細(xì)骨料對噴射混凝土的力學(xué)性能影響研究

方浩然,張士萍,牛龍龍

(1. 安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601;2. 南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

噴射混凝土技術(shù)是利用噴射機(jī)以壓縮氣體或其他能量為動力將按配合比要求拌合均勻的膠結(jié)料、粗骨料、細(xì)骨料、外加劑、纖維及摻料等通過噴射口快速噴射至作業(yè)面上,并且在短時間內(nèi)凝結(jié)硬化形成強(qiáng)度的一種技術(shù)[1].噴射混凝土能有效填補作業(yè)面上存在的裂縫、凹坑等缺陷,具有施工簡單、降低勞動力和材料成本、安全性好等優(yōu)點[2],廣泛應(yīng)用于隧道工程、山區(qū)道路、市政軌道工程及跨河、海工程中[3].近年來,隨著我國“西部開發(fā)”和“一帶一路”計劃的不斷推進(jìn),西部基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目中的隧道工程越來越多,這直接增加了我國對噴射混凝土的需求,且需求量仍有上升趨勢.對噴射混凝土的性能和耐久性要求越來越高,而噴射混凝土的配比設(shè)計對其性能有著直接影響[4].在混凝土需求量不斷增加的同時,在現(xiàn)有工程中常用的中河砂的產(chǎn)量卻越來越低,如何以及是否可以使用細(xì)河砂、粗河砂或機(jī)制砂來代替中河砂成為了一個新的研究方向.在實際工程中,以方解石為主要成分的機(jī)制砂已成功應(yīng)用于老尖山隧道中[5],但至今鮮有使用細(xì)、粗河砂的案例.已有不少學(xué)者研究細(xì)骨料對混凝土和砂漿的影響,并取得了一定成果,但少有人研究細(xì)骨料對加入速凝劑的噴射混凝土的力學(xué)性能影響.本文通過設(shè)計不同摻量速凝劑、不同砂膠比、不同細(xì)度模數(shù)的砂進(jìn)行對照試驗,以探究細(xì)骨料對噴射混凝土力學(xué)性能的影響,探索在噴射混凝土中使用細(xì)河砂或粗河砂的可行性.

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 水泥

考慮到速凝劑對不同水泥的適應(yīng)性問題,此次試驗采用檢驗混凝土外加劑所用的的基準(zhǔn)水泥,產(chǎn)品型號為P·Ⅰ42.5硅酸鹽水泥(旋窯),等級強(qiáng)度為42.5,其物理性能及水泥熟料化學(xué)分析結(jié)果及礦物組成分別見表1和表2.

表1 基準(zhǔn)水泥的物理性能

表2 水泥熟料化學(xué)分析結(jié)果及礦物組成 %

1.1.2 速凝劑

本試驗采用的速凝劑是市面上常見的硫酸鋁鹽類的無堿液體速凝劑,其固含量為53%,不同摻量對應(yīng)的具體凝結(jié)時間見表3.

表3 不同摻量速凝劑所對應(yīng)的凝結(jié)時間

1.1.3 細(xì)骨料

本試驗采用的細(xì)骨料為天然河砂,將天然河砂按不同的粒徑篩分后按不同比例重新配置,得到細(xì)度模數(shù)為2.3的細(xì)砂、細(xì)度模數(shù)為2.6的中砂以及細(xì)度模數(shù)為3.0的粗砂.不同細(xì)度模數(shù)的砂的篩分?jǐn)?shù)據(jù)見表4.天然河砂的表觀密度≥2 500 kg/m3,符合《建筑用砂》(GB/T 14684—2022)標(biāo)準(zhǔn),其物理性質(zhì)見表5.

表4 天然河砂篩分和配比數(shù)據(jù)

表5 天然河砂的物理性質(zhì)

1.2 配合比設(shè)計

本試驗主要研究細(xì)骨料對噴射混凝土的影響,為避免粗骨料對試驗的影響,此次試驗全部制作砂漿試塊用于測試和研究.為使速凝劑對砂漿的影響更為明顯,將砂漿的水泥用量明顯提高.

由表3可見,當(dāng)速凝劑摻量為水泥質(zhì)量的7%～10%時,水泥的初凝時間和終凝時間隨摻量的增加而減少.速凝劑摻量為6%、7%時,不滿足國家規(guī)范《噴射混凝土用速凝劑》(GB/T 35159—2017)中初凝時間小于5 min、終凝時間小于12 min的要求;速凝劑摻量為8%時接近但依然不滿足規(guī)范要求;當(dāng)摻量為10%時,在160 s時便已經(jīng)初凝,但考慮后續(xù)試驗中振搗時間的要求,不采用此摻量;最終本試驗決定采用的速凝劑摻量為9%.具體的砂漿配合比見表6(其中水泥含量為900 g、速凝劑含量為81 g、水含量為450 g).

表6 砂漿配合比

1.3 試塊制作

1) 凈漿試塊按照《噴射混凝土用速凝劑》(GB/T 35159—2017)中附錄D進(jìn)行制作.

2) 砂漿試塊按照《噴射混凝土用速凝劑》中附錄E進(jìn)行制作.JS-1.5-2.3組的配合比制作振搗時間為20、30、40 s的試塊各5組,用于測試其1、3、7、28 d強(qiáng)度和28 d孔隙率.再按以上各配合比制作4組試塊,用于測試1、3、28 d強(qiáng)度和孔隙率.砂漿試塊制作完成后放入溫度為(20±2) ℃、濕度大于95%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù).

3) 測試孔隙率試塊時,先用切割機(jī)將砂漿試塊分割成片狀,再對待測面進(jìn)行打磨和拋光,用黑色馬克筆將試塊表面全部涂黑后放入烘箱內(nèi)55 ℃烘干30 min,再將含有40%氧化鋅的凡士林涂在待測面,將多余凡士林去除后放在儀器上進(jìn)行測試.

1.4 試驗儀器

試驗儀器包括維卡儀、篩分機(jī)、砂漿攪拌機(jī)、混凝土壓力試驗機(jī)、混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析器.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 速凝劑摻量的影響

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

圖1 速凝劑摻量對水泥漿體凝結(jié)時間的影響

2.2 振搗時間的影響

混凝土的強(qiáng)度和混凝土的孔隙率有著直接的關(guān)系,灰漿的強(qiáng)度是孔隙含量的直接函數(shù).試塊制作的攪拌過程和振搗過程是控制水泥漿體中氣孔數(shù)量的重要部分,本試驗在保證攪拌步驟一致的情況下,通過設(shè)置不同的振搗時間,觀察其對混凝土強(qiáng)度和孔隙率的影響.由圖2和圖3可見,不同振搗時間對砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度和孔隙率的影響較小,可忽略不計.

圖2 不同振搗時間對試塊抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 不同振搗時間對應(yīng)孔隙率柱狀圖

2.3 砂膠比和細(xì)度模數(shù)對試塊力學(xué)性能的影響

不同砂膠比和細(xì)度模數(shù)的砂對試塊抗壓強(qiáng)度的影響見圖4.由圖4可見,粗砂組的1 d抗壓強(qiáng)度明顯小于其他兩組,分析認(rèn)為,水泥漿體中的砂較粗時,顆粒與顆粒直接接觸點減少,孔隙相對較大,水泥水化后生成的膠結(jié)物質(zhì)和針棒狀的鈣礬石晶體不易填充其孔隙,使其早期強(qiáng)度低于其他兩組.隨著膠砂比的增大,顆粒之間的直接接觸點越來越少,孔隙也隨之增大,導(dǎo)致其強(qiáng)度差值不斷增大.

圖4 不同砂膠比和細(xì)度模數(shù)的砂對試塊 抗壓強(qiáng)度的影響

在相同的砂膠比時,隨著砂細(xì)度模數(shù)的增大,試塊抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,由圖5可見,在砂膠比不變的情況下,隨著砂細(xì)度模數(shù)的增大,孔隙率總體上服從先變大后變小的趨勢,故可認(rèn)為試塊抗壓強(qiáng)度的變化是由其孔隙率的變化所導(dǎo)致.

圖5 不同砂膠比和細(xì)度模數(shù)的砂對應(yīng)孔隙率柱狀圖

當(dāng)砂膠比增大時,孔隙率也會隨之一起增大,且其增大速率與加入砂的細(xì)度模數(shù)大小成正相關(guān).這可能是因為在攪拌的過程中,骨料周圍會形成類似澆筑混凝土表面的墻體效應(yīng),水泥顆粒無法填充在體積相對較大的骨料周圍[10].隨著砂占水泥漿體體積的增加,孔隙率也越來越大,對強(qiáng)度發(fā)展有不利影響.

當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)為2.3時,抗壓強(qiáng)度隨著砂膠比的增大而增大.文獻(xiàn)[10]研究表明,在水泥漿體質(zhì)量不變情況下,當(dāng)骨料體積占總體積的40%～80%時,抗壓強(qiáng)度會隨骨料體積占比的增大而增大,并且在不同水灰比條件下,也有相同的規(guī)律.提高砂膠比的同時雖然提高了孔隙率,但砂膠比從1.2提高到1.8后,其孔隙率僅提高了4.7%,可認(rèn)為其增長量較低,未對強(qiáng)度變化起決定性因素.當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)為2.6時,當(dāng)砂膠比從1.2提高到1.8后,孔隙率提高了7.9%,雖提高了骨料的體積占比,但其強(qiáng)度增長相對較慢,幾乎沒有太大變化.當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)為3.0時,孔隙率增長較快,雖提高了骨料的體積占比,但其強(qiáng)度開始隨砂膠比的增加而降低.

3 結(jié)論

1) 速凝劑可以明顯加快水泥的凝結(jié)速度,速凝劑摻量為7%～10%時,凝結(jié)時間隨著速凝劑摻量的增大而減小,但考慮到實際用法及操作,凝結(jié)速度最快的并不一定是速凝劑的最佳摻量;

2) 對于加入速凝劑后的水泥漿體,振搗時間對其強(qiáng)度和孔隙率的影響較小,可忽略不計;

3) 加入速凝劑后,在細(xì)骨料質(zhì)量占比不變的情況下,即砂膠比不變時,隨著砂細(xì)度模數(shù)的增大,抗壓強(qiáng)度先變小再變大,孔隙率總體服從先變大后變小的趨勢,推測是因為孔隙率的不同導(dǎo)致其強(qiáng)度發(fā)生變化;

4) 當(dāng)砂細(xì)度模數(shù)為2.3時,28 d抗壓強(qiáng)度隨砂膠比增大而增大,力學(xué)性能總體表現(xiàn)較好,但若要實際應(yīng)用,仍需加入粗骨料、改善配合比并進(jìn)行進(jìn)一步試驗與探索;

5) 當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)為3.0時,隨著砂膠比的增大,其28 d抗壓強(qiáng)度連續(xù)小幅度降低且孔隙率明顯變大,考慮到實際工程中的砂膠比較大,故不宜使用粗砂.