掺加矿物细粉料和高效减水剂湿喷混凝土的试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 2期 (总 第 2 6 6 期 ) N u mb e r 1 2 in 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOL oGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 2 0 4 3 掺加矿物细粉料和高效减水剂湿喷混凝土的试验研究 张胜利 ，廖金福 ，琚宏昌 3 ，张鹏 3 ，李红远 ( 1 广西工学院 鹿山学院 土木工程系，广西 柳州 5 4 5 6 1 6 ； 2 中铁十八局，天津 3 0 0 2 2 2 ；3 广西工学院，广西 柳州 5 4 5 0 0 6 ) 摘要： 通过掺加矿物细粉料和高效减水剂湿喷混凝土的试验研究， 结果表明降低了水胶比， 提高混凝土密实度和强度 ， 极大改善新拌 混凝土的和易性， 黏聚度高， 更易于喷射； 同时这些掺合料在混凝土中可使后期强度持续增长， 减少因掺速凝剂而产生的后期强度损失， 并得出湿喷混凝土的设计理论公式。 关键词： 矿物细粉料；高效减水剂 ； 湿喷混凝土 中图分类号： T U5 2 8 5 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 1 3 6 0 3 St udy on w e t s ho t cr ete a dmi xe d wi t h m i n er a l po wde r ma t er i a l a nd s uo er pl a s t i cize r Z HJ G S h e n g- l i I LI A O J i n f u2 , J UHo n g - c h a n g1, 3 Z HANG Pe n g1 ,3 LI Ho n g - y u a n ( 】 De p a r t me n t o f C i l E n g i n e e ri n g ， L u s h a nC o l l e g e o f Gu a n g x i Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， L i u z h o u 5 4 5 6 1 6 ， C h i n a ； 2 C h i n a R a i l wa y 1 8 th B u r e a u ， T i a n j i n 3 0 0 2 2 2， C h i n a ； 3 De p a r t me n t o f Ci v i l E n g i n e e ri n g ， Gu a n g x i Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h r o u g h t h e s t I l d y o f we t s h o t c r e t e mi x e d wi t h mi n e r a l p o wd e r ma t e r i a l a n d s u p e r p l a s t i c i z e r t h e r e s u l t s h o w i t c a n r e d u c e w a t e r - c e me n t r a t i o ， t oi mp r o v e c o n c r e t ed e n s i ty a n d s t r e n g t h ， s i g n i fi c a n t l yi mp r o v e s t h e wo r k a b i l i t yo f f r e s h c o n c r e t e ， a g o o dd e g r e eo f c o h e s i o n a n d e a s i e r t o s p r a y An d the s e mi n e r a l a d mi x t u r e s i n c o n c r e t e s tre n g t h c o u l d p o s t c o n ti n u e d gro wt h and r e d uc e the l a t e s t r e n g t h l os s e s F i n a l l y c o me t o the the d e s i gn t h e o r y o f we t s h o t c r e t e Ke ywor ds： mi n e r a l p o wd e rma t e ria l ； s u p e r p l a s t i c i z e r ； we t s h o t c r e t e 0 引 言 喷射混凝土可以使岩层或结构物得到加强和保护， 施工简 便， 支护及时； 节约大量模板材料 ； 省去支模、 浇筑和拆模等工 序， 加快施工进度 ； 抗压和与岩石面黏结强度及抗渗性能较高 ， 经济技术效果较好 1 - 2 。 按混凝土注入喷射机的混合料状态， 分为干式和湿式喷射混 凝土。 干式喷射混凝土产生粉尘浓度较高， 一般达到3 0 5 0 mg m ， 且回弹损失量也大， 达到 2 5 - - 4 0 ， 干式喷射混凝土加水是在 喷头处由喷射手凭经验加水， 由于水灰 比不能有效控制， 混凝 土抗压强度通常只能达到 C1 5 C 2 0 ； 湿式喷射混凝土的拌合物 是在搅拌站按需要坍落度拌和 ， 不需要在喷头处再加水， 混凝 土配料时水灰比可以控制， 和易性好 ， 喷射时混凝土整体性高 ， 质量容易得到保证 ， 且不产生粉尘， 施工环境好 3 1 。 使用单纯水泥的湿喷混凝土 ， 由于水灰比过大， 混凝土抗 压强度也只能达到 C 2 5 。 本试验是面向超大地下洞室施工需要 高等级高耐蚀喷射混凝土支护所作的研究， 试验采用湿喷混凝 土工艺 。 1 试验设计 试验按照四种立方米混凝土的胶材用量， 分别为 3 8 0 、 4 2 0 、 4 6 0 、 5 0 0 k g 和 8 、 I 1 、 1 4 、 1 7 、 2 0 c m五种不同的坍落度共进行 2 0 个 配合比试验； 掺磨细矿粉和粉煤灰的量相等， 共替换水泥3 0 ， 依 逐个配合比进行拌合混凝土和试喷， 研究其： 不同配合 比、 胶 材用量的混凝土在管道中风送效果及喷射回弹情况。 喷射混 凝土试验强度情况。 湿式喷射混凝土配合比设计方法。 1 1 主要原材料的物理指标 ( 1 ) 水泥 ： 等级 P 0 4 2 5 ， 见表 1 。 表 1 水泥物理性能检 验结果 ( 2 ) 磨细矿渣粉： 等级 $ 9 5 。 ( 3 ) 粗骨料： 碎石 5 1 0 mm级配， 表观密度为 2 7 0 0 k g m ， 坚固性( 质量损失) 为4 2 。 ( 4 ) 细骨料 ： 河砂( 中砂 ) ， 表观密度为 2 6 5 0 k g m3 ， 松散密 度为 1 6 0 g c ， 云母含量为 0 I 0 ( 5 ) 粉煤灰： 等级 I I 。 ( 6 ) 外加剂： 聚羧酸高效减水剂。 1 2 喷射试验 ( 1 ) 喷射混凝土之前应清除危石和欠挖处理， 并用高压水 或风清洗围岩面。 收稿日期： 2 0 1 1 _ o 6 一 O 9 基金项目： 广西教育厅在研项目( 2 o 。 9 1 1 Ms l 1 5 ) ； 广西柳州市应用技术研究与开发计划项 目( 2 0 1 0 0 2 0 6 0 3 ) 1 3 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表2 磨细矿渣粉品质指标 c r s O 。 Mg o 烧失量比 表面积 含水率 需水量比 2 8 d 活性指数 表 4 细骨料( 河砂 ) 物理检验结果 泥污含 泥块含 颗粒级配( 累计筛余 ) ( m2 k g ) ， 量 量 5 0 0mm 2 5 0mm 1 2 5 mm0 6 3mm0 3 2i u nO 1 6mn l 压碎指标 针片状含量 泥污含量 颗粒级配( 累计筛余) 2 5 nll T l 5 0mm 1 0mm 1 6mm 9 0 8 0 0 9 8 _ 3 91 5 l 2 - 2 O 细度( 0 0 4 5 m m C 1 一需水量比 烧失量 含水率 S O ， 含量 C a O含量 方孔筛筛余) 注： 颗粒级配 符合 颗粒范围5 1 0 m m 。 ： ! ： ： ： ： 表 6 聚羧酸高效减水剂性能指标 ( 2 ) 喷射机安好调试后 ， 启动喷射机时， 应先送风 ， 后加料 ， 待混凝土从喷嘴喷出后再供给速凝剂， 操作时应特别注意控制 好风压。 风压过大， 骨料碰到围岩后会大量回弹； 风压过小 ， 会 造成堵塞管。 实际操作中， 应以混凝土回弹量小、 易与围岩面黏 着、 表面有光泽为度控制风压 】 。 ( 3 ) 喷射上料要连续， 经常保持机筒内料满， 在料斗 口上设 一 1 6 i n l n孔径筛网， 避免超径骨料进入机内。 ( 4 ) 应分段、 分片进行喷射。 隧道内按纵 向3 4 m为一段 ， 先拱后墙再分片， 每片宽约 2 m， 每片均 自 下部起水平方向旋转 移动往返一次喷射， 然后向上移行 ， 当岩面有较大凹洼时， 应先 将凹洼处喷平嘲 。 ( 5 ) 最佳喷射距离喷嘴口至受喷面以0 6 1 5 m为宜( 与混 凝土拌合坍落度及喷射风压大小有关) ， 喷射料束以垂直受喷面 为最佳喷射角度。 ( 6 ) 喷射料束以环形旋转水平移动并一圈压半圈运动轨迹 进行。 环形旋转直径约为 3 0 c m， 喷射第二行时 ， 依顺序 由第一 行起点上方开始， 行间搭接约为 5 1 0 c m。 ( 7 ) 喷射料束旋转速度以 1 1 5 S 左右转动一圈为宜 ， 一次 喷厚以不坠落时的临界状态或所需厚度时， 才向前方移动 ， 一般 不 应少 于 5 c m。 ( 8 ) 停止喷射时， 应先关闭速凝剂计量泵， 之后停止加料 ， O 5 2 皇o 4 7 赠 捣 督 42 37 3 2 2 7 +立方米混凝土水泥用量3 8 0 k g +立方米混凝土水泥用量4 2 0 k g +立方米混凝土水泥用量4 6 0 k g -4 1 - - 立方米混凝土水泥用量5 0 0 k g 8 1 6 2 4 混凝土拌合物坍落度 c m 图 1 不 同水泥用量和不同坍落度的混凝土与喷射时工作风压的关系 混凝土水胶比 图2 掺磨细矿粉、 粉煤灰和高效减水剂湿喷混凝土强度曲线 待喷嘴残留的混凝土及速凝剂完全吹净后， 再停风、 停机。 2 试验结果与分析 当喷射距离取在 1 5 m以下时， 相应 的工作风压不大于 0 3 0 MP a ， 但混凝土能否在小于 0 3 0 MP a的风压下喷射 ， 取决 于混凝土的坍落度。 通过以上试验可知， 如果工作风压选择在 0 3 0 1 V P a以下可 喷射 ， 则 ： 立方米混凝土胶材用量 3 8 0 k g ， 坍落度取值范围是1 3 1 7 c m； 立方米混凝土胶材用量 4 2 0 k g ， 坍落度取值范围是 1 1 1 9 c r t3 ； 立方米混凝土胶材用量 4 6 0 k g ， 坍落度取值范围是 l 2 2 0 c m； 立方米混凝土水泥用量 5 0 0 k g ， 坍落度取值范围是 1 6 2 0 c m。 无论胶材用量多少 ， 混凝土坍落度太小或太大， 风送阻 力都大。 同时还看出： 胶材用量太多时， 喷射时需要的风压偏大 ， 这是因为胶材用量多混凝土拌合物黏度大 ， 容易黏附管壁造成 的； 而胶材用量太少时， 采用小风压能喷射 出去 ， 但由于黏度 小 ， 黏结能力差， 混凝土回弹量就会增多。 湿式喷射混凝土立方 米胶材用量最好控制在4 2 0 ,- -4 6 0 k g ， 可喷坍落度是 1 2 1 8 c m， 相 应工作风压是 0 2 2 ,- -0 3 0 MP a ， 回弹损失都小于2 0 。 从图 2 看出： 掺加磨细矿物掺合料和高效减水剂的湿喷混凝 土， 其强度发展是与混凝土拌合时水胶比成反比， 水胶比大强度低， 水胶比小强度高。 要使小水胶比的混凝土达到大坍落度便于喷射， 这就需要高效减水剂要有相当高的减水效果， 或增加掺量来满足。 3 湿式喷射混凝土配合比理论设计 3 1 试配强度设计 喷射混凝土在施喷过程中需要掺加一定量的速凝剂， 作试 配时其试配强度应考虑增加掺速凝剂对混凝土后期强度的损 失部分， 以满足喷射混凝土强度保证率的需要。 喷射混凝土试配 强度按式( 1 ) 计算： ( 1 ) m ， I _ 一 1 ， 式中： ，。 混凝土试配强度， MP a ； ， 混凝土强度标准值， MP a ； 混凝土强度标准差 ， 取 5 MP a 。 K 厂 _ 掺速凝剂混凝土 对后 期强度损 失率， 般为 1 5 o 旷 5 。 而掺加磨细矿渣粉、 优质粉煤灰和高效减水剂并采用湿式 喷射的混凝土， 由于掺合料对混凝土后期强度可持续增长 ， 所以 综合损失都很低， 可取 5 1 0 计算。 3 2 水灰 比设计 湿式喷射混凝土是采用拌合好的塑性混凝土， 对水灰比可 1 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 以进行控制。 混凝土强度与水灰比及使用的水泥强度成线性关 系， 按式( 2 ) 计算。 W I G ： 厶! ： ： 坠 一 ( 2 ) 厶， 机 A。 B K 。 式中： c 水灰比； ， 水泥强度标准值； A， B， K 均为系数。 A为水泥等级系数取 0 4 6 ， 曰为粗骨料系数取 0 0 7 ， 为水泥 富裕系数取 1 0 、 1 0 6 、 1 0 8 ， 按此系数计算 3 个不同 WI C的初步 配合比进行试拌试验。 试配时根据工程需要掺人的外加剂和掺合料时， 由此作为相 关因素并以三个不同水胶比的配合比进行正交试验， 择优选用， 求 出能满足掺速凝剂后试配强度的混凝土配合比作为理论配合比。 3 3 单位用水量设计 喷射混凝土使用的粗骨料粒径基本 匕 变化不大， 混凝土单位用 水量只与 砂的细度模数和混凝土坍落度等因素有关， 按式( 3 ) 计算： ro w = ( 2 5 H + 2 3 0 M ) ( 1 口) ( 3 ) 式中： m 混凝土单位立方米用水量， k g ； ? 昆 凝土坍落度， 一般取 1 4 1 8 c r n ； 慨 砂细度模数； 高效减水剂的减水率， 。 按掺量 1 减水率 2 8 ， 当需要不同混凝土坍落度时则改变 减水剂的掺量来调整减水剂的减水率。 4 结论与建议 ( 1 ) 湿喷混凝土混合料是在搅拌站按需要的坍落度拌和好， 上接第 1 3 0页 琶 糌 融 0 2 0 4 0 6 0 8 O l 0 0 l 2 O 1 4 0 l 6 0 冻融循 环 次 图6 不同表面处理方式混凝土的抗冻性 能够提高混凝土的抗冻性， 而渗透结晶材料则对混凝土抗冻性 产生不利影响。 硅烷浸渍处理能够提高混凝土抗冻性的原因与 硅烷的憎水效应以及硅烷显著降低混凝土吸水率有关， 这从不 同表面处理方式 昆 凝土的吸水率可以证明。 硅烷浸渍处理后的 混凝土试件饱水程度要低于基准混凝土， 因此 ， 可以在一定程 度上缓解混凝土的冻融破坏。 3结论 ( 1 ) 膏体硅烷和液体硅烷表面处理技术在一定程度上能够 提高混凝土抗压强度、 显著降低混凝土的水渗透性、 氯离子吸 收率和抗氯离子渗透 性， 适当改善混凝土的抗冻性。 ( 2 ) 渗透结晶材料表面处理技术对混凝土吸水率 、 抗氯离 子渗透性等降低的程度小于硅烷表面处理技术， 对混凝土抗冻 性有不利影响。 ( 3 ) 氯盐环境下、 冻融破坏环境下以及磨蚀环境下混凝土 】 38 喷射混凝土时， 喷射手在喷头处无需再加水， 操作简单 ， 且混凝土 容易得到保证， 且喷射机旁及喷咀处都不产生粉尘， 作业环境好。 ( 2 ) 喷射 昆 凝土质量好， 喷后混凝土表面光亮平整， 喷层质 量均匀， 抗压强度 、 与岩面黏结力和与钢筋表面握裹力， 抗渗性 能等均比过去采用的干喷或半湿喷混凝土有提高 ( 3 ) 掺加矿物细粉料和高效减水剂湿式喷射混凝土降低水 胶比， 提高混凝土密实度和强度 ； 同时， 极大改=蓦了新拌混凝土 的和易性， 黏聚度好 ， 更易于喷射； 且使混凝土中后期强度持续 增长， 减少因掺速凝剂而产生的后期强度损失。 ( 4 ) 建议湿喷混凝土选用水泥应根据不同等级的混凝土选 用相应的水泥等级并掺加高效减水剂， 使立方米混凝土水泥用 量( 包括活性掺合料) 控制在 4 2 0 , - 4 6 0 k g为宜。 参考文献 ： f 1 1 G B 5 0 0 8 6 -2 0 0 1 ， 锚杆喷射混凝土支护技术规范 s 1 E 京： 中国建筑 工业出版社， 2 0 0 1 2 武卫平， 李柱 改善喷射混凝士性能的研究 J J _市政技术 ， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 6 3 2 6 3 8 3 廖金福掺 S T C 黏稠剂半湿式喷射混凝土工法J 】 国家级工法， 1 9 9 2 ： 】 0 3 -l 】 4 4 王琪 喷射混凝土配合比设计及其质量控制l J l _ 北方交通， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 98 - 1 O 】 5 肖军， 胡斌， 1 03 =1 0 5 口 混凝土， 2 0 1 0 ( 2 ) 6 】 姜正凯， 孙士成湿喷碳素纤维混凝土在大断面黄土隧道中的应用J 1 中国港湾建设， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 6 3 6 5 作者简介 联 系地址 联 系电话 张胜利( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 助教 ， 研究方向： 新材料在土木工程中 的应用。 广西柳州市广西工学院鹿山学院土木工程系( 5 4 5 6 1 6 ) 0 7 7 2 3 5 1 7 7 2 6 结构的防腐蚀强化措施可以选择硅烷表面处理技术。 ( 4 ) 冻融破坏环境下不宜采用渗透结晶材料表面处理技术。 参考文献 ： 1 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 ， 混凝土结构耐久性设计规范 s E 京： 中国建筑 工业出版 社 ， 2 0 0 8 f 2 赵铁军 渗透型涂料表面处理与混凝土耐久性 M 北京： 科学出版 社 ， 2 0 0 9 3 】B U E N F E L D N R， Z H AN G J Z C h l o r i d e d i f f u s i o n t h r o u g h s u r f a c e - t r e a t e d m o r t a r s p e c i m e n J C e me n t a n dC o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ) ： 6 6 5 - 6 7 4 4 1 T HO MS O N J L， S I L S B E E M R， G I L L P M， e t a 1 C h a r a c t e r i z a t i o n( s i l i c a t e s e a l e r s o n c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 1 O ) ： 1 5 6 1 5 蒋正武混凝土结构的表面防护技 J J 新型建筑材料， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 2 - 1 4 6 F O S AC AN T E R E， K L I N E H H C o a t i n g c o n c r e t e a n o v e r v i e w J Ma t e r i a l s P e r f o r m a n c e ， 1 9 9 8 ， 2 7 ( 9 ) ： 2 5 9 7 】T I T r A R E L L I F， MO R I C O N I GT h e e f f e c t o f s i l a n e - h a s e d h y d r o p h o b i c a d mi x t u r e o n c o r r o s i o n o f r e i n f o r c i n g s t e e l i n 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 a r c h ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 1 ) ： 1 3 5 4 1 3 5 7 8 】 J T J 2 7 5 -2 0 0 0 ， 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范【 s ，北京： 人民 交通出版社 9 C C E S O 1 2 0 O 4 ， 混凝土结构耐久性设计及施工指南【 s 】 北京 ： 中国 计划出版社， 2 0 0 4 I O J T G T B O 7 O 1 2 0 0 6 ， 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范 s 北 京： 人民交通出版社， 2 0 0 6 f 1 1 T B 1 0 0 0 5 -2 0 1 0 ， 铁路混凝土结构耐久性设计规范 s 北京： 中国铁 道出版社， 2 0 1 0 作者简介 联 系地址 联 系电话 李化建( 1 9 7 6 ) ， 男， 副研究员。 北京市海淀区大柳树路 2 号 中国铁道科学研究院铁建所 00 0 0 8 1 ) O l 0 51 8 7 41 8 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m