納米級(jí)摻合料和粗合成纖維對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響

寧逢偉，丁建彤，白 銀，楊 森，雷英強(qiáng)

(1. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029； 2. 中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都 611730)

使用納米級(jí)摻合料和粗合成纖維制備的濕噴混凝土凝結(jié)速度快、早期強(qiáng)度高，支護(hù)效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)濕噴混凝土，尤其在高地應(yīng)力、大埋深、高外水壓等復(fù)雜地質(zhì)條件下，它能夠更早地發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，更大程度地降低坍塌、巖爆等工程災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。噴射混凝土的支護(hù)效率除了受強(qiáng)度發(fā)展速度的影響之外，還與噴層厚度的增長(zhǎng)速率密切相關(guān)，即噴層越厚，支護(hù)能力越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)越安全。降低回彈率是加快噴層厚度增長(zhǎng)的重要手段之一，它可提高施工效率，在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)期噴射厚度，及早地控制圍巖不利變形?？梢?，研究如何降低濕噴混凝土的回彈率具有重要的工程意義。

納米級(jí)摻合料為一種市售礦物外加劑，兼具減水和高強(qiáng)特性，目前尚無(wú)相關(guān)技術(shù)規(guī)范可對(duì)其進(jìn)行精確定義。與普通濕噴混凝土相比，納米級(jí)摻合料濕噴混凝土具有一定的低回彈優(yōu)勢(shì)。但其與硅灰濕噴混凝土回彈性能有何差異，其摻量和細(xì)度對(duì)回彈率有何影響，是否仍可進(jìn)一步優(yōu)化，均需進(jìn)一步研究。

與素噴射混凝土相比，無(wú)論是粗合成纖維[1]、微合成纖維[2]還是鋼纖維[3]濕噴混凝土均具有較低的回彈率。當(dāng)前，鋼纖維濕噴混凝土堵管問(wèn)題突出[4]，采用粗合成纖維取代鋼纖維制備纖維增韌噴射混凝土已成為一種趨勢(shì)。研究粗合成纖維品質(zhì)(例如摻量、長(zhǎng)徑比等因素)對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響，將有助于提高粗合成纖維的應(yīng)用技術(shù)水平。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)比了納米級(jí)摻合料和同摻量硅灰對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響，考察了納米級(jí)摻合料摻量、細(xì)度對(duì)回彈率的影響。此外，還比較了不同的粗合成纖維材質(zhì)、長(zhǎng)徑比、摻量、混雜方式等條件下的濕噴混凝土回彈率。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

表1 納米級(jí)摻合料和硅灰的物理力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical properties of NSA and silica fume

表2 纖維物理性能Tab.2 Physical properties of fiber

1.2 試驗(yàn)方案

共配制了21種濕噴混凝土，具體如表3所示。各濕噴混凝土的水膠比(水/(水泥+納米級(jí)摻合料或硅灰))均為0.437，坍落度均為180～220 mm。

表3編號(hào)中：“N”，“S”分別表示摻加納米級(jí)摻合料和硅灰的混凝土，例如，“N10”，“S10”分別代表納米級(jí)摻合料和硅灰的摻量為10%，編號(hào)中未對(duì)此明確時(shí)，均看成N10，在納米級(jí)摻合料品種方面，除了NM2和NM3的納米級(jí)摻合料品種不同外，其余混凝土中均為NM1；“F”，“G”分別表示合成纖維和鋼纖維，例如“F8”，“G40”分別表示合成纖維摻量為8 kg/m3和鋼纖維摻量為40 kg/m3。表3中的N10F8，NM1，BF30和LD30為同一配合比。HZ1，HZ2，HZ3和HZ4為4種混雜合成纖維方案。纖維組成是：HZ1為8 kg/m3BF30+0.91 kg/m3BFW；HZ2為4 kg/m3BF30+4 kg/m3BF56；HZ3為4 kg/m3BF30+4 kg/m3BF76；HZ4為4 kg/m3BF30+4 kg/m3BF56+0.91 kg/m3BFW。HZ1代表粗細(xì)混雜，即粗合成纖維和微纖維混雜；HZ2和HZ3代表長(zhǎng)短混雜，即兩種不同長(zhǎng)徑比的粗合成纖維混雜；HZ4代表粗細(xì)混雜+長(zhǎng)短混雜。

表3 濕噴混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of WMS (kg·m-3)

2 回彈率測(cè)試方法

2.1 邊墻回彈率

邊墻回彈率在南京水利科學(xué)研究院鐵心橋試驗(yàn)基地進(jìn)行?；炷敛捎?00 L雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌。噴射采用國(guó)產(chǎn)小型濕噴機(jī)，生產(chǎn)能力6 m3/h，配套空壓機(jī)送風(fēng)壓力0.5 MPa?；炷翑嚢璩鰴C(jī)直接注入濕噴機(jī)料倉(cāng)。噴射過(guò)程中，試模傾斜放置，與水平面夾角80°。噴射角度為直角，噴射距離為0.8 ～1.0 m，噴嘴做20～50 cm直徑的螺旋線運(yùn)動(dòng)。回彈率測(cè)試時(shí)，在受噴面下方鋪設(shè)塑料苫布，噴射結(jié)束后收集回彈物料，計(jì)算回彈率。實(shí)測(cè)速凝劑用量為膠凝材料的6%～7%。

2.2 綜合回彈率

綜合回彈率在四川某引水隧洞施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行?；炷翑嚢璨捎贸隽先萘?.5 m3的雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)。混凝土出機(jī)后用罐車運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，在混凝土進(jìn)入濕噴機(jī)料斗前，罐車快速旋轉(zhuǎn)1 min。施工采用進(jìn)口大型混凝土濕噴機(jī)，其實(shí)際生產(chǎn)能力可達(dá)25 m3/h，配套空壓機(jī)送風(fēng)壓力0.7 MPa。噴頭到受噴面的距離為：邊墻1.2～1.5 m，頂拱1.8～2.2 m。一個(gè)工作面分3次連續(xù)噴射完成，總的噴層厚度約10 cm，每次噴3 cm左右，每次間隔時(shí)間8～10 min。噴頭以繞螺旋方式掃射，噴到受噴面時(shí)的覆蓋直徑約為：頂拱每個(gè)點(diǎn)1 m，邊墻每個(gè)點(diǎn)0.8 m。每個(gè)點(diǎn)每次的噴射時(shí)間約1～3 s。收集回彈物料，計(jì)算回彈率。速凝劑用量約為膠凝材料總量的8%。

圖1 納米級(jí)摻合料與硅灰混凝土回彈率Fig.1 Rebound rate of WMS with NSA or silica fume

3 結(jié)果與討論

3.1 納米級(jí)摻合料對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響

3.1.1納米級(jí)摻合料與硅灰的對(duì)比 4種濕噴混凝土的回彈率如圖1所示?？梢?，各濕噴混凝土的邊墻回彈率均低于其綜合回彈率。這一方面是因?yàn)榫C合回彈率中的回彈物料同時(shí)包含了頂拱和邊墻的回彈量，受噴射手的經(jīng)驗(yàn)和重力作用所限，頂拱的回彈率通常大于邊墻回彈率，故與單一的邊墻回彈率相比，綜合回彈率測(cè)值稍高。另一方面，邊墻回彈率測(cè)試時(shí)，以模板作為邊墻，其一次噴射厚度大，有助于降低回彈率[5]。

從配合比角度來(lái)看，兩種納米級(jí)摻合料纖維濕噴混凝土的回彈率比較接近，邊墻回彈率均在4.5%左右，綜合回彈率均在8.0%左右。兩種硅灰纖維濕噴混凝土的回彈率也比較接近，邊墻回彈率均在5.4%左右，綜合回彈率均在11.0%左右。

圖2 摻合料品種對(duì)回彈率的影響[7]Fig.2 Influence of sorts of admixture on rebound rate[7]

圖3 納米級(jí)摻合料摻量對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響Fig.3 Influence of NSA content on rebound rate of WMS

對(duì)比4種混凝土的回彈率發(fā)現(xiàn)，無(wú)論摻加硅灰還是納米級(jí)摻合料，粗合成纖維和鋼纖維在影響濕噴混凝土回彈率方面差異不大，這表明纖維品種對(duì)回彈率的影響不明顯。但與硅灰粗合成纖維或鋼纖維濕噴混凝土相比，納米級(jí)摻合料濕噴混凝土的邊墻回彈率和綜合回彈率分別下降了17%和25%，表明納米級(jí)摻合料有助于降低濕噴混凝土回彈率。這一方面是因?yàn)榧{米級(jí)摻合料中含一定量的有機(jī)增稠劑，可增加混凝土稠度，降低回彈率。另一方面主要由于納米級(jí)摻合料的無(wú)機(jī)增稠作用，其顆粒粒徑小[6]，具有較大的比表面積，對(duì)水分的吸附量大，增稠效果好，可改善混凝土的黏聚性，提高與圍巖的附著力；同時(shí)顆粒尺寸小還能夠提高材料的化學(xué)反應(yīng)活性，加速早期附著力發(fā)展。TANG Ming等[7]曾對(duì)硅灰、超細(xì)粉煤灰、煤矸石、高嶺石和蒙脫石等5種不同細(xì)度、活性的摻合料進(jìn)行濕噴混凝土回彈率研究，結(jié)果見圖2所示?？梢?，與純水泥混凝土相比，各摻合料濕噴混凝土的回彈率均有明顯降低。并且對(duì)比各摻合料之間的差異發(fā)現(xiàn)，回彈率隨摻合料比表面積的增加而降低。這是因?yàn)榛炷亮鲜試婎^運(yùn)動(dòng)到受噴面的過(guò)程中容易發(fā)散，膠凝材料細(xì)度增加可提高混凝土稠度和內(nèi)聚力，改善運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的整體性。同時(shí)，稠度增加后混凝土與受噴面碰撞回彈所需能量也會(huì)增加，這均有助于降低回彈率。

3.1.2納米級(jí)摻合料摻量的優(yōu)化 3種濕噴混凝土的回彈率如圖3所示。如前所述，對(duì)于同一種濕噴混凝土而言，綜合回彈率均大于其邊墻回彈率。但無(wú)論是綜合回彈率還是邊墻回彈率，均隨納米級(jí)摻合料摻量的增加而降低。與摻7.5%納米級(jí)摻合料時(shí)相比，摻10.0%和12.5%納米級(jí)摻合料濕噴混凝土的邊墻回彈率分別降低了12%和20%、綜合回彈率分別降低了8%和13%。且12.5%摻量時(shí)，納米級(jí)摻合料濕噴混凝土的綜合回彈率為7.8%，在8.0%以內(nèi)。表明提高納米級(jí)摻合料有助于降低濕噴混凝土的回彈率。這是因?yàn)榧{米級(jí)摻合料摻量增加，膠凝材料體系的總比表面積增加，對(duì)水分的吸附、對(duì)其他組分的包裹能力增強(qiáng)，進(jìn)一步改善了濕噴混凝土的黏聚性，增加了混凝土的稠度，降低了回彈率[8]。在這一點(diǎn)上，Markus等[9]得到的結(jié)論比較相似，并指出混凝土稠度在20～180 N·mm(扭轉(zhuǎn)力矩)范圍內(nèi)，回彈率隨稠度的增加而降低。

圖4 納米級(jí)摻合料細(xì)度對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響Fig.4 Influence of fineness of NSA on rebound rate of WMS

圖5 粗合成纖維材質(zhì)對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響Fig.5 Influence of MSF nature on rebound rate of WMS

3.1.3納米級(jí)摻合料細(xì)度的對(duì)比 為進(jìn)一步驗(yàn)證回彈率隨摻合料細(xì)度增加而降低的猜想，配制了NM1，NM2和NM3共3種濕噴混凝土，其中NM1，NM2和NM3三種納米級(jí)摻合料的體積平均粒徑D(4，3)分別為128，137和147 nm?；貜椔蕼y(cè)試結(jié)果如圖4所示。可見，3種納米級(jí)摻合料濕噴混凝土的邊墻回彈率和綜合回彈率均存在微弱的變化趨勢(shì)，即NM3>NM2 >NM1，表明回彈率隨納米級(jí)摻合料粒徑的減小而降低。但三者之間的回彈率相差幅度并不顯著。如前所述，硅質(zhì)納米級(jí)摻合料與硅灰之間之所以存在回彈率差異主要有兩個(gè)原因：一是含一定量的增稠組分；二是顆粒的大小。而3種材料同為納米級(jí)摻合料，無(wú)論在細(xì)度上還是在增稠組分含量上差異均不會(huì)過(guò)大。

3.2 粗合成纖維對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響

3.2.1粗合成纖維材質(zhì)的對(duì)比 粗合成纖維材質(zhì)對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響見圖5?？梢姡瑹o(wú)論是邊墻回彈率還是綜合回彈率，丙綸、滌綸和腈綸配制的濕噴混凝土回彈率均相差不大。3種濕噴混凝土的邊墻回彈率、綜合回彈率分別在4.5%和8.2%左右。表明同摻量條件下，纖維材質(zhì)對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響不大。這是因?yàn)槔w維材質(zhì)差異主要體現(xiàn)在力學(xué)性能方面，以斷裂強(qiáng)度為例，丙綸、滌綸和腈綸的斷裂強(qiáng)度分別為490，710和620 MPa。而濕噴混凝土的噴射與回彈均在瞬時(shí)發(fā)生，其回彈率的大小更依賴于自身的整體性和黏聚性。而纖維的力學(xué)性質(zhì)對(duì)此貢獻(xiàn)較小。

3.2.2粗合成纖維長(zhǎng)徑比的優(yōu)選 在粗合成纖維長(zhǎng)徑比對(duì)比時(shí)，回彈率僅測(cè)試了邊墻回彈率，結(jié)果見圖6。可見，5種濕噴混凝土的邊墻回彈率總體上在3.8%～4.8%。并且在30～76的粗合成纖維長(zhǎng)徑比范圍內(nèi)，回彈率隨長(zhǎng)徑比的增加先降低后增加。長(zhǎng)徑比為38時(shí)回彈率最低，為3.8%。同摻量條件下，粗合成纖維長(zhǎng)徑比不同在混凝土內(nèi)部主要體現(xiàn)為纖維的長(zhǎng)度或數(shù)量差異，纖維彎曲、搭接、纏繞概率的區(qū)別。這會(huì)導(dǎo)致纖維在攪拌、噴射過(guò)程中結(jié)團(tuán)程度不同，進(jìn)而影響到纖維在混凝土基體內(nèi)分散的均勻性和包裹性。換言之，纖維長(zhǎng)徑比對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響，在一定程度上體現(xiàn)的是纖維的分散均勻性。參照GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》中6.4.1規(guī)定，進(jìn)行纖維洗滌、烘干及質(zhì)量測(cè)試，計(jì)算分散性結(jié)果見圖7。由此可見，長(zhǎng)徑比為38時(shí)混凝土中實(shí)測(cè)纖維含量與理論摻量偏差最小，即分散性最好，這與回彈率測(cè)試得出的最優(yōu)長(zhǎng)徑比是一致的。其余長(zhǎng)徑比對(duì)應(yīng)纖維的分散性與回彈率的趨勢(shì)也基本一致。這與錢桂楓等[10]采用PVA纖維得到的結(jié)論類似，即過(guò)大的長(zhǎng)徑比必然導(dǎo)致合成纖維在混凝土中的分散性變差。

圖6 長(zhǎng)徑比對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響Fig.6 Influence of aspect ratio on rebound rate of WMS

圖7 長(zhǎng)徑比對(duì)粗合成纖維分散性的影響Fig.7 Influence of aspect ratio on dispersion of MSF

圖8 粗合成纖維摻量對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響Fig.8 Influence of MSF content on rebound rate of WMS

圖9 合成纖維混雜方式對(duì)濕噴混凝土回彈率的影響Fig.9 Influence of hybrid ways of synthetic fiber on rebound rate of WMS

3.2.3粗合成纖維摻量的優(yōu)選 不同粗合成纖維摻量下濕噴混凝土回彈率的測(cè)試結(jié)果見圖8?？梢姡?種濕噴混凝土的邊墻回彈率為3.5%～4.6%，綜合回彈率為7.7%～8.5%，前者整體上小于后者，原因不再贅述。

6 ～12 kg/m3的粗合成纖維摻量范圍內(nèi)，無(wú)論是邊墻回彈率還是綜合回彈率均隨纖維摻量的提高先降低后增加。10 kg/m3時(shí)回彈率最低，邊墻回彈率和綜合回彈率分別為3.5%和7.7%。由纖維間距理論[11]可知，對(duì)于同一種粗合成纖維，摻量提高，單位體積上的混凝土截面纖維根數(shù)增加，纖維平均間距減小，混凝土黏聚性改善，整體性增強(qiáng)。這有助于降低回彈率。但當(dāng)纖維摻量過(guò)高后，將會(huì)影響其在混凝土內(nèi)部的分散均勻性，纖維間搭接、結(jié)團(tuán)作用加劇，不利于纖維與基體的粘結(jié)，會(huì)加劇混凝土的回彈。

3.2.4合成纖維的混雜使用方式對(duì)比 合成纖維混雜使用方式下濕噴混凝土邊墻回彈率測(cè)試結(jié)果如圖9所示?？梢?，邊墻回彈率總體上為3.3%～4.3%，均低于單一粗合成纖維條件下的濕噴混凝土(N10F8)邊墻回彈率(4.4%)。表明纖維混雜使用有助于降低濕噴混凝土的回彈率。這主要由于多尺度的纖維混雜，能使其在混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)層次上發(fā)揮各種纖維的尺度效應(yīng)[12-13]，從尺度上逐漸提高混凝土內(nèi)部的黏聚性、改善整體性、降低回彈率。

與HZ1和HZ4相比，HZ2和HZ3兩種濕噴混凝土的回彈率稍低，這可能是因?yàn)镠Z1和HZ4中摻加的微纖維沒有均勻分散所致，受微纖維自身的材質(zhì)影響較大。4種纖維混雜方式中，使用長(zhǎng)徑比76和長(zhǎng)徑比30的兩種粗合成纖維進(jìn)行混雜的方式回彈率最低，為3.3%。與單一長(zhǎng)徑比情況下的回彈率測(cè)試結(jié)果相比，長(zhǎng)短混雜(較大長(zhǎng)徑比與較小長(zhǎng)徑比的纖維混雜)既發(fā)揮了纖維長(zhǎng)度在改善混凝土整體性方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又在一定程度上避免了較大長(zhǎng)徑比纖維摻量過(guò)高對(duì)分散性的不利影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)納米級(jí)摻合料有助于降低濕噴混凝土的回彈率，并且顆粒尺寸越小，降低效果越明顯；與同摻量的硅灰濕噴混凝土相比，納米級(jí)摻合料濕噴混凝土回彈率可降低17%～25%。

(2)提高納米級(jí)摻合料摻量有助于降低回彈率，7.5%～12.5%摻量范圍內(nèi)，回彈率隨納米級(jí)摻合料摻量的增加而降低。與7.5%摻量時(shí)相比，摻10.0%和12.5%納米級(jí)摻合料濕噴混凝土的邊墻回彈率分別降低了12%和20%，綜合回彈率分別降低了8%和13%。

(3)摻加合成纖維或鋼纖維均有助于降低濕噴混凝土的回彈率，但回彈率受纖維材質(zhì)(鋼、腈綸、丙綸、滌綸等)的影響不大。

(4)適宜長(zhǎng)徑比有助于降低濕噴混凝土回彈率，30～76長(zhǎng)徑比變化范圍內(nèi)，38為最佳長(zhǎng)徑比。

(5)優(yōu)化纖維摻量有助于降低回彈率，10 kg/m3是6 kg/m3～12 kg/m3纖維摻量范圍內(nèi)的最佳摻量。

(6)與單一纖維長(zhǎng)徑比條件下濕噴混凝土回彈率的測(cè)試結(jié)果相比，長(zhǎng)徑比76和長(zhǎng)徑比30的2種粗合成纖維混雜使用可進(jìn)一步降低回彈率。