高寒環(huán)境下濕噴混凝土性能影響因素試驗(yàn)研究*

馮興隆，沙文忠 ，者亞雷，魏銀鴻 ，李志鈞 ，黃正高

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉 674400；2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

我國(guó)目前新增礦產(chǎn)資源多處于高寒以及環(huán)境脆弱地區(qū)，這種特殊復(fù)雜環(huán)境不僅導(dǎo)致礦區(qū)圍巖條件差，還給濕噴混凝土拌和性能和支護(hù)質(zhì)量帶來(lái)了巨大考驗(yàn)。高寒環(huán)境也給礦山安全經(jīng)濟(jì)開(kāi)采帶來(lái)了很大困難，礦區(qū)濕噴混凝土支護(hù)的噴層強(qiáng)度低、易開(kāi)裂等問(wèn)題不斷出現(xiàn)[1-5]。

不少學(xué)者已對(duì)低溫下的混凝土性能進(jìn)行了研究。時(shí)旭東等[6]通過(guò)混凝土的低溫軸壓試驗(yàn)系統(tǒng)探討了低溫(-40～-180℃)、混凝土含水率(1.5%～5.5%)、強(qiáng)度等級(jí)(C30、C40、C50)等3個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)混凝土低溫彈性模量的影響，結(jié)果表明，低溫作用下混凝土的彈性模量有較大幅度的提升，各關(guān)鍵影響因素間存在明顯的耦合關(guān)系。李克慶等[7]對(duì)不同養(yǎng)護(hù)溫度下的濕噴混凝土開(kāi)展了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用掃描電鏡(SEM)對(duì)濕噴混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，低溫抑制了混凝土的水化反應(yīng)，導(dǎo)致膠凝物質(zhì)生成量少，無(wú)法滿足混凝土由孔隙結(jié)構(gòu)到致密膠結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)育需求，這種結(jié)構(gòu)缺陷是強(qiáng)度受損的本質(zhì)原因。 丁衛(wèi)軍等[8]結(jié)合實(shí)際施工情況和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)隧道初期支護(hù)噴射混凝土的性能進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)建議。 劉軍等[9]研究了在未摻防凍劑的情況下，養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)低溫混凝土強(qiáng)度發(fā)展以及抗凍性能的影響，結(jié)果表明，在自然變低溫(5～15℃)密封養(yǎng)護(hù)下混凝土的抗壓強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、抗凍性能均優(yōu)于恒低溫養(yǎng)護(hù)下的混凝土。王傳星等[10]采用超低溫冰箱對(duì)同一強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試件進(jìn)行了降溫處理，測(cè)試了不同溫度下的混凝土抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，混凝土的強(qiáng)度有所提高。張潤(rùn)瀟等[11]在0、5、10、20 ℃恒溫養(yǎng)護(hù)下，研究了混凝土早期抗壓、抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)混凝土養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)其強(qiáng)度具有重要影響，0 ℃養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度只能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d強(qiáng)度的75.2%、53.3%。謝子令等[12]測(cè)試了不同養(yǎng)護(hù)溫度及齡期下粉煤灰基地質(zhì)聚合物混凝土的抗壓強(qiáng)度，在20～80 ℃，升高養(yǎng)護(hù)溫度可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，進(jìn)一步升高養(yǎng)護(hù)溫度會(huì)導(dǎo)致試件表面產(chǎn)生微裂紋，從而使抗壓強(qiáng)度下降。

已有的低溫濕噴混凝土研究主要針對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，而對(duì)其制備拌和過(guò)程及工作性能的分析甚少?；诖?，本文以普朗銅礦為研究對(duì)象，首先采用魚刺圖歸納出影響混凝土性能的因素，然后通過(guò)試驗(yàn)研究了拌合物料的各項(xiàng)性能，以期為高寒環(huán)境下高質(zhì)量混凝土的制備提供參考。

1 工程概況

普朗銅礦采用自然崩落法開(kāi)采，噴漿支護(hù)工程主要集中在拉底穿脈掘進(jìn)、出礦穿脈以及沿脈掘進(jìn)、出礦進(jìn)路及聚礦道掘進(jìn)。噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C25，采用一次或二次支護(hù)，支護(hù)厚度為100～200 mm，少量的二次支護(hù)采用鋼纖維噴射混凝土。該礦開(kāi)采方法與支護(hù)方式的特點(diǎn)決定了濕噴混凝土的需求量非常大，首采區(qū)域采掘和支護(hù)工程量中噴漿量高達(dá) 19 838.8 m3。由于礦區(qū)所處的地理環(huán)境特殊，氣溫偏低導(dǎo)致支護(hù)巷道中常出現(xiàn)噴層強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)、噴層脫落、裂縫發(fā)育以及支護(hù)效果不佳等問(wèn)題。圖1為巷道濕噴支護(hù)后噴層的破壞情況。

圖1 普朗銅礦巷道濕噴混凝土支護(hù)現(xiàn)狀

2 濕噴混凝土強(qiáng)度影響因素分析

采用魚骨圖對(duì)低溫環(huán)境下影響該礦濕噴混凝土強(qiáng)度的 6 個(gè)不同方面(噴漿材料、檢測(cè)方法、作業(yè)環(huán)境、工作方法、操作人員、濕噴設(shè)備)逐一細(xì)化分析，結(jié)果如圖 2所示。

圖2 濕噴混凝土強(qiáng)度影響因素魚刺圖分析

由圖2可知，與溫度無(wú)關(guān)的兩個(gè)方面是檢測(cè)方法和操作人員，其余4 個(gè)方面在溫度對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度的影響中均有體現(xiàn)。綜合分析可知，普朗銅礦濕噴混凝土出現(xiàn)強(qiáng)度低、支護(hù)效果不佳的關(guān)鍵影響因素是低溫，由此使得混凝土噴漿料攪拌時(shí)間不足，進(jìn)而導(dǎo)致水灰比增加、減水劑和速凝劑失效、水泥水化反應(yīng)變緩。上述影響因素集中體現(xiàn)于濕噴混凝土料漿的配合比。

3 混凝土配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次混凝土配合比初步優(yōu)化試驗(yàn)以坍落度為指標(biāo)，以滿足濕噴混凝土流動(dòng)性、和易性等要求為基礎(chǔ)。試驗(yàn)所用儀器有天平、塑料盆、瓢、容量筒、坍落度桶、鐵盆、手持砂漿攪拌機(jī)、養(yǎng)護(hù)箱、直尺、鏟子、手套、鐵勺、口罩等。

混凝土拌合物溫度控制在0 ℃左右，試驗(yàn)步驟為：首先，將砂子、水泥放在高低溫循環(huán)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)冷卻，將減水劑和速凝劑放入冰箱降溫；其次，將冷卻后的砂子、水泥放入攪拌機(jī)內(nèi)拌合均勻，使用溫度計(jì)測(cè)定其溫度，當(dāng)其溫度在0 ℃左右時(shí)，將事先調(diào)和的拌合水、減水劑和速凝劑倒入攪拌機(jī)內(nèi)拌合。

坍落度的測(cè)定方法為：用上口直徑100 mm、下口直徑200 mm、高300 mm 的喇叭狀坍落度筒將新拌混凝土分3次灌入其中，每次填裝后用搗錘沿桶壁均勻地由外而內(nèi)擊實(shí) 25 下，搗實(shí)后每層混凝土高度為筒高的 1/3 左右，抹平后將坍落度筒垂直平穩(wěn)地向上提起，此時(shí)新拌制的混凝土因自重而產(chǎn)生坍落現(xiàn)象，用桶高減去坍落后混凝土最高點(diǎn)的高度，其值即為坍落度。坍落度越大，表明混凝土的流動(dòng)性越好。試驗(yàn)儀器及拌合過(guò)程如圖 3 所示。

圖3 試驗(yàn)儀器及拌合過(guò)程

4 濕噴混凝土配合比探索試驗(yàn)

由于普朗銅礦地處高寒地區(qū)，砂石料來(lái)源受凍融循環(huán)影響，強(qiáng)度性能明顯與其他地區(qū)不同，因此為了探究環(huán)境對(duì)混凝土拌和性能的影響規(guī)律，減少試驗(yàn)工作量，需先開(kāi)展探索試驗(yàn)，在不考慮減水劑影響的情況下，嘗試得到滿足工程現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)要求的混凝土配合比范圍，為最終配合比篩選提供依據(jù)。

1)確定濕噴混凝土的配制強(qiáng)度

根據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的相關(guān)要求，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)小于 C60 時(shí)，配制混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)取值的計(jì)算式為[13-14]

fcu,0≥fcu,k+1.645σ，

(1)

式中：fcu,0表示混凝土配制強(qiáng)度，MPa；fcu,k表示混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)值，MPa；σ表示混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。

混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算式為

(2)

式中：fcu,i表示第i組試件的強(qiáng)度，MPa；mfcu表示n組試件的強(qiáng)度平均值；n表示試件組數(shù)。

2)計(jì)算水灰比

RW-C=aa+fce/(fcu,0+aa+ab+fce)，

(3)

fce=Yc×fce,g，

(4)

式中：aa、ab表示回歸系數(shù)，采用碎石時(shí)，aa=0.46,ab= 0.07；Yc表示水泥強(qiáng)度等級(jí)值的富余系數(shù)，按實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料確定，fce,g表示水泥強(qiáng)度等級(jí)值，MPa。

水泥用量計(jì)算式為

mc0=mw0/RW-C，

(5)

式中，mc0表示水泥用量，mw0表示單位用水量。

依據(jù)JGJ/T 372-2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，中砂或粗砂的細(xì)度模數(shù)宜大于2.5，含泥量不應(yīng)大于3%，砂石中含泥量不超過(guò)5%，礦山底部結(jié)構(gòu)噴漿支護(hù)配合比中的水灰比應(yīng)在0.42～0.45，特殊情況可作適當(dāng)調(diào)整[15]。該礦現(xiàn)場(chǎng)砂石含泥量高達(dá) 17%，這是因?yàn)楦吆h(huán)境中的石料風(fēng)化夾層過(guò)厚，石料強(qiáng)度較低，且第四系表土層較厚，雨季雨量豐富且較為集中，長(zhǎng)年累月而致砂石浸濕嚴(yán)重，從而使砂石骨料含泥量超標(biāo)。查閱大量文獻(xiàn)可知，含泥量偏高會(huì)導(dǎo)致加水?dāng)嚢杈鶆蚝蠹?xì)小顆粒間的游離水不易離析，從而形成“包漿”現(xiàn)象，因此建議礦山后期采取相應(yīng)的去泥措施。由于含泥量過(guò)高，砂石局部比表面積增大，吸水量增多，故在進(jìn)行配合比試驗(yàn)時(shí)，將水灰比上限調(diào)整至0.48。對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度、成本、坍落度、流動(dòng)性、稠度等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，從而確定最優(yōu)配合比。采用坍落度、擴(kuò)展度對(duì)配合比進(jìn)行篩選，選擇 6 種水灰比，每種水灰比控制3種不同的水泥量進(jìn)行探索試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1 。

表1 探索試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，當(dāng)水灰比較小時(shí)，混凝土坍落度和擴(kuò)展度較小，混凝土流動(dòng)性較差，為滿足施工要求，水灰比應(yīng)不低于0.42。同一水灰比下，混凝土坍落度隨著灰砂比的增大而增大，但是觀察拌合過(guò)程發(fā)現(xiàn)，計(jì)算得到的灰砂比偏大，混凝土易出現(xiàn)不密實(shí)、不均勻和收縮大等問(wèn)題，因此后續(xù)的篩選試驗(yàn)應(yīng)適當(dāng)提高水灰比、降低灰砂比。

5 濕噴混凝土配合比篩選試驗(yàn)

依據(jù)JGJT 372-2016，噴射混凝土的水泥用量不應(yīng)小于300 kg/m3，篩選試驗(yàn)配合比見(jiàn)表 2。

表2 篩選試驗(yàn)配合比

在滿足流動(dòng)性的前提下，根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度選取合適的水泥用量。當(dāng)坍落度滿足要求時(shí)，水灰比越小，混凝土的力學(xué)性能提升越快，尤其是混凝土的早期強(qiáng)度，因此應(yīng)優(yōu)先選擇水灰比小的配合比。滿足配合比要求的條件下，開(kāi)展坍落度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。由于配合比試驗(yàn)組數(shù)較多，受篇幅所限，僅展示2組具有代表性的照片(見(jiàn)圖4)。

表3 坍落度試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，有14組試驗(yàn)的砂漿坍落度在12～22 cm，符合施工要求；當(dāng)水灰比、減水劑摻量相同時(shí)，灰砂比越大，試樣的坍落度越大；水灰比相同，灰砂比越大，所需減水劑越少，試樣的稠度越好。

(a)水灰比0.44

圖4(a)中：當(dāng)水灰比為0.44、灰砂比為0.21時(shí)，加入 0.30%的減水劑，砂漿呈分散顆粒狀，出于成本考慮，不再提高減水劑摻量；當(dāng)水灰比為0.44、灰砂比為 0.23 時(shí)，加入 0.30%的減水劑，砂漿表面析出少量水分，內(nèi)部呈干硬、黏結(jié)性低的狀態(tài)，輕鏟砂漿無(wú)反應(yīng)，砂漿呈 5～10 cm直徑的聚團(tuán)狀，無(wú)流動(dòng)性，表明砂漿處于板結(jié)與顆粒的中間狀；當(dāng)灰砂比為0.26時(shí)，加入0.30%的減水劑，砂漿析出的游離水少量增加，聚團(tuán)增大，黏結(jié)性增強(qiáng)；當(dāng)灰砂比為0.28時(shí)，加入0.30%的減水劑，表面析出大量渾濁的游離水，內(nèi)部呈干硬狀態(tài)，停止攪拌，砂漿立即向四周流動(dòng)，鏟起砂漿，內(nèi)部呈干硬、無(wú)明顯自由水的板結(jié)狀；當(dāng)灰砂比為0.31時(shí)，分別加入0.27%和0.30%的減水劑，發(fā)現(xiàn)加入0.27%減水劑的砂漿處于離析度大、流動(dòng)性好、黏結(jié)性較差的半板結(jié)狀，而加入0.3%減水劑的砂漿表面渾濁，自由水增多，流動(dòng)性極強(qiáng)，黏結(jié)性差，板結(jié)速度快。

圖4(b)中：當(dāng)水灰比為0.45、灰砂比為0.21～0.26 時(shí)，加入 0.30%的減水劑，砂漿均呈顆粒散體狀，無(wú)流動(dòng)性，無(wú)自由水析出，黏結(jié)性差；灰砂比越大，散體顆粒越大，表明在一定范圍內(nèi)，灰砂比越大，砂漿黏結(jié)性越好；當(dāng)灰砂比為0.28、減水劑摻量為0.30%時(shí)，砂漿變?yōu)榘褰Y(jié)狀。當(dāng)灰砂比為0.31時(shí)，分別做了5組不同摻量減水劑試驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著減水劑摻量的降低，離析水逐漸減少，砂漿黏結(jié)性、保水性增強(qiáng)；減水劑摻量降至0.20%時(shí)，砂漿表面沒(méi)有明顯的離析水，流動(dòng)性較好，擴(kuò)展度大；減水劑摻量降至0.18%時(shí)，砂漿保水性較好，稠度高，基本滿足坍落度試驗(yàn)要求。

綜上可知，混凝土的流動(dòng)性、黏結(jié)性隨著減水劑摻量的增加而增強(qiáng)?；疑氨仍酱?，減水劑用量就可適當(dāng)減少，這是因?yàn)闇p水劑是通過(guò)憎水基吸附在水泥表面，親水基溶于水中，水泥表面構(gòu)成單分子或多分子吸附膜，因同性電荷相互排斥而排出包裹在水泥絮凝結(jié)構(gòu)中的自由水。

水灰比和灰砂比較小時(shí)，對(duì)減水劑的需求量增加，但減水劑摻量不宜超過(guò)0.30%，一是減水劑加入過(guò)量會(huì)影響砂漿的流動(dòng)性，在噴射時(shí)容易堵管；二是減水劑的成本較高，試驗(yàn)的最終目的是在滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求的前提下盡量降低成本。水灰比為 0.42、0.43的組別中，只有灰砂比為0.28、0.31 兩組滿足施工要求，其余灰砂比較小的組別即使加入 0.30%的減水劑，砂漿依然呈顆粒狀或者硬稠狀；水灰比增大，相應(yīng)組別中符合要求的比例增大，水灰比為 0.47、0.48 的組別中均有 4 組符合要求。

6 結(jié)論

本文引入魚刺圖分析了高寒環(huán)境下影響普朗銅礦濕噴混凝土性能的因素，并進(jìn)行了低溫下混凝土不同配合比試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論：

a.低溫影響了水泥、水、減水劑及骨料之間的化學(xué)反應(yīng)速率，明顯降低了混凝土的流動(dòng)性，這是導(dǎo)致普朗銅礦濕噴混凝土噴層強(qiáng)度低、易開(kāi)裂、支護(hù)效果不佳的關(guān)鍵因素。

b.混凝土的流動(dòng)性、黏結(jié)性隨著減水劑摻量的增加而增強(qiáng)，灰砂比較大時(shí)，流動(dòng)性與和易性相對(duì)較好，在滿足濕噴混凝土噴射條件下，可適當(dāng)減少減水劑摻量。

c.當(dāng)水灰比和灰砂比較小時(shí)，對(duì)減水劑的需求量增加，但減水劑的摻量不宜超過(guò)0.30%。

d.由于普朗銅礦當(dāng)?shù)厣笆虾嗔枯^高，在選擇濕噴混凝土配合比時(shí)，水灰比不應(yīng)低于0.42，且灰砂比應(yīng)比計(jì)算值大。