低水膠比濕噴混凝土的可噴性能研究

王巧 ，王祖琦 ，宋普濤 ，周永祥 ，楊長輝

（1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045；3.建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室，北京 100013）

0 引言

噴射混凝土是噴射機輸料管在空氣壓縮機提供風壓作用下，將新拌混凝土由噴頭噴射至施工面的一種施工技術(shù)，具有施工方便、快捷等特點，廣泛應用于受損混凝土表面修復、隧道襯砌和地下工程建設[1]。隧道單層永久襯砌和重要交通結(jié)構(gòu)的修復工程大量用到噴射混凝土，這對噴射混凝土強度和性能提出了更高的要求[2-4]。在高壓作用下混凝土的穩(wěn)定性和流動性一直是噴射混凝土技術(shù)待解決的關鍵問題，即可輸送性與可噴性，為噴射混凝土的一對重要指標。與C30混凝土相比，高強濕噴混凝土低水膠比、粘度大，噴射施工難度更大。對于低水膠比噴射混凝土，可輸送性與可噴性之間存在矛盾，即大流動性對輸送有利，但不利于噴射，可能出現(xiàn)脫落和流漿；另一方面，混凝土粘度大有利于與基體粘結(jié)，降低回彈和增大噴射厚度，但泵送過程中可能出現(xiàn)堵管等現(xiàn)象[5]。

可噴性最早是在1994年由Beaupré[5]首次提出?；炷聊芤淮螄娚涞捷^大厚度且不流漿和脫落即被認為可噴性較好。對高強噴射混凝土研究來講，找到可噴性與可輸送性之間的平衡是獲得噴射質(zhì)量較好的混凝土的必要條件，也是研究高強噴射混凝土其它性能與工程應用的基礎。近年來，已有一些文獻報道高強噴射混凝土的研究與應用[6-8]，但大多研究混凝土的抗壓強度均低于50 MPa，且未對低水膠比噴射混凝土的可噴性能這一重要指標展開研究與討論。Kyong-Ku Yun[9]對噴射混凝土的可噴性進行了研究，分析了混凝土的流變性能與可輸送性和可噴性的關系，但水膠比仍然偏高（W/B=0.43）。

關于低水膠比濕噴混凝土的可噴射性能研究鮮有文獻報道，故本文就其展開試驗研究，將材料的流變性能與可輸送性和可噴性相關聯(lián)來表征低水膠比濕噴混凝土的可噴射性。選取C30混凝土與C50混凝土作對比，從配比設計到噴射試驗，預期對高強噴射混凝土的研究難點以及今后的應用提供基本思路，并對試驗過程中出現(xiàn)的問題進行分析。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：北京金隅P·O42.5水泥，比表面積377 m2/kg，28 d抗壓強度54.6 MPa，主要化學成分見表1；粉煤灰：Ⅰ級，比表面積366 m2/kg，主要化學成分見表1；硅灰：SiO2含量≥95%，比表面積20 900 m2/kg；降粘增強劑（CABR-J1）：中國建筑科學研究院研制的功能型復合摻合料，比表面積1159 m2/kg，需水量比88%,28 d活性指數(shù)123%；細骨料：天然河砂，細度模數(shù)2.7；粗骨料：碎石，粒徑5～15 mm，壓碎指標6.22%，堆積密度1425 kg/m3；減水劑：天津悅明外加劑廠生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，固含量39%；引氣劑：脂肪醇磺酸鹽類，市售；速凝劑：蘇博特新材料公司生產(chǎn)的無堿液體速凝劑和山西佳維生產(chǎn)的有堿液體速凝劑，主要性能指標見表2；鍍銅鋼纖維：長25 mm，直徑0.55 mm。

表1 水泥和粉煤灰的主要化學成分 %

表2 2種速凝劑的主要性能指標

1.2 配合比及試驗方法

1.2.1 配合比

按照JGJ/T 372—2016《噴射混凝土應用技術(shù)規(guī)程》中的配合比設計方法，計算強度等級為C50的高強噴射混凝土的水膠比：

式中：αa、αb——回歸系數(shù)，αa取0.53，αb取0.2；

k1——混凝土密實度系數(shù)，取值范圍1.05～1.25；

k2——速凝劑強度影響系數(shù)，取值范圍1.00～1.10；

fb——膠砂試件的28 d抗壓強度，fb=γfγsfce，其中 γf、γs為粉煤灰、礦渣粉的影響系數(shù)，分別取0.85、1.00，fce為水泥的實際強度，取 54.6 MPa，則 fb=46.4 MPa；

fcu，0——混凝土配制強度，按式（2）計算。

式中：σ=5 MPa，fcu，k=50 MPa

按照 k1=1.25、k2=1.10、W/B=0.28、其余參數(shù)按 JGJ/T 372—2016要求選取，混凝土配合比見表3。

表3 噴射混凝土的試驗配比

1.2.2 試驗方法

（1）凈漿流變性能試驗：使用上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的NDJ-8S旋轉(zhuǎn)粘度計測試水泥漿體的塑性粘度。根據(jù)表3中JZ、JN、YQ組的配比，去除骨料及速凝劑制備對應的凈漿，在5個不同剪切速率下測試其瞬時粘度，計算出剪切應力，然后線性擬合得出屈服應力τ（擬合直線的截距）和塑性粘度η（擬合直線的斜率）。

（2）回彈率試驗：噴射試驗所用小型濕噴機型號為耿力機械GSP-D，生產(chǎn)能力7 m3/h，工作壓力0.4～0.6 MPa，速凝劑添加量0～180 L/h；所用柴油空氣壓縮機最大風壓2.4 MPa，最大出風量24 m3/min。

回彈率可表征噴射混凝土自身粘聚性和與噴射面的粘結(jié)性，按式（3）計算?；貜椔蕼y試方法依據(jù)日本標準JSCE-F563—2005《噴射混凝土回彈率試驗方法》的規(guī)定，如圖1（a）所示。

式中：R——回彈率，%；

Wr——回彈料的質(zhì)量，kg；

Ww——粘結(jié)在回彈測試模具上混凝土的質(zhì)量，kg。

（3）一次噴射厚度試驗：由于目前暫無相關標準試驗方法測試一次噴射厚度，參考研究多用的方法：噴射面為1 m×1 m的平板，對準某一基點連續(xù)噴射混凝土直至混凝土在自重作用下脫落，停止噴射測試其厚度。噴射厚度測試如圖1（b）所示。

圖1 回彈率和噴射厚度測試

（4）倒筒時間、坍落度及擴展度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試。

（5）混凝土抗壓強度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土工作性及抗壓強度

實驗室內(nèi)振動成型方法：在塑料桶內(nèi)用電鉆將混凝土和速凝劑攪拌均勻，快速入模（100 mm×100 mm×100 mm）后移至振動臺振動密實。噴射成型試驗方法：空壓機提供風壓，濕噴機噴頭處添加速凝劑，將混凝土噴到大板模具（350 mm×450 mm×150 mm）成型養(yǎng)護至 7 d，切割成 100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊進行抗壓強度測試。新拌混凝土工作性及噴射混凝土抗壓強度見表4，實驗室振動成型混凝土抗壓強度見表5。

表4 新拌混凝土的工作性及噴射混凝土的抗壓強度

表5 實驗室振動成型混凝土的抗壓強度

由表4、表5可以看出，由于低水膠比混凝土噴射難度大，且缺乏經(jīng)驗，噴射成型的C50混凝土抗壓強度未滿足設計要求，混凝土的強度發(fā)展異常。與實驗室振動成型相比，C30噴射混凝土早期強度發(fā)展較為正常，但后期強度產(chǎn)生倒縮，這與摻有堿速凝劑相關。

2.2 凈漿的流變性能

采用表3中對應的配比，測試基準組、引氣組和降粘組在不摻加速凝劑時水泥凈漿的剪切應力隨剪切速率變化的關系見圖2，由圖2線性擬合得出水泥漿體的屈服應力和塑性粘度見表6。

圖2 水泥凈漿的剪切應力隨剪切速率的變化

表6 水泥漿體的流變性參數(shù)

由表6可以看出，與基準組相比，加入引氣劑明顯增大了水泥漿體的屈服應力值，塑性粘度略有降低；降粘增強劑的使用使得水泥漿體的屈服應力大幅度降低至24 mPa，塑性粘度降低至 1056 mPa·s。

2.3 混凝土的可輸送性

混凝土的可輸送性即指混凝土拌合物在泵送壓力或氣流作用下，具有順利通過管道、摩阻力小、不離析、不堵塞和粘聚性良好的性質(zhì)。可輸送性能性增強（例如增大坍落度），可噴性減弱（更小的噴射厚度）；當可輸送性減弱時，可噴性則增強，尋找它們之間的平衡是解決問題的關鍵[5，10]。

采用Kim等[11]在研究噴射ECC中介紹的混凝土變形能力值參數(shù)Γ，如式（4）所示：

式中：?！勺冃文芰χ?；

D1、D2——混凝土垂直方向的擴展度，mm；

D0——坍落度筒的下底直徑，取200 mm。

濕噴機的工作壓力可以反映噴射過程中混凝土在濕噴機內(nèi)的輸送難易程度。濕噴機工作壓力與5組噴射混凝土倒筒時間和Γ的關系如表7所示。

表7 濕噴機工作壓力與噴射混凝土倒筒時間和Γ的關系

由表7可以看出，各組混凝土對應的濕噴機工作壓力均在0.10～0.30 MPa內(nèi)，基準組對應的濕噴機工作壓力最大、倒筒時間略長，但變形能力值最小，最不易于泵送，且實驗過程中容易發(fā)生堵管的現(xiàn)象；對于不摻加鋼纖維的混凝土，可變形能力值越大，對應的濕噴機工作壓力越小，說明混凝土越易輸送；對于不使用引氣劑的混凝土，倒筒時間越短，對應的濕噴機工作壓力越小，混凝土越易輸送；摻加鋼纖維會降低混凝土的可變形能力、延長倒筒時間，增大對應的濕噴機工作壓力，影響混凝土的可輸送性；使用引氣劑會延長混凝土的倒筒時間，但并不增加對應的濕噴機工作壓力；使用降粘增強劑可顯著提高混凝土的可變形能力，縮短倒筒時間，降低對應的濕噴機工作壓力，提高混凝土的可輸送性。Γ值越接近7，可噴性越理想。

2.4 混凝土的可噴性能

用混凝土的噴射回彈率及一次噴射厚度表征混凝土的可噴性能。混凝土倒筒時間、凈漿屈服應力、塑性粘度與一次噴射厚度和回彈率的關系如表8所示。

由表8可以看出：

（1）各組混凝土一次噴射厚度在160～205 mm，鋼纖維降粘組的一次噴射厚度最大，可能是因為鋼纖維的加入使得噴射混凝土層間有纖維的拉應力，提高了混凝土的粘聚性和抗自重脫落能力；降粘組的一次噴射厚度較小，但仍達到160 mm。

表8 混凝土倒筒時間、凈漿屈服應力、塑性粘度與一次噴射厚度和回彈率的關系

（2）降粘組回彈率最低為6.5%，其余組回彈率在23.8%～44.8%變化?；鶞式M由于其本身粘度大、快速水化導致彈性模量大等特點，噴射時形成不連續(xù)的“脈沖”，粗骨料與砂漿更易被吹散，粗骨料大量回彈，混凝土噴射質(zhì)量差；降粘組混凝土在噴漿管中供料連續(xù)，不存在“脈沖”情況，混凝土以砂漿包裹粗骨料整體噴出，回彈率最小，證明降粘增強劑在低水膠比噴射混凝土中可有效提高混凝土的可噴性，保證噴射質(zhì)量。

（3）對于基準組、引氣組和降粘組，隨著倒筒時間的延長，一次噴射厚度及回彈率增大；隨著凈漿屈服應力的增大，一次噴射厚度及回彈率增大；塑性粘度與一次噴射厚度和回彈率無顯著關系。

（4）引氣組混凝土的塑性粘度顯著降低，但混凝土一次噴射厚度及回彈率與基準組差別不大，對噴射混凝土可噴性能的影響不大。這可能是由于噴射之前，含氣量的增加影響凈漿及混凝土的工作性，但是引氣組混凝土含氣量僅為4%，在噴射過程中，由于風壓的作用，含氣量難以穩(wěn)定，噴射到基體表面時含氣量已與基準組含氣量相近，故一次噴射厚度與回彈率與基準組相差不大。使用降粘增強劑降低回彈率的效果最為明顯，回彈率降低至6.5%；一次噴射厚度較基準組低，但仍能達到160 mm，可噴射性能較基準組有較大改善。

3 結(jié)論

（1）低水膠比混凝土變形性能越大，越容易泵送，即可輸送性好，但不是越大越好；Γ值越接近7，可噴性越理想，且與C30可噴性相比，證明低水膠比噴射混凝土流動性較好是重要指標。

（2）在一定范圍內(nèi)，混凝土的一次噴射厚度和回彈率隨著屈服應力的增大而增大；混凝土的塑性粘度大小與一次噴射厚度和回彈率無顯著關系。

（3）使用降粘增強劑可明顯提高低水膠比噴射混凝土的可噴性，特別是回彈率明顯降低。