高效防腐劑對噴射混凝土的性能影響*

王偉，曾魯平，趙爽，陳俊松，韓斌

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司 江蘇 南京211103）

（2.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇 南京211108）

0 引言

隧道鉆爆法施工是目前較為普遍采用的隧道施工方法，噴射混凝土常用于一襯結(jié)構(gòu)，能在液體無堿速凝劑的作用下發(fā)生快速硬化并對粗糙圍巖表面產(chǎn)生良好粘結(jié)效果，達(dá)到穩(wěn)固圍巖、快速支護(hù)的作用[1-2]。隨著中西部高速鐵路及川藏鐵路等重大基礎(chǔ)工程的蓬勃發(fā)展，隧道噴射混凝土也面臨日益復(fù)雜的服役及承載受力環(huán)境而產(chǎn)生不同形式的耐久性能下降，如開裂滲漏、凍融破壞、硫酸鹽侵蝕等病害[3-4]。

近年來，濕法噴射混凝土因其良好的水灰比控制、噴射粉塵污染小，成為隧道噴射施工工藝的首選，然而部分研究結(jié)果表明硬化濕法噴射混凝土中存在較多細(xì)小且不規(guī)則的氣泡存在，造成了噴射混凝土致密性下降及耐久性劣化加劇等[5-6]。高效防腐劑是是一種有機(jī)無機(jī)復(fù)合型改性組分，能通過調(diào)節(jié)膠凝體系的化學(xué)組成、維持體系化學(xué)平衡來改善混凝土結(jié)構(gòu)對硫酸鹽等鹽類侵蝕介質(zhì)的抵抗能力，但在噴射混凝土材料中的應(yīng)用相對較少。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為海螺牌PO 42.5普通硅酸鹽水泥，密度3.06 g/cm3，比表面積345m2/kg；細(xì)集料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.70，表觀密度2 550kg/m3，含泥量1.2%；粗集料為5～10mm單粒徑石灰?guī)r碎石，表觀密度2 680 kg/m3，針片狀顆粒含量4.8%；試驗(yàn)用液體外加劑均為江蘇蘇博特生產(chǎn)，分別為PCAR-Ⅰ系列聚羧酸高性能減水劑，減水率25%，以及SBTR-N(Ⅱ)液體速凝劑（無堿型），pH值2.3；試驗(yàn)用高效防腐劑為淡灰色粉體，比表面積350m2/kg，其他性能指標(biāo)滿足JCT 1011-2006《混凝土抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑》標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)配合比

混凝土試驗(yàn)采用濕噴工藝及C25噴射混凝土配合比（見表1），對比空白組，高效防腐劑的摻入形式設(shè)置外摻及內(nèi)摻兩種。為進(jìn)一步探究高效防腐劑與液體速凝劑的相容性，采用水泥凈漿及砂漿體系分別測定了摻防腐劑后的水泥凈漿凝結(jié)時間及砂漿抗壓強(qiáng)度等性能。

表1 摻防腐劑的C25噴射混凝土配合比/kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

噴射混凝土試件采用濕法噴射成型大板切割成型，試件經(jīng)表面抹平處理后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境養(yǎng)護(hù)24h切割出相應(yīng)尺寸規(guī)格的試件進(jìn)行力學(xué)性能及耐久性試驗(yàn)，其中碳化試驗(yàn)、硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)及抗水滲試驗(yàn)按照GB/T 50082-2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，而抗水滲試驗(yàn)采用噴射圓臺試模成型及恒壓水滲高度法進(jìn)行，水滲壓力為0.8MPa。水泥凈漿及砂漿試件成型方法參照GB/T 35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，液體無堿速凝劑摻量為占膠凝材料總量的8%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凝結(jié)時間及砂漿強(qiáng)度

快速穩(wěn)固開挖巖面、初期支護(hù)的功能特點(diǎn)要求噴射混凝土具有較快的凝結(jié)硬化速率，故本節(jié)從防腐劑摻量及摻入形式，探究了高效防腐劑對摻速凝劑凈漿及砂漿強(qiáng)度的影響，其結(jié)果見表2。

表2 高效防腐劑與液體速凝劑對凈漿凝結(jié)時間及砂漿強(qiáng)度的影響

由表2結(jié)果可知，當(dāng)高效防腐劑以內(nèi)摻形式摻入時，摻速凝劑水泥凈漿的初終凝時間具有明顯延長，其中采用外摻形式的防腐劑對凈漿體系的凝結(jié)時間影響較小。從砂漿力學(xué)強(qiáng)度可知，水泥砂漿體系的1d抗壓強(qiáng)度隨防腐劑內(nèi)摻比例的增加而下降，但后期強(qiáng)度對比無防腐劑體系均有所改善，尤其是90d強(qiáng)度保留率。兼顧凝結(jié)時間及砂漿強(qiáng)度的角度考慮，高效防腐劑采用外摻形式與液體速凝劑的適應(yīng)性較好，并能明顯改善體系的后期強(qiáng)度。

2.2 混凝土力學(xué)強(qiáng)度

對比基準(zhǔn)組，探究了8%摻量的高效防腐劑在外摻或內(nèi)摻形式下對噴射混凝土早后期力學(xué)強(qiáng)度的影響規(guī)律，其結(jié)果見圖1。

圖1 不同摻入形式下高效防腐劑對噴射混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響

與水泥砂漿結(jié)果一致，當(dāng)高效防腐劑摻入后噴射混凝土的1d抗壓強(qiáng)度均有所不同程度下降，其中以內(nèi)摻體系下降較多，但仍在10.0MPa以上。圖1結(jié)果表明噴射混凝土的后期強(qiáng)度在防腐劑摻入后提升明顯，這可能與防腐劑改善混凝土結(jié)構(gòu)致密性與優(yōu)化水化結(jié)構(gòu)有關(guān)，有利于噴射混凝土的后期強(qiáng)度發(fā)展，使得體系的28d抗壓強(qiáng)度均在40MPa，90d抗壓強(qiáng)度更接近50.0MPa。

2.3 混凝土耐久性能

噴射混凝土力學(xué)強(qiáng)度結(jié)果說明防腐劑的摻入有利于改善其后期強(qiáng)度及水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，而對混凝土材料而言，其服役環(huán)境以水、硫酸根及二氧化碳等侵蝕性介質(zhì)的存在較為普遍，因此本節(jié)從抗侵蝕介質(zhì)性能方面探究了高效防腐劑對噴射混凝土耐久性能的影響，結(jié)果見圖2。

從水滲高度-水滲壓力結(jié)果可知，摻高效防腐劑的噴射混凝土抗?jié)B能力有明顯提升，以水滲壓力0.8MPa為例，對比空白組，噴射混凝土的水滲高度從88.6mm分別下降至69.2mm與45.3mm，其中以內(nèi)摻形式下抗水滲性能改善較為明顯；碳化深度-碳化齡期結(jié)果表明高效防腐劑的摻入能明顯提升噴射混凝土抗碳化能力，28d碳化深度≤10.0mm，從碳化作用擬合曲線方向結(jié)果可知，體系的碳化系數(shù)大小依次為：基準(zhǔn)組（1.906）＞防腐劑內(nèi)摻組（1.202）＞防腐劑外摻組（1.189）；硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)試驗(yàn)同樣表明在摻入防腐劑后，耐蝕系數(shù)從K60提升至K90以上，明顯優(yōu)于空白組的K60。

3 結(jié)語

從水泥凈漿凝結(jié)時間、力學(xué)強(qiáng)度及耐久性能角度探究了高效防腐劑在不同摻入形式下對噴射混凝土的性能影響，得出結(jié)論如下：

高效防腐劑的摻入有利于提升摻速凝劑砂漿及噴射混凝土的后期強(qiáng)度，但會造成體系1d強(qiáng)度有所下降，而防腐劑以外摻形式摻入與液體速凝劑具有較好的適應(yīng)性，對凈漿凝結(jié)時間影響較??；

對比基準(zhǔn)組，噴射混凝土的抗水滲透、抗碳化性能及抗硫酸鹽侵蝕能力受高效防腐劑的摻入而明顯提高，其中以抗硫酸鹽侵蝕能力提升較為明顯，這可能與高效防腐劑提高了混凝土結(jié)構(gòu)的致密性及改善后期水化結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖2 高效防腐劑對噴射混凝土耐久性能的影響