的坍落度范围值。同时开展试验测定混凝土强度、坍落度与外加剂掺量之间的函数曲线，满足两者要求，确定外加剂掺量区间，根据所得区间范围进行混凝土的配比工作。
[0030] 本实施例能减少因施工现场地质情况与泵送设备的情况不同所需要进行的大量重复性试验，精准地控制混凝土配比与外加剂掺量，使得在泵送混凝土时不会因为混凝土坍落度损失值过大而造成堵管、爆管的现象发生，可以更好地进行喷射支护作业。
[0031] 在一实施例中，最佳喷射速度确定过程如下：采用泵送式湿喷机进行混凝土喷射作业，基于喷射混凝土现场工作性要求，按下述公式求解得到最佳喷射速度，也即喷嘴口处轴线速度：
[0032]
[0033] 其中，vl为受喷面处轴线速度；v0为喷嘴口处轴线速度；y0为扩散半径，由喷射机的喷头与受喷面之间的距离以及喷嘴扩散角求得；R0为喷嘴口半径。
[0034] 公式(1)具体推导过程如下：
[0035] 如图2所示，湿式喷射混凝土用输送泵将混凝土泵送至喷嘴处，喷射射流呈现空气射流的特点，根据几何学公式可以得到
[0036] y0＝R0+l·tgθ (2)
[0037] 其中，y0为扩散半径；R0为喷嘴半径；l为喷射距离；θ为喷嘴扩散角。工程现场所用到的湿喷机的型号是可以确定的，该喷嘴产生的扩散角为θ可通过试验确定。
[0038] 根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)规定，喷射机的喷头应与受喷面垂直，且应保持0.6-1m的喷射距离，喷射距离过大的话射流会在重力作用下发生下抛现象，如图2虚线段所示，造成不必要的损失。
[0039] 对于圆形喷嘴喷出的射流，根据动量守恒定律：mlvl＝m2v2，单位时间内通过任意横截面射流料团的动量应等于单位时间内喷口处料团的动量，即
[0040]
[0041] 其中，ρ0、ρl分别为喷口处和任意
位置l处单位体积内混合物含量的平均密度；v0为喷口处轴线速度；v为任意位置处的轴线速度；vl为l处轴线速度，v与vl的满足如下关系(张明(2000)《湿喷混凝土喷射速度特性解析》)：
[0042]
[0043] 采用
流体力学中射流为不可压缩流体的假设，认为密度在喷射时任一位置处均为常数，即ρl＝ρ0，将式(4)代入式(3)中化简，化简过程如下：
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 化简得到
[0049]
[0050] 对式(6)进行等式变换得到
[0051]
[0052] 其中
[0053]
[0054] P为最佳冲击力，可以使用测定仪和冲击力
传感器进行测量，最佳喷射状态时的最佳冲击力一般取10～15N。
[0055] 在另一实施例中，如图3所示，混凝土在泵送管道出口处施加
风压，以一定的速度从喷嘴处喷出，风压设定值及速度保持一定值，根据伯努利方程(8)可推得最佳泵送速度：
[0056]
[0057] 其中，v1为最佳泵送速度；P0为喷嘴口处喷射压力；P1为泵送管道出口压力；ρ1为未进入压缩空气时混凝土密度；v2为压缩空气进入喷嘴时的速度；P2为压缩空气压力；ρ2为压缩空气密度。
[0058] 对公式(8)进行化简得到：
[0059]
[0060] 在另一实施例中，因泵送过程时间较短，因此混凝土在泵送管内的坍落度损失可以忽略不计，泵送时混凝土坍落度根据现场工程要求以及以往施工经验确定在[S1,S2]间。根据确定的坍落度、最佳泵送速度确定泵送压力值，并将泵送压力值P3控制在以下范围：
[0061]
[0062] 其中，K为安全系数；P3为泵送压力值；ρ为混凝土密度；g为
重力加速度；h为泵送管道倾斜段垂直高差；L为管道长度；R为混凝土输送管半径；t2/t1为混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比； 为混凝土拌合物在输送管内的平均流速；α为径向压力与轴向压力之比，泵送方式选择为常速度泵送，有
[0063] 泵送压力值P3的推导过程为：
[0064] 混凝土泵送过程中输送管内压力的损失是一个重要问题，尤其在长距离管道输送过程中，压力损失与湿喷混凝土泵的选型、输送距离的长短及
骨料配合比的确定等有关。
[0065] 泵送管道内的压力损失可分为沿程阻力损失、重力压头，沿程阻力又包括倾斜段、垂直段、弯管拐角处压力损失。
[0066] 如图4所示，倾斜段的压力损失为：
[0067] Px＝P3-P1＝PG+Pf (11)
[0068] 式中：Px为倾斜段的压力损失；P1为输出端压力；P3为输入端压力；PG为重力压头；Pf为沿程阻力。
[0069] 根据《混凝土泵送施工技术规范》(JGJ/T 10-1995)规定的混凝土泵送压力损失公式：
[0070]
[0071]
[0072] K1＝300-S
[0073] K2＝400-S (12)
[0074] 其中，PX为倾斜段的压力损失；ρ为混凝土密度；g为重力加速度；h为倾斜管道垂直高差；L为管道长度；ε为沿程阻力损失；R为混凝土输送管半径；K1为粘着系数；K2为速度系数；S为混凝土坍落度；t2/t1为混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比(当设备性能未知时，可取0.3)； 为混凝土拌合物在输送管内的平均流速；α为径向压力与轴向压力之比，对于普通混凝土取0.9，根据式(12)以及泵送时混凝土坍落度范围要求即可得到泵送压力值P3的范围。
[0075] 考虑到泵送时坍落度损失、混凝土波动因素造成的阻力损失值未计算，取安全系数K＝0.9。
[0076] 在一实施例中，拌制后的混凝土在运输过程中存在明显的坍落度损失的现象，影响因素包括时间、
温度等，一般情况下，运输时间对坍落度影响最大。通过试验和/或结合以往施工经验以运输时间为主要变量进行单因素数据拟合或是以时间、温度、减
水剂为变量进行多因素数据拟合确定运输时段(温度恒定)混凝土坍落度的时变函数，推得拌合站混凝土所需达到的坍落度范围值，同时开展试验测定混凝土强度、坍落度与外加剂掺量之间的关系曲线，确定同时满足坍落度和混凝土强度要求的外加剂掺量区间，根据所得区间范围进行混凝土的配比工作。
[0077] 现以某高速公路为例，结合以往施工经验，在不同的温度(℃)及
减水剂添加量(％)下，初步揭示坍落度h(cm)与历经时间(min)和的关系。
[0078] 表1不同温度下坍落度与历经时间关系表
[0079]
[0080] 表1中序号1、2、3、4、5所列坍落度与时间关系数据大体呈现双曲函数关系。数据拟合得到混凝土运输过程中的工作性时变函数为:
[0081] h＝0.007t2-0.763t+19.612；
[0082] 相关指数R2＝0.949。4
[0083] 如上仅做说明示意，实际情况并不局限于表中数据，应根据现场运输情况并结合以往施工经验对混凝土坍落度与运输时间的关系进行数据拟合，以得到运输过程中混凝土坍落度的损失情况，确定拌合站混凝土工作性所需的要求。
[0084] 如图5所示，通过改变外加剂添加量，通过试验获得混凝土工作性与外加剂添加量之间的关系曲线，同时开展试验测定混凝土强度与外加剂添加量之间的函数曲线，满足两者要求，确定一个准确的区间。其中混凝土坍落度上述步骤确定，强度应满足工程设计要求。
[0085] 根据上述步骤求得拌合站混凝土坍落度应在14～17cm之间，强度应满足设计的44.5MPa要求，根据图5可得到外加剂添加量在0.1％～0.2％内。
[0086] 上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的
基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
