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C30F200喷射混凝土配合比设计

摘 要：由于喷射混凝土配合比难以确定，受骨料、水泥及外加剂等因素影响很大，实际施工中几乎凭喷枪手的经验操作，质量难以保证。本文在总结近几年来喷射混凝土和混凝土抗冻理论的基础上，阐述了混凝土的冻融破坏机理和影响因素。并结合新疆下坂底工程的C30F200喷射混凝土配合比设计，掺加高效速凝剂，采用试验室成型和湿喷机成型两种方法，进行喷射混凝土配合比试验研究，优化混凝土配合比参数，充分利用各种掺合料复合加入混凝土后所产生的叠加效应，实现了喷射混凝土与其抗冻性的结合，最终确定适合工程要求的喷射混凝土配合比。
关键词：喷射混凝土；配合比；速凝剂；抗冻性
前言
喷射混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将水泥、砂、石、掺合料、外加剂及水等原材料按一定比例配合好的拌合料，通过管道输送，并以高速喷射到受喷面凝结硬化而成的一种混凝土。与传统的现浇混凝土相比，喷射混凝土不需要立模和振捣，而是将混合料高速、连续地喷至受喷面上，冲击、挤压形成密实的混凝土。
一、试验原理
1、试验原理
1.1速凝剂的工作原理
在水泥中掺入速凝剂，遇水混合后立即水化，速凝剂的反应物NaOH与水泥中的CaSO4生成Na2SO4，使石膏失去缓凝作用。由于溶液中石膏浓度的降低，使C3A迅速进入溶液，析出水化物，导致水泥浆迅速凝固，水泥石形成疏松的铝酸盐结构。同时沉淀下来的铝酸盐水化物，如C3A·Ca（OH）2·H2O、C3A·CaSO4·12H2O的固溶体决定了水泥结构。Na2SO4和 NaOH也起着加速硅酸盐矿物（特别是C3S）水化的作用。随着龄期的延长，C3S水化物不断析出，填充并加固疏松的铝酸盐结构，随着溶液中Ca（OH）2浓度的逐渐增高，使Na2SO4 与Ca（OH）2发生可逆反应重新生成CaSO4，从而在液相中形成晶体，这对疏松的铝酸盐结构的加固，以及致密作用是有利的。
二、试验设计
1、设计思路
要获得高性能的喷射混凝土就必须从原材料品质、配合比优化、施工工艺与质量控制等方面综合考虑。在进行配合比设计时，C30F200喷射混凝土除了满足强度要求外，还应满足快速凝结和抗冻方面的要求，需要通过掺加速凝剂、引气剂等外加剂来实现混凝土的快凝与抗冻性。
2、原材料分析
选用优质的原材料是配置喷射混凝土的前提。根据该工程合同技术规范的要求，结合材料产地和经济性选用以下原材料，其各项性能满足相关标准要求。
2.1水泥
水泥品种和标号的选择应满足工程要求，当加入速凝剂时还应考虑水泥与速凝剂的相容性。
喷射混凝土应优先选用不低于42.5级硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，因为这两种水泥中的C3S和C3A的含量较高，同速凝剂的相容性好，能速凝、快硬、后期强度也较高。矿渣硅酸盐水泥凝结硬化慢，但对抗硫酸盐、海水腐蚀的性能比普通硅酸盐水泥好。
本试验对新疆下坂底水泥的安定性、凝结时间、抗折强度和抗压强度进行了反复试验其试验结果均能满足工程要求。各项试验指标均满足要求，见表1。

表1 新疆下坂地水泥测试结果
序号
水泥牌子及
强度等级
安定性
凝结时间
抗折强度
抗压强度
初凝
(min)
终凝
(min)
3天
(MPa)
7天
(MPa)
28天
(MPa)
3天
(MPa)
7天
(MPa)
28天
(MPa)
1
多浪P.O32.5
合格
188
245
4.7
/
8.2
23.9
/
40.2
2
团结P.O32.5
合格
220
435
6.1
/
8.4
26.5
/
46.3
2.2砂
喷射混凝土宜选用中粗砂，砂的细度模数应大于2.5，砂子颗粒级配应满足表5的要求。砂子过细会使喷射混凝土干缩增大，砂子过粗则会增加回弹。砂子中小于粒径0.075mm的颗粒不应超过20%，否则，由于砂周围有灰尘，会妨碍砂与水泥的良好黏结。
2.3石子
喷射混凝土用卵石或碎石皆可，以卵石为好。因卵石对设备及管路磨蚀小，不会像碎石那样因针片状含量多而引起管路堵塞。目前，国内生产的喷射机虽然能使用最大粒径为25mm的骨料，但为了减少回弹，骨料的最大粒径不宜大于20mm。喷射混凝土的石子级配要求见表2。
表2 喷射混凝土的石子的级配限度

筛孔尺寸（mm）
通过每个筛子的质量百分比

筛孔尺寸（mm）
通过每个筛子的质量百分比
级配1
级配2
级配1
级配2
20.0
——
100
5.0
10~30
0~15
15.0
100
90~100
2.5
0~10
0~5
10.0
85~100
40~70
1.2
0~5
——
2.4 拌合用水
试验用水本应该采用新疆下坂底地区的拌合水。但经试验测试，采用试验地饮用水对试验结果带来的影响可忽略不计。因此试验拌合水采用试验地当地饮用水。
2.5 外加剂
本试验所选用速凝剂采用江西萍乡和新疆喀什（新送）、西安红旗生产的速凝剂。引气剂江西萍乡和新疆喀什（新送）、西安红旗生产的。减水剂选用江西萍乡和新疆喀什（新送）、西安红旗生产的。
三、试验过程及试验结果
3.1喷射混凝土配合比的一般技术要求
① 湿法喷射水泥与砂石之重量比应为：1.0：3.5~1.0：4.0
② 水灰比为0.42~0.50
③ 砂率为50%～60%
④ 对速凝剂的要求是初凝5min，终凝10min
⑤ 搅拌时间大于2min
3.2喷射混凝土原材料
① 砂的细度模数≤2.5
② 水泥强度等级应≥32.5。故本试验选用多浪P.O 32.5水泥和团结P.O 42.5水泥
③ 速凝剂采用：江西萍乡和新疆喀什（新送）、西安红旗
④ 卵石：5～15mm
⑤ 引气剂：江西萍乡和新疆喀什（新送）、西安红旗
⑥ 减水剂：江西萍乡和新疆喀什（新送）、西安红旗
3.3成型工艺
租借工地常用喷射机，制作模板尺寸为450mm×350mm×120mm，其尺寸较小的一个边为敞开式。
①在喷射作业面附近，将模板敞开一侧朝下，以80°（与水平面的夹角）左右置于墙角。
②先在模板外试喷，待操作正常后由下而上，逐层喷射。
③将喷满混凝土的模板移至安全地方，抹平。
④在潮湿环境下养护1d后脱模。养护7d后用切割机加工成边长100mm的立方体试块。
⑤加工好的试块在标养室养护至28d后进行抗压和抗冻试验。
3.4成型设计
在成型时，初步取湿法喷射水泥与砂石之重量比为1／3.8
砂率为55%
水灰比为：0.42、0.46、0.50；
水泥品种取32.5和42.5的水泥，以42.5为基准
3.6试验结果
最后，本次试验为工程提供了2组（H1组、H4组）符合工程要求的抗冻喷射混凝土配合比，见表3。其配合比如下：
H1组 水泥：砂：石：水=1：2.05：1.89：0.42
H4组 水泥：砂：石：水=1：2.26：2.09：0.50
且其坍落度为8cm～12cm，满足规范要求。
四、实验结果分析
经分析，在喷射混凝土设计中在混凝土室内成型、速凝剂凝结时间和混凝土后期强度损失方面应注意以下问题：
4.1室内成型存在的问题
喷射混凝土室内成型时，先是将水泥、砂、石等材料通过搅拌机搅拌均匀后，再加入速凝剂，通过人工拌合，最终将拌合好的混凝土装入试件，凝结硬化后再分别测试1d、7d、28d的抗压强度。
其中存在的问题是，在加入速凝剂，人工拌合的同时，速凝剂已经和水泥砂浆发生反应，开始速凝。在装入试件，振动、抹平时，又进一步速凝，此后，才将混凝土试块置于养护房养护，这对后来测试混凝土试块的抗压、抗折强度有一定的影响，不能真实的反映混凝土的抗压、抗折强度值。且人工拌合不能使速凝剂与水泥砂浆充分、均匀的混合，使得测试的混凝土试块的抗压、抗折强度存在较大的偏差。

表3 抗冻喷射混凝土配合比成型方案
编号
水灰比
引气剂类别及掺量（％）
速凝剂品种及掺量(%)
水泥
H1
0.42
喀什
喀什
多浪32.5
H2
江西
团结 42.5
H3
西安
H4
0.46
江西
喀什
H5
喀什
江西
H6
江西
西安
多浪 32.5
H7
0.50
西安
喀什
H8
喀什
江西
团结42.5
H9
西安
西安
H10
0.42
无抗冻要求
江西
H11
0.46
H12
0.50
H13
0.46
掺减水剂
江西
4.2速凝剂凝结时间存在的问题
国内通用的速凝剂初凝、终凝时间分别定为不大于5 min和10 min，但在实际运用过程中，常常遇到这样一些情况，如初凝、终凝间隔时间过短，速凝剂掺量对凝结时间影响过于灵敏等，往往会给喷射混凝土施工带来不利影响。所以为了一次喷射足够厚度的混凝土，初凝时间不宜过短。但为了防止喷料下垂、脱落和流淌，同时为了缩短相邻两个喷射层的间隔时间，初凝时间又不宜过长。因此就需要对初凝时间和终凝时间加以限制，并规定一个范围。
五、 试验总结
通过理论与试验可知：
① 获得高性能的喷射混凝土就必须从原材料品质、配合比优化、施工工艺与质量控制等方面综合考虑。原材料的选择是配制喷射混凝土的关键。
② 引气剂能引入无数微小且不连通的气泡，提高喷射混凝土的抗冻性能。
③ 速凝剂能使喷射混凝土快速凝结，到达较高的早期强度，但其后期强度有所降低。
④ 提高和改善喷射混凝土的性能、施工水平和管理水平。

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