混凝土渗透结晶材料在水工喷射混凝土中的应用.pdf

2 0 1 1年第 l 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CONC RE I E AND C EMENT P RODU fC T S 2 0 1 1 No 1 2 De c e mb e r 混凝土渗透结晶材料在水工 喷射混凝土中的应用 刘 玲 ， 王 可 良 ， 郑灿堂 ( 1 济南德利泰建材科技有限公司 ， 2 5 0 0 1 0 ；2 山东水利科学研究院， 济南 2 5 0 0 1 4 ) 摘要 ： 为研 究渗 透结晶材料对喷射 混凝土性能 的影 响， 采 用抗渗 和抗冻试验 方法 ， 结合扫描 电子显微 ( S E M) 和压汞( MI P ) 对混凝土的微观结构进行分析和表征 。结果表 明 ， 渗透结 晶材料 可提 高喷射 混凝土的抗渗和抗冻性 能 ， 通过改善 混凝土界 面过 渡 区和 水泥石的微观 结构 ， 改善 混凝土的孔径分 布 ， 使 少害孔含 量增 多， 多害孔含量减 少 ， 最可几孔径减 小， 混凝土贯通能力减弱 ， 抗渗和抗冻性能提 高。 关键词 ： 混凝 土 ； 渗透结 晶材料 ； 抗渗性 ； 抗 冻性 ； 微观结构 Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o s t u d y t h e i n fl u e n c e s o f p e r me a t e d c rys t a l l i n e ma t e ri a l s o n p e r f o rm a n c e s o f s h o c let e ， c o mb i n i n g wi t h MI P a n d S EM，t h e mi e r o s t r u c t u le o f c o n c r e t e i s a n aly z e d a n d c h a r a c t e riz e d b y i mp e rm e a b i l i t y a n d f iee z i n g tha w c y c l e t e s t me t h o d s nl e r e s u l t s s h o w t h a t p e rm e a t e d c r y s t a l l i n e ma t e r i a l s c a n i mp r o v e t h e p e rf o rm an c e s o f i mp e rm e a b i l i t y a n d f r e e z i n g tha w c y c l e o f s h o t c r e t e I t i s b e c a u s e tha t p e rm e a t e d c rys t all i n e ma t e ria l s c a n i mp mv e t h e mi c ms t mc t u le o f i n t e rfa c i al t r a n s i t i o n z o n e o f c o n c r e t e an d c e me n t s t o n e ，i mp r o v e the p o r e s i z e d i s t ri b u t i o n o f c o n c r e t e ，w h i c h ma k e mo l e c o n t e n t o f l e s s h a r m f u l p o r e s a n d l e s s c o n t e n t o f h a r mf u l p o r e s T h e r e f o r e ， mo s t p r o b ab l e p o r e s i z e o f c o n c r e t e r e d u c e s a n d the p e rfo rm a n c e s o f i mp e rm e abi l i ty a n d f r e e z i n g - t h a w c y c l e o f c o n c r e t e a r e i mp r o v e d Ke y wo r d s ：C o n c r e t e ； P e rm e a t e d c rys t a l l i n e ma t e ria l s ； I mp e rm e abi l i t y ； F r e e z i n g - tha w c y c l e ； Mi c r o s t r u c t u le 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标 识码 ： A 文章编 号 ： 1 o 0 O - 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 1 2 1 5 0 4 0前 言 喷射混凝 土是借助 喷射 机械将混凝土 高速 喷 射到受喷面上凝结硬化而成的混凝土 ， 其一般采用 较小 的水灰 比， 与石 、 混凝土及钢材等有很 高的粘 结强度 。喷射混凝土不受场地和其他条件 限制 ， 工 序简单 ， 可 与其他工种平行作业 ， 工期短 ， 施工速度 快 ， 工程质量可靠 ， 是一种先进的施工方 ” 。 由于 喷射混凝土具有 以上特点 ， 目前已被广泛应用于交 通隧道 、 边坡 、 深基坑支护 、 水工隧洞的施 工 ， 也 常 应用于各种结构物的修复和大坝 的除险加固等2 - 3 。 喷射混凝土 由于其特殊 的施工工艺和配合 比， 混凝 土在硬化过程 中，更容易出现不 同程度 的裂缝 ， 导 致混凝土 的抗渗和抗冻融性能急剧下降。混凝土渗 透 结晶材料 中含有 的活性化学物质通过载体 向混 凝 土内部渗透 ， 并在混凝上中形成不溶于水 的结 晶 体 ， 填塞混凝土 中的毛细孔道及宏观微裂缝 ， 从而 使混凝土致密 、 防水M ， 提高喷射混凝土的耐久性 。 1 试验 1 1 试验原材料与配合 比 水泥 ： P 0 4 2 5级水泥 ， 青州产 ； 细骨料 ： 中砂 ， 细 度模数 2 6 ， 青 州产 ； 粗骨料 ： 5 m m碎石 ， 青州产 ； 引 气 减水剂 ： 液体 ， 青州产 ； 速凝 剂 ： 粉体 ， 青州产 ； 渗 透结晶材料 ： 自制。 按 S L 3 5 2 2 0 0 6 ( 水工混凝土试验 规程 和 G B 5 0 0 8 6 2 0 0 1 锚杆喷射混凝土支护技术 规 范 施工要求 ， 进行了 C 2 0 F l 5 0 W8喷射混凝土配 合 比设计。试验配合 比见表 1 。 表 1 C 2 0 F 1 5 0 W6喷射混凝土配合 比 k g m 一 l 5一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 l 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 8期 1 2 抗渗试件制备与试验方法 根据 S L 3 5 2 2 0 0 6 水工混凝土试验规范 和 G B 5 0 0 8 6 2 0 0 1 锚杆喷射混凝土支护技术规范 ， 混 凝土抗渗试件按配合 比混合后 ， 直接使用喷枪将混 凝土喷射入抗渗试模和抗冻试模 中成型 ， 放入标准 养护室中养护 ， 一天后脱模。养护至规定龄期 ， 按照 S L 3 5 2 2 0 0 6 ( 水工混凝土试验规范 规定 ， 测试混凝 土的抗渗等级和抗冻融性能。 1 - 3 试验结果与讨论 2 8 d龄期 ，喷射混凝土的抗渗和抗冻融试验结 果见表 2 、 表 3 。 表 2 喷射混凝土抗渗试验结果 表 3 喷射混凝土抗冻试验结果 由表 2 、 表 3可以看 出， 未掺渗透结晶材料的喷 射混凝土抗渗和抗冻融性能不能满足设计要求 。渗 透结晶材料掺量大 ， 混凝土抗渗压力大 ， 抗渗性能 好。渗透结晶材料掺量为 0 5 ( A一 1 ) 时 ， 抗渗压力 是未掺渗透结 晶材料混凝土的 2倍 ； 渗透结晶材料 掺量为 2 0 ( A一 3 ) 时， 抗渗压力是未掺渗透结晶材 料的 3 5倍 。同样 ， 渗透结晶材料掺量大， 混凝土抗 一 l 6一 冻融性能好 。即使在混凝土中加入了引气减水剂 ， 未掺渗透结 晶材料混凝土 的抗冻等级也只能达到 F 1 0 0 ； 掺量为 0 5 时 ， 混凝土 F 1 5 0次的相对动弹模 量为 7 0 4 ；掺量为 2 O 时， F 1 5 0相对动弹模量为 9 3 6 ， 远高于未掺渗透结晶材料7 昆 凝土 F 1 5 0的相 对动弹模量。这主要 因为， 喷射混凝土 中掺加的速 凝 剂改 变 了混 凝 土 的凝结 时 间 ， 硬化 混 凝 土 中水 泥 石 的微观结构与正常凝结 时间形成 的微观结构有 很大的不 同。由于速凝剂的存在 ， 水泥石在较短时 间内形 成的晶体粗 大 ， 结构 松散 ， 不 密实 ， 大空 隙 多， 混凝土贯通能力大 ， 抗渗性能变差。经过冻融循 环 ， 混凝土内水的结 晶压力和渗透压力产生较大应 力 ， 混凝土内部结构受到损伤， 抗冻性能降低 。在混 凝 土中掺加渗透结晶材料 ，改变了混凝 土微观结 构 ， 混凝土结构致密 ， 提高 了混凝土的抗冻和抗渗 性 能 。 2微观 结构表 征 混凝土的性能与水泥石 的微观结构 ( 孔 隙率 、 孑 L 分布 、 水化产物等) 及集料一 水泥石界面结构等有 密切关系 3 1 。因此 ， 采用扫描 电子显微镜 ( S E M) 和 压汞法( MI P ) 对混凝土的微观结构进行测试分析， 有 利于诠释混凝土的抗渗和抗冻融性能。 2 1 S E M结构与分析 2 1 1 水泥水化物 S E M结构与分析 利用扫描 电镜研究 混凝 土微 观形 貌并从 微观 结构层次上 揭示材料 的性能是研究材料结构的最 基本方法。 采用 S E M对 2 8 d龄期掺加渗透结 晶材料 和未掺渗透结晶材料混凝土内部水泥石样 品， 分别 放大 1 0 0 0倍 ， 进行微观形貌观察， 结果见图 1 。 由图 1可以看 出， 未掺渗透结晶材料的混凝土 内水泥石水化物 中空隙较 多而且较大 ，晶体粒径 大 ； 掺加渗透结晶材料的混凝土 内水泥石水化物 中 ( a )未掺渗透结晶材料 ( b ) 掺加渗透结晶材料 图 1 2 8 d龄期混凝土中水泥水化物 S E M 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王可 良， 许 尚杰 ， 郑灿堂 混凝土渗透结 晶材料在水工喷射混凝土中的应用 空隙少 ， 水化产物结构致密 。这主要是 因为渗透结 晶防水材料的活性物质和 C a ( O H ) ： 反应生成了具有 胶凝性 的硅酸钙 ， 填充了微裂缝的空隙。 2 1 2 混凝土界面过渡区 S E M结构与分析 采用 S E M对 2 8 d龄期掺加渗透结 晶材料和未 加渗透结 晶材料混凝土界面过渡区结构 ， 分别放大 5 0 0倍 ， 进行微观形貌观察 ， 如图 2所示。 ( a ) 未掺渗透结 晶材料 由图 2可 以看 出， 2 8 d龄期 时未掺渗透结晶防 水材料的混凝土界面过渡区 ， 骨料 与水泥石之间有 明显的裂缝 ， 裂缝宽度约 2 5 1- t m。 掺有渗透结晶防水 材料的混凝土界面过渡 区不清晰 ， 没有看到明显的 界面 ， 结构致密。这主要是 因为渗透结晶防水材料 和界面过渡区富集 的 C a ( O H ) 能够反应 ， 消耗掉 的 C a ( O H) z 转变 为具有胶凝性 的硅 酸钙 ， 填充在界 面 图 2 2 8 d龄期混凝土界面过渡区 S E M 结构缺陷 的空间， 界 面过渡区得 以改善 。混凝土界 面过渡 区是混凝土最薄弱 的环节 ， 直接影响混凝土 的抗渗性能 。界面过渡区缺陷明显 ， 混凝土贯通能 力强 ， 抗渗和抗冻性 能明显降低 。掺加渗透结晶材 料后 ， 混凝 土界面过渡区结构 明显得到改善 ， 抗 渗 和抗冻性能提高。 2 2 孔结构与分析 混凝 土 内不同孔径 的分布情况对混凝 土性 能 有着决定性影响。孔结构一般包括孔隙率 、 孔径尺 寸 、 孔形貌及孑 L 分布等。一般情况下 ， 孔结构学研究 中把混凝土的孔径大小分为大孔 、 毛细孔 、 过渡孔 、 凝胶孔。吴 中伟院士把孔径小于 2 0 n m的称为无害 孔 ， 2 0 1 0 0 n m 的为少 害孔 ， 1 0 0 2 0 0 n m 的为 有 害 孔 ， 孔径 大于 2 0 0 n m的为多害孔。少害孔多的混凝 土 ， 对 混凝土抗渗性能是有利的 ； 形 状不规则的大 孔越多 ， 对混凝土的抗渗性 、 耐久性越不利 1 4 1 。压汞 试验的孔径分布结果见表 4和图 3 。表 4中最可几 孔径是指在 图 3微分 曲线上的峰值所对应的孑 L 径 ， ( b ) 掺加渗透结 晶材料 即出现几率最大的孔径。 由表 4可以看 出， 渗透结 晶防水材料对 喷射混 凝土的孔径分布影响显著。掺加渗透结 晶材料的混 凝土 2 0 - 1 0 0 n m 的少害孔含量是未掺渗透结晶材料 的 2倍多 ， 1 0 0 2 0 0 n m 的有害孔含量较少 ，孔径大 于 2 0 0 n m的多害孔含量仅是未掺渗透结 晶防水材 料混凝土的 3 8 。掺加 渗透结 晶材料 混凝土 2 0 1 0 0 n m的少害孔明显增多， 孔径大于 2 0 0 n m的多害 孔显著减少 ，有利 于提高混凝土 的抗渗和抗冻性 能 。 在孔径分布微分曲线 中， 最可几孔径代表混凝 土 内形成连通 的最小孔径 ， 最可几孔径大 ， 混凝土 贯通能力强 ， 混凝土抗渗性能差 。从图 3和表 4中 可以看出 ， 未掺渗透结 晶防水材料的混凝土最可几 孑 L 径为 2 5 4 7 n m， 几乎是掺渗透结晶材料混凝土的 3 倍。因此 ， 未掺渗透结 晶防水材料的混凝土内部贯 通能力强 ， 抗渗和抗冻性能降低。比较图 3中( a ) 和 ( b ) 可 以看 出， 未掺渗透结 晶防水材料 的混凝土与 表 4 混凝土的孔径分布 一 l 7一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 l 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 8期 l 1 o 4 1 03 1 l O 孔径 n m ( a ) 未掺渗透结 晶材料 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0O 5 Oo o 图 3 混凝土的孔径分布曲线 掺有渗透结 晶防水材料的混凝 土的微分 曲线 明显 不同。未掺渗透结晶防水材料的混凝土微分曲线呈 波浪形分布 ， 孔隙体 积增加速率变化较大 ， 各级孔 径的孑 L 分布不合理 ，各孔径贯通衔接 的概率大 ， 影 响混凝土的抗渗性能。掺有渗透结晶防水材料的混 凝土微分曲线 比较平缓 ， 变化 比较有规则 ， 孔隙体 积增加速率变化较小 ， 因此 ， 可以推断掺有渗透结 晶防水材料 的混凝土内各级孔径 的孔分布合理 ， 各 孔径贯通衔接的概率小 ， 混凝土抗渗和抗冻性能提 高。 3结 论 渗透结 晶材料有利于提高喷射混凝 土的抗渗 和抗冻性能 。掺加渗透结 晶材料后 ， 混凝 土界面过 渡区结构致密 ， 少害孔含量增加 ， 多害孑 L 含量减少 ， 最可几孔径 降低。渗透结晶材料掺量增加 ， 混凝土 的抗冻和抗渗性能变好。 参考文献 ： 【 l 】 王蒂， 廖 卫东， 刘强 喷射混凝土性 能和配合 比的试验研 究 武汉理工大学学报， 2 0 0 3 ( 1 2 ) ： 5 3 5 5 【 2 樊华，卢瑞明，房东升 微膨胀喷射混凝 土性 能的试验研 究 华东公路， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 4 8 5 0 3 】 樊文熙，张长海，郑永保 高性能喷射混凝土 的耐久性研 究 煤炭学报， 2 0 0 0 ( 8 ) ： 3 6 6 3 6 8 【 4 王丹， 张玉奇， 曾昌洪， 等 水泥基渗透结晶型防水剂的生能 研究及微观分析 J 1 新型建筑材料， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 7 7 - 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f r o s t d a ma g e o f h i g h p e r f o rma n c e c o n c r e t e 【 J J C o n c r e t e a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 5 ) ： 6 7 1 6 7 9 【 1 3 L E E MA N N A， MU N C H B ， G A S S E R P ， e t a 1 I n fl u e n e e o f c o mp a c t i o n o n t h e i n t e rf a c i a l t r a n s i t i o n g o n e a n d t h e p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 1 ) ： 1 4 25 1 43 3 【 l 4 】 李惠霞， 管巧艳， 张明恩， 等 长龄期水工构筑 物混凝土抗 渗性试验研究【 J 】 人 民黄河， 2 0 0 9 ，3 1 ( 8 ) ： 8 8 - 8 9 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 O 一 1 1 通讯 作者 ： 王可 良( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 博士。 通讯地址： 济南市历山路 1 2 5号 联系电话 ： 1 3 7 0 5 4 1 7 1 7 3 E- ma i l ： k e l i a n g wa n g 1 2 6 c o rn 吣 町 ：兮 仇 n O O O O 0 0 0 0 一 I l u ) ( 0 暑 0 I ) P 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m