高性能喷射混凝土组成设计方法研究_文成禄.pdf

河南水利与南水北调 2022年第12期试验与研究作者简介：文成禄（1984），男，工程师，主要从事水利工程管理方面工作。高性能喷射混凝土组成设计方法研究文成禄（连州市水务工程建设管理中心，广东 连州 513400）摘要：基于喷射混凝土施工要求，提出了高性能喷射混凝土这一概念，即通过添加速凝剂的改良方式，对普通喷射混凝土的工作性能、强度特性以及耐久性能进行全面优化提升，使其具有高强度和优秀的耐久性能以及良好的可泵和可喷性能。为探究如何提升喷射混凝土性能与设计方法，对前人研究成果进行了分析总结，阐明了影响喷射混凝土工作性能的主要因素，重点探究了无碱速凝剂对喷射混凝土高性能化的影响机制，同时提出了高性能喷射混凝土组成设计方法。关键词：喷射混凝土；高性能化；无碱速凝剂；组成设计方法中图分类号：TV546文献标识码：A文章编号：1673-8853（2022）12-0082-03Study on Composition Design Method of High Performance ShotcreteWEN Chenglu（Lianzhou Water Works Construction Management Centre,Lianzhou 513400,China）Abstract：Based on the construction requirements of shotcrete,the concept of high performance shotcrete is put forward.This kind ofconcrete is improved by adding accelerant,as well as comprehensively optimized and improved the performance,strengthcharacteristics and durability of ordinary shotcrete,so that it has excellent durability and good performance of pump and shotcrete.Inorder to explore how to improve the performance and design method of shotcrete,the research results of predecessors are analyzed andsummarized,and the main factors affecting the performance of shotcrete are expounded.The influence mechanism of alkali-freeaccelerator on high performance of shotcrete is studied,and the composition design method of high performance shotcrete is proposed.Key words：shotcrete;high performance;alkali-free accelerator;composition design method0引言随着中国科技和施工技术的不断发展，对喷射混凝土技术的研究逐渐增多，其使用范围也越来越广。在进行施工时，通过加压的方式使拌合料快速喷射至施工位置，并能够瞬间压缩。在一些特定的工程项目中，使用喷射混凝土施工技术能够加快施工速度，缩短项目工期，能够有效降低施工成本，且喷射混凝土的施工工艺也较为简单，在施工领域得到了迅速普及。但同时，对于很多特殊的喷射混凝土的配合比没有相应的配合比规范，导致在实际工程中很多情况下喷射混凝土效果较差。目前国内隧道衬砌用喷射混凝土强度等级多以C25为主，现有喷射混凝土强度等级偏低，难以适应复杂地段的隧道工程环境，同时喷射混凝土的后期强度倒缩问题，这一问题会直接导致结构后期力学性能劣化，从而大大降低结构的耐久性，因此必须优化喷射混凝土的相关性能。针对喷射混凝土可能存在的使用效果差、后期强度不足等问题，提出了高性能喷射混凝土的概念，即通过改良原有喷射混凝土配料的方式，在其中添加速凝剂的方法，优化常规喷射混凝土的使用指标，提升其使用性能。高性能喷射混凝土的改良一般主要从配合比参数、速凝剂、机制砂以及纤维这几个方面入手。王嘉旋等人研究了多种纤维单掺和两种纤维混掺对喷射混凝土强度的影响，探究了通过纤维改良后喷射混凝土的强度发展规律。张戈探究了水胶比、添加凝胶量和不同砂率对提升喷射混凝土性能的影响。王家赫探究了无碱速凝剂与功能性掺合料对喷射混凝土的改良效果，并进行了相关的力学性能试验。分析总结了各种影响喷射混凝土工作性能的因素，并重点探究了无碱速凝剂对喷射混凝土高性能化的作用机制，同时提出了高性能喷射混凝土组成设计方法。1无碱速凝剂对喷射混凝土性能影响机理研究喷射混凝土的工作环境决定了其需要在喷射至受喷面上的短时间内迅速凝固，因此，速凝剂的添加对于喷射混凝土正常发挥作用起到了至关重要的作用。常见的混凝土速凝剂通常可以分为有碱速凝剂和无碱速凝剂两种。其中有碱速凝剂具有掺量少，发挥作用更快的优点，但其会降低混凝土的后期强度，同时增加碱骨料反应出现的风险。对于无碱速凝剂，其更好规避了有碱速凝剂对于混凝土耐久性产生的不利影响，但目前无碱速凝剂的研究相对不是很完善，其作用机理不是很清晰，故需开展进一步的深入研究。82河南水利与南水北调 2022年第12期试验与研究1.1实验方案喷射混凝土主要原材料有水泥、石子、砂子、减水剂、速凝剂和水，选取N（I）型低碱液体速凝剂和N（II）型无碱液体速凝剂作为改良材料。水泥采用杭州建德市下涯镇半芹贸易商行出售的P O42.5水泥，碎石采用510 mm连续级配碎石，砂子采用天然河砂，减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂，速凝剂采用N（I）型低碱液体速凝剂和N（II）无碱液体速凝剂。试验混凝土试样的设计配合比为水泥：砂子石子水=540827827205.20，其水灰比 0.38，砂率为 50%，速凝剂掺量分别为 0%、5%、8%和10%（占水泥质量百分比）。试验中喷射混凝土试块制作时，采用湿喷法进行制作。将喷射好的混凝土试件放置1 d后再进行拆模，拆模后使用切割机切割成边长为100 mm立方体的标准混凝土试件，随后将试件放置到室内养护至28 d后，再进行后续试验。1.2实验结果分析1.2.1添加速凝剂对混凝土中水泥水化作用的影响制块完成后，进行混凝土抗压试验。通过对实验结果的整理分析，得到无碱速凝剂和低碱速凝剂掺量对凝结时间的影响，如图1所示。由图1可知，凝结时间随着速凝剂掺量的增大而减小，对于添加低碱速凝剂的试验，其试验结果大致可分为三个阶段。阶段1（凝结时间迅速降低阶段）：当低碱速凝剂掺量小于2%时，凝结时间随着速凝剂掺量的增加迅速减小，在低碱速凝剂掺量为2%时，初凝和终凝时间相差最小。阶段2（凝结时间缓慢降低阶段）：当低碱速凝剂掺量在2%6%时，凝结时间随着低碱速凝剂掺量的增加缓慢缩短。阶段3（凝结时间达到极限阶段）：当低碱速凝剂掺量大于6%时，随着掺量的增加凝结时间几乎不再变化，达到最小值。对于添加无碱速凝剂的喷射混凝土试验，其试验结果可分为两个主要阶段。阶段1（凝结时间降低阶段）：当无碱速凝剂掺量小于8%时，凝结时间随着掺量的增加逐渐缩短。阶段2（凝结时间达到极限阶段）：当掺量大于8%时，随着掺量的增加凝结时间不再变化。1.2.2添加速凝剂对喷射混凝土强度的影响为了探究无碱速凝剂掺量对喷射混凝土抗压强度的影响，试验过程中添加速凝剂的量分别为0%、4%、8%和12%。具体实验结果如图2所示。由图2可知，增加速凝剂掺量可以显著增加喷射混凝土在1 d时的抗压强度，1 d后，抗压强度增长速率开始明显变缓，3 d后，不同速凝剂掺量抗压强度增长速率基本相同，变化不大。当添加速凝剂的量在8%时，制作的混凝土块的抗压强度均明显高于对照组的抗压强度，因此在喷射混凝土料中加8%的速凝剂掺量，可以有效改善喷射混凝土的强度性能。2高性能喷射混凝土的设计方法在实际施工时，喷射混凝土与普通混凝土有很大差别，喷射混凝土一般需要使用泵机进行输送和加压喷射成型，由于该种施工工艺，导致喷射混凝土的性能要比普通混凝土高。一般来说，普通混凝土所需浆体量要少于喷射混凝土，且喷射混凝土对砂率也有所要求（需要大于50%），在拌料时需要加入一定剂量的速凝剂。正是由于这种差别，导致两者的设计方法也有很大差别。目前，普通的混凝土设计工法已经相对成熟，高性能喷射混凝土在设计时，也需要参考普通混凝土的设计方法。但因此也导致了喷射混凝土的性能和使用效果大大降低。因此本节依据组成设计原则，基于可泵性能和可喷性能的相关要求，提出一种高性能喷射混凝土组成设计方法。2.1组成设计原则高性能喷射混凝土配合比设计过程主要包括原材料选择、理论配合比计算、可泵性能和可喷性能调整、强度、耐久性能和体积稳定性验证等环节。高性能喷射混凝土组成设计流程如图3所示。根据中国相关设计规范要求，高性能喷射混凝土应满足如下要求：添加胶凝材料的用量不宜小于450 kg/m3，水胶比宜为0.350.40，最大不能超过0.45，砂率宜为45%60%。为提高喷射混凝土的可泵性能和可喷射性能，需在拌料时添加减水剂，同时再次调整水胶比例，在满足可泵性能的前提下，水胶比可取0.350.38。最后喷射成型后，要进行强度、耐久性能和体积稳定性验证，基于试验结果对实际配合比进行反复调整。2.2组成设计2.2.1混凝土配制强度当设计的喷射混凝土的强度等级小于C60时，配制强度应按公式（1）进行计算：fcu，0fcu，k+1.645（1）式中：fcu，0配制强度（MPa）；fcu，k设计强度等级（MPa）；混凝土强度标准差（MPa）。图1添加速凝剂掺量对混凝土凝结时间的影响图图2添加速凝剂量对混凝土抗压强度的影响图83河南水利与南水北调 2022年第12期试验与研究当强度等级大于等于C60时，配制强度应按式（2）确定：fcu，01.15fcu，k（2）2.2.2水胶比在确定高性能喷射混凝土的水胶比时，要同时考虑喷射工艺、可泵、可喷性能的要求，一般情况下可根据经验公式（3）确定水胶比W/B。W/B=afbMfcu，0k+abfbM（3）式中：ab回归系数；fbM掺有矿物掺合料28 d抗压强度（MPa）；k密实度影响系数。2.2.3浆体体积含量对于喷射混凝土，其浆体体积含量需满足可泵性的最低要求。采用公式（4）可计算出喷射混凝土配合比浆体体积含量。mc0cmf0fmw0w+Va=Vs+（4）式中：mc0表示每立方米喷射混凝土水泥用量（kg/m3）；mf0表示每立方米喷射混凝土矿物掺合料用量（kg/m3）；mw0表示每立方米喷射混凝土用水量（kg/m3）；Va表示混凝土含气量；Vs表示浆体含量；c表示水泥表观密度（kg m-3）；f表示水的密度（kg m-3）；w表示矿物掺合料密度（kg m-3）。2.2.4胶凝材料用量和单位用水量根据计算出的水胶比和浆体含量，即可根据式（5）和式（6）计算胶凝材料用量和单位用水量。mf0=k mB（5）mw0=mB（W/B）（6）式中：k矿物掺合料掺量（%）；W/B喷射混凝土水胶比。2.2.5砂率由前文所述可知，喷射混凝土特殊的施工工艺决定了喷射混凝土的砂率大于普通混凝土，提高砂率有助于提高可泵性能，但砂率过高会降低砂率的可喷性能，根据已有的研究可知，喷射混凝土的砂率在50%时其性能最优，一般情况下其取值范围在45%55%。2.2.6粗细骨料用量计算粗细骨料用量的常用方法为体积法，可按式（7）和式（8）计算。mg0gms0s+Vs=1+（7）s=ms0mg0+ms0100%（8）式中：mg0每立方米混凝土的粗骨料用量；ms0每立方米混凝土的细骨料用量；g粗骨料表现密度；s细骨料表现密度；Vs浆体含量。2.2.7速凝剂用量喷射混凝土中速凝剂的用量mA应按式（9）计算：mA=mB/A（9）式中：mA计算配合比喷射混凝土中速凝剂用量（kg/m3）；A速凝剂掺量（%）。3结论高性能喷射混凝土在施工工艺上与普通混凝土有很大不同，高性能喷射混凝土在拌料时需要添加不同的添加剂，用于提升其抗压强度和耐久性，但是，在提升其使用性能的同时，需要兼顾其可泵性能和可喷射性能。文章基于试验研究了无碱速凝剂对喷射混凝土的凝结时间和抗压强度的影响，得到了添加不同含量无碱速凝剂的喷射混凝土的凝结时间的变化分为两个阶段这一结论，同时在无碱速凝剂掺量为8%时喷射混凝土的强度性能最佳。提出了一种新的高性能喷射混凝土组成设计方法，其配合比设计过程主要包括原材料选择、理论配合比计算、可泵性能和可喷性能调整、强度、耐久性能和体积稳定性验证等环节。验证后结果良好。参考文献：1 张戈.喷射混凝土高性能化机制与组成设计方法研究 D.北京：北京交通大学，2021.2 王嘉旋.高性能纤维喷射混凝土力学性能试验研究 D.北京：北京交通大学，2021.3 张戈，安明喆，王月，等.隧道湿喷高性能喷射混凝土配合比试验研究 J.混凝土与水泥制品，2021（12）：12-15+28.收稿日期：2022-8-18编辑：雍友玉图3高性能喷射混凝土组成设计流程图84