國內(nèi)外噴射混凝土用速凝劑檢測方法與性能指標(biāo)評價

王子明，蔡揚(yáng)揚(yáng)，李文秀，王 莊，劉 瑋

（1.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081；3.云南凱威特新材料股份有限公司，云南昆明 652100）

1 概述

噴射混凝土是將膠凝材料、骨料等按一定比例拌制的混凝土拌和物送入噴射設(shè)備，借助壓縮空氣或其他動力，高速噴射至受噴面所成型的一種混凝土［1］。不同于澆筑成型的混凝土，噴射混凝土具有快速凝結(jié)硬化特點(diǎn)，不需要模具，是一種理想的結(jié)構(gòu)防護(hù)和支護(hù)材料。噴射混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于隧道和礦山工程。近年來，噴射混凝土在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中起到越來越重要的作用，用量呈不斷上升趨勢。特別是隨著我國“西部開發(fā)”和“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)，西部地區(qū)高速鐵路、公路建設(shè)過程中隧道越來越多，對噴射混凝土的力學(xué)性能、耐久性等提出了很高要求。除隧道工程之外，噴射混凝土還在水利水電、邊坡支護(hù)、礦山、地下工程等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

噴射混凝土配制與施工需要各種化學(xué)外加劑，一般包括速凝劑、黏度調(diào)節(jié)劑和界面黏結(jié)劑［2］，其中最重要的是速凝劑。噴射混凝土用速凝劑是指能使混凝土快速由塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛不癄顟B(tài)的化學(xué)外加劑。一般情況下，噴射混凝土用速凝劑應(yīng)兼具速凝和早強(qiáng)作用。速凝劑的品種和摻量選擇是以滿足噴射混凝土的凝結(jié)時間和早期強(qiáng)度為主要依據(jù)。噴射混凝土快速凝結(jié)硬化能保證混凝土一次性達(dá)到噴射厚度而不會滑移或者脫落，從而加快噴射施工進(jìn)度。隨著噴射混凝土性能要求的逐步提高，特別是噴射環(huán)境的清潔安全和資源節(jié)約要求，噴射混凝土工藝逐步由干法噴射向濕法噴射發(fā)展，相應(yīng)地?zé)o堿液體速凝劑將逐步取代堿性粉狀速凝劑。

雖然噴射混凝土已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，但是對于噴射混凝土用速凝劑的檢測和性能評價方法還有許多爭議。常用吉爾摩針或者維卡儀測定摻加速凝劑漿體的凝結(jié)時間來評價速凝劑的快速凝結(jié)性能［3-4］，采用摻加速凝劑砂漿的1 d 抗壓強(qiáng)度評價速凝劑促進(jìn)水泥混凝土硬化性能，有時也采用6 h 或者12 h 的強(qiáng)度，性能指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一。

2 速凝劑檢測方法和性能指標(biāo)評價分析

噴射混凝土用速凝劑性能指標(biāo)測試結(jié)果與檢測條件和檢測方法有關(guān)，而各個國家和行業(yè)對速凝劑凝結(jié)時間的檢驗(yàn)方法各有不同，對評價指標(biāo)要求也不盡相同。因此，如何采用適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法評價速凝劑的性能變得越來越重要。

2.1 凝結(jié)時間的檢測和評價方法

摻加速凝劑凈漿或砂漿的凝結(jié)時間一般在10 min之內(nèi)，其攪拌、成型和測定流程與普通水泥凈漿或砂漿有明顯區(qū)別［5-6］。不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試儀器也不相同。除美國（ASTM C1398—07）規(guī)定采用吉爾摩針之外，歐洲標(biāo)準(zhǔn)和中國標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定采用維卡儀。此外，有些標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 35159—2017，ASTM C1102—94 和JT/T 1088—2016）規(guī)定采用摻加速凝劑凈漿樣品檢測凝結(jié)時間，也有標(biāo)準(zhǔn)（BS EN 480-2—2006和JSCE-D 102—2005）規(guī)定采用砂漿樣品檢測凝結(jié)時間。

用摻加速凝劑的砂漿樣品檢測凝結(jié)時間能更好地反映噴射混凝土的凝結(jié)性能，但是由于細(xì)骨料的存在檢測結(jié)果波動性會更大。不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的操作過程也有差異，導(dǎo)致最終檢測結(jié)果存在波動。不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的摻加速凝劑凈漿、砂漿的凝結(jié)時間檢測方法分別見表 1 和表 2。其中：W/C為水灰比；S/C為砂灰比。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的摻加速凝劑凈漿凝結(jié)時間的檢測方法及要求

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的摻加速凝劑砂漿凝結(jié)時間的檢測方法及要求

采用摻加速凝劑水泥凈漿檢測凝結(jié)時間的各種方法中，ASTM C1102—94 中規(guī)定凈漿的水灰比在0.24～0.30，且其中水量不扣除液體速凝劑中的用水量。在其他條件不變情況下，水灰比越大，測得的摻加速凝劑水泥凈漿凝結(jié)時間越長。中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35159—2017和公路工程標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1088—2016都規(guī)定采用水灰比0.35 的水泥凈漿，但是JT/T 1088—2016 中規(guī)定凝結(jié)時間檢測時摻入了減水劑，檢測出的凝結(jié)時間實(shí)際上受到了速凝劑和減水劑共同影響，問題是沒有規(guī)定檢測用的標(biāo)準(zhǔn)減水劑，而不同類型減水劑對摻加速凝劑凈漿凝結(jié)時間的影響不同。煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 780—1998 中規(guī)定采用水灰比0.40 的凈漿檢測凝結(jié)時間，主要檢測對象是粉體速凝劑，且固定摻量為4%（16 g）。

不同摻加方法和水泥溫度對凝結(jié)時間和強(qiáng)度發(fā)展有顯著影響［16］。Kim 等［17］研究了水灰比對凝結(jié)時間的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 水灰比對凝結(jié)時間的影響

由圖1可見：無論是初凝時間還是終凝時間，同摻法比后摻法明顯縮短。其中水灰比每增加0.01，初凝時間延長約30 s；水灰比從0.31 增至0.37，初凝時間相差約180 s，因此給摻加速凝劑凈漿凝結(jié)時間評價帶來困難。

噴射混凝土現(xiàn)場施工條件與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件有較大區(qū)別，實(shí)際施工時并不能獲得與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件相同的效果。此外，即使同一品種水泥也可能存在不同批次間的差異（組成、細(xì)度及活性）。因此，使用速凝劑前必須進(jìn)行原材料相容性試驗(yàn)［18］。液體速凝劑產(chǎn)品又分為懸浮型和溶液型，一般含固量比較高（40%～60%）、黏度大。如果采用燒杯直接加入，粘壁部分很難快速全部加入攪拌容器內(nèi)，即使預(yù)留部分拌和水也很難沖洗干凈粘壁部分，對檢測結(jié)果也有直接影響，所以GB/T 35159—2017 中規(guī)定采用塑料醫(yī)用注射器注入，避免了粘壁殘留影響摻量。

2.2 摻加速凝劑砂漿抗壓強(qiáng)度檢測方法

GB/T 35159—2017 中要求摻加速凝劑砂漿1 d 抗壓強(qiáng)度不小于7.0 MPa，摻加速凝劑砂漿28 d 抗壓強(qiáng)度與未摻速凝劑砂漿的抗壓強(qiáng)度之比不小于70%，并且規(guī)定摻加速凝劑砂漿90 d 的抗壓強(qiáng)度（R90 d）不低于未摻速凝劑砂漿28 d 抗壓強(qiáng)度（R028 d）。摻加速凝劑砂漿強(qiáng)度的測試方法，不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定也不盡相同，見表3。表中：f為抗壓強(qiáng)度比。

表3 摻加速凝劑砂漿抗壓強(qiáng)度的攪拌工藝及指標(biāo)要求

中國國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，測定摻加速凝劑砂漿抗壓強(qiáng)度時砂漿W/C為0.5，S/C為1.5，而國外大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定砂漿的W/C為0.5，S/C為3.0。中國公路工程標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1088—2016 中規(guī)定砂漿W/C為0.5，S/C為2.0，并摻加減水劑。

日本行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JSCE-D102—2005 中，要求摻加速凝劑砂漿12 h 抗壓強(qiáng)度大于1.0 MPa，1 d 抗壓強(qiáng)度大于9.0 MPa，中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35159—2017 中對于12 h抗壓強(qiáng)度沒有要求，對1 d抗壓強(qiáng)度要求也相對較低（7.0 MPa）。在歐洲和美國標(biāo)準(zhǔn)中對1 d 抗壓強(qiáng)度未作規(guī)定。中國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 780—1998 中未規(guī)定1 d 抗壓強(qiáng)度絕對值，只是要求1 d 抗壓強(qiáng)度比不小于105%。

對于噴射混凝土而言，噴射到受噴面后混凝土強(qiáng)度能夠快速增長是一次性達(dá)到噴射厚度和后續(xù)施工的保證。所以日本行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JSCE-D 102—2005 中規(guī)定了12 h 抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，甚至要求噴射后6 h 噴射砂漿抗壓強(qiáng)度大于1.0 MPa。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 14487-1：2005 將噴射后24 h 之內(nèi)的混凝土抗壓強(qiáng)度定義為幼齡期噴射混凝土抗壓強(qiáng)度，其等級劃分見圖 2［19］。

圖2 幼齡期噴射混凝土抗壓強(qiáng)度等級劃分

由圖2可知：幼齡期噴射混凝土抗壓強(qiáng)度可分為3個等級（J1，J2和J3）。至少 3 個點(diǎn)落在A線和B線之間定義為J1等級；至少3個點(diǎn)落在B線和C線之間定義為J2等級；至少3個點(diǎn)落在C線之上定義為J3等級。幼齡期噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的測定方法按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 14488-2—2006［20］中幼齡期噴射混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行。幼齡期噴射混凝土抗壓強(qiáng)度在0.2～1.2 MPa時按照方法A測定；抗壓強(qiáng)度在2～16 MPa時按照方法B測定［20］。

美國標(biāo)準(zhǔn)對噴射混凝土強(qiáng)度的檢測方法沒有規(guī)定，但在ACI 506.2—2013 中提出，噴射混凝土的最低強(qiáng)度應(yīng)滿足ACI 301—2010中所規(guī)定的，即28 d抗壓強(qiáng)度不低于28 MPa，28 d抗彎強(qiáng)度不低于2.8 MPa。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段不同國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中摻加速凝劑漿體凝結(jié)時間和強(qiáng)度檢測方法不統(tǒng)一，造成了速凝劑性能檢測結(jié)果和評價的不確定性。在試驗(yàn)室檢測過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 35159—2017 中規(guī)定的攪拌時間和操作規(guī)程進(jìn)行，過度攪拌會導(dǎo)致?lián)郊铀倌齽{體的凝結(jié)時間異常延長。

實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境及原材料條件下評價的速凝劑產(chǎn)品自身性能，并不能反映現(xiàn)場噴射混凝土的噴射效果和工藝參數(shù)的合理性。原材料、溫度、是否同時摻加其他化學(xué)外加劑、環(huán)境溫度等都會對摻加速凝劑凈漿或砂漿的凝結(jié)時間和強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生顯著影響。噴射混凝土在摻加速凝劑前須進(jìn)行原材料相容性試驗(yàn)，以確定速凝劑的合理摻量，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境（溫度、濕度等）的變化隨時調(diào)整，保證噴射混凝土的質(zhì)量和噴射效果。噴射混凝土施工是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除了控制材料之外，噴射設(shè)備類型、噴射操作技術(shù)、環(huán)境條件等綜合匹配才能確保達(dá)到噴射混凝土的力學(xué)性能和耐久性要求。