C30噴射混凝土力學(xué)與耐久性能研究

楊博凱，葉漢青，陳學(xué)義

(南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210016)

0 引言

噴射混凝土技術(shù)是由20世紀(jì)初的噴漿技術(shù)發(fā)展而來，與普通混凝土相比，噴射混凝土具有施工作業(yè)靈活、工藝簡單、凝結(jié)硬化迅速等優(yōu)點。近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進及發(fā)展，噴射混凝土作為初期支護的核心材料被廣泛應(yīng)用于水工隧洞工程、水利工程等重大地下工程[1-3]。水工隧洞工程地質(zhì)與水文條件復(fù)雜多變，噴射混凝土存在一定侵蝕破壞風(fēng)險，直接影響水工隧洞整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及使用壽命。因此，研究噴射混凝土實際服役過程中的力學(xué)性能與耐久性能具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者已對噴射混凝土的力學(xué)與耐久性能進行了初步研究。張俊儒等[4]研究了粉煤灰摻量對C25噴射混凝土抗壓強度和耐久性的影響，試驗結(jié)果表明內(nèi)摻20%的粉煤灰可以滿足C25噴射混凝土的力學(xué)要求，同時明顯提升噴射混凝土的抗?jié)B性和抗硫酸鹽侵蝕性。CHEN等[5]研究了C25噴射混凝土的抗凍性，試驗結(jié)果表明C25噴射混凝土在400次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率為3.1%，相對動彈性模量下降了22.5%～37.1%；300次凍融循環(huán)后平均抗壓強度僅有23.3 MPa。寧逢偉等[6]通過復(fù)摻膨脹劑和硅灰改善了C50噴射混凝土的抗?jié)B性，滲水高度降低75%～87%、電通量降低20%～34%。王家濱等[7]通過摻入鋼纖維提高了噴射混凝土的抗碳化性能并建立了碳化深度預(yù)測模型。SALVADOR等[8]研究速凝劑種類和摻量對噴射混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的影響，研究結(jié)果表明有堿速凝劑摻入下的噴射混凝土更易遭受外界硫酸鹽的侵蝕，且速凝劑摻量越高破壞程度越明顯。

在以往大多數(shù)水工隧洞工程中噴射混凝土的設(shè)計強度等級普遍較低，通常為C20或C25，主要關(guān)注噴射混凝土在速凝劑的作用下快速形成早期強度從而控制圍巖變形，并未深入考慮噴射混凝土在服役過程中的力學(xué)強度變化以及耐久性能劣化程度。其次，隨著川藏鐵路、武九高速等國家重點工程的推進，對噴射混凝土性能的要求日益提升，在永久性支護結(jié)構(gòu)中噴射混凝土常按C30強度等級設(shè)計。然而，C30噴射混凝土相比C25噴射混凝土的性能提升程度如何，以及是否能夠滿足實際工程需求，仍缺乏系統(tǒng)性的研究。因此，本文以C30噴射混凝土為研究對象，分析不同水灰比和速凝劑種類對其力學(xué)與耐久性能的影響，并與同配比模筑混凝土和C25噴射混凝土進行對比，為C30噴射混凝土的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：采用鶴林牌P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理性能見表1。

表1 水泥物理性能

骨料：粗骨料為5 mm～10 mm單粒級配石灰?guī)r質(zhì)碎石，表觀密度2 980 kg/m3。細(xì)骨料為Ⅱ區(qū)中型河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，表觀密度2 630 kg/m3，含泥量0.8%，泥塊含量0.5%。

外加劑：減水劑采用聚羧酸類高性能減水劑，減水率25%。速凝劑分為液體無堿速凝劑和液體有堿速凝劑，主要成分分別為硫酸鋁和鋁酸鈉，性能均符合GB/T 35159—2017噴射混凝土用速凝劑規(guī)定。

1.2 配合比參數(shù)設(shè)計

參考噴射混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9-11]并結(jié)合實際工程設(shè)計經(jīng)驗，確定C25/C30噴射混凝土的配合比。在C30噴射混凝土配合比的基礎(chǔ)上，研究不同水灰比(質(zhì)量比)(0.38，0.40，0.42，0.45)和不同速凝劑種類(無堿速凝劑，有堿速凝劑)對噴射混凝土力學(xué)性能與耐久性能的影響，具體配合比見表2，表3。其中，摻無堿速凝劑的C30噴射混凝土記為“AFC30”、摻有堿速凝劑的C30噴射混凝土記為“AKC30”,C30模筑混凝土記為“CMC30”,C25噴射混凝土記為“AFC25”。

表2 C25噴射混凝土配合比 kg/m3

表3 C30噴射混凝土配合比 kg/m3

1.3 實驗方法

力學(xué)性能按照GB/T 50081—2019混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)進行，測試硬化混凝土1 d，7 d，28 d，56 d立方體抗壓強度。耐久性能按照GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)進行，主要測試內(nèi)容為抗水滲透性能、抗氯離子滲透性能和抗碳化性能，其中抗水滲透性能采用滲水高度法，抗氯離子滲透性能采用電通量法和RCM法。噴射混凝土試件成型采用濕噴法工藝進行，具體制備方法參考JGJ/T 372—2016噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程附錄B。模筑混凝土試件制備方法為：拌合物攪拌均勻后置于相應(yīng)試模振動成型，在溫度(20±2)℃、相對濕度大于50%的室內(nèi)靜置1 d后脫模并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至相應(yīng)齡期。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

不同水灰比與速凝劑種類對C30噴射混凝土力學(xué)性能的影響如圖1所示。由圖1(a)可知，在成型工藝方面，噴射混凝土體系(AFC30,AKC30)相比模筑混凝土體系CMC30強度低，且后期強度發(fā)展緩慢。濕法噴射工藝導(dǎo)致噴射混凝土內(nèi)部截留大量小孔徑氣泡降低了結(jié)構(gòu)致密性，同時在速凝劑的作用下水化產(chǎn)物生成過快，覆蓋在未水化的水泥顆粒表面從而影響噴射混凝土后期強度發(fā)展[12-13]。

在強度等級方面，AFC30與AFC25均為摻無堿速凝劑的噴射混凝土體系，其中AFC30的28 d抗壓強度為40.7 MPa，AFC25的28 d抗壓強度為33.7 MPa，均大于理論配制強度，C30噴射混凝土的強度相比C25噴射混凝土提高幅度在10.9%～24.0%范圍內(nèi)。

由圖1(b)可知，C30噴射混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增大逐漸減小，其中0.38水灰比(質(zhì)量比)和0.40水灰比(質(zhì)量比)的抗壓強度相差不大，當(dāng)水灰比(質(zhì)量比)提升至0.42和0.45時，強度明顯下降，例如0.45水灰比(質(zhì)量比)時的56 d抗壓強度僅為0.40水灰比(質(zhì)量比)的77.9%。對于起結(jié)構(gòu)性支護作用的噴射混凝土而言，其早期強度和28 d強度通常要求較高，早期強度一般取1 d強度為標(biāo)準(zhǔn)，我國GB 50086—2015巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范要求1 d強度不小于8 MPa，而TB 10753—2010高速鐵路水工隧洞工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)更是要求1 d強度不小于10 MPa。然而在施工現(xiàn)場中經(jīng)常存在混凝土“加水”現(xiàn)象，加水會導(dǎo)致噴射混凝土的實際水灰比偏高從而影響強度[17]。根據(jù)實驗結(jié)果，當(dāng)C30噴射混凝土的水灰比由0.40提高至0.45時，1 d強度低于10 MPa；當(dāng)水灰比(質(zhì)量比)為0.42或0.45時，28 d強度均無法滿足C30的理論配制強度，因此在混凝土噴射施工前嚴(yán)禁加水。

2.2 耐久性能

2.2.1 抗水滲透性能

已建和在建的水工隧洞工程調(diào)研結(jié)果表明，存在開裂滲水問題的水工隧洞數(shù)量達到了70%，其中嚴(yán)重滲漏的水工隧洞數(shù)量達到了1/3左右，素有“十隧九漏”的說法，因此研究噴射混凝土的抗水滲透性能具有重要的工程意義。圖2為不同混凝土在1.2 MPa恒壓24 h后的滲水高度情況，在成型工藝與速凝劑種類方面，試件的抗?jié)B性由高到低依次為模筑混凝土體系CMC30(16.3 mm)、無堿速凝劑噴射混凝土體系A(chǔ)FC30(22.6 mm)、無堿速凝劑噴射混凝土體系A(chǔ)FC25(28.5 mm)、有堿速凝劑噴射混凝土體系A(chǔ)KC30(36.7 mm)。噴射混凝土體系的整體強度及致密性不如模筑混凝土體系導(dǎo)致其抗水滲透性能較差，AFC30的滲水高度為模筑混凝土的1.39倍。有堿速凝劑對C30噴射混凝土抗?jié)B性的不利影響更加明顯，其滲水高度相比無堿體系A(chǔ)FC30增加62.4%，有研究[18]表明有堿速凝劑會使水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松、微裂紋增加、有害孔含量更多，因此降低了強度及耐久性能，相對而言無堿速凝劑影響程度較小。在強度等級方面，C30噴射混凝土的滲水高度相比C25噴射混凝土降低20.7%。

如圖2(b)所示，C30噴射混凝土的抗水滲透性能隨著水灰比的增加逐漸下降，與強度規(guī)律類似，當(dāng)水灰比較小時(0.38,0.40)抗?jié)B性相差不大，當(dāng)水灰比繼續(xù)提高，抗?jié)B性下降明顯，例如在0.45水灰比時試件的滲水高度已經(jīng)達到了51.2 mm，約為0.40水灰比的2.3倍。水灰比增加會導(dǎo)致噴射混凝土內(nèi)部的孔隙率增加，因而對外界水起到的阻力更小。

2.2.2 抗氯離子滲透性能

近年來，在我國一些發(fā)達沿海地區(qū)逐漸興起海底水工隧洞建設(shè)，例如青島膠州灣海底水工隧洞、廈門翔安海底水工隧洞等。海洋環(huán)境復(fù)雜多變，尤其是高濃度的氯離子侵蝕對噴射混凝土的耐久性是一個巨大的考驗[19]，因此有必要對噴射混凝土的抗氯離子滲透性能進行全面的評價。

由圖3(a)可知，在成型工藝方面，模筑混凝土體系的抗氯離子滲透性能優(yōu)于噴射混凝土體系，AFC30試件的56 d電通量和氯離子遷移系數(shù)(DRCM)分別為同配比模筑混凝土的1.13倍和1.07倍。在速凝劑種類方面，有堿體系A(chǔ)KC30的抗氯離子滲透性能略差于無堿體系A(chǔ)FC30, 其56 d電通量和氯離子遷移系數(shù)相對無堿體系分別增加13.5%和4.5%，主要原因還是在于有堿速凝劑后期對混凝土自身微結(jié)構(gòu)的破壞從而加快了Cl-的侵蝕速度。在強度等級方面，C30噴射混凝土的抗氯離子滲透性能相比C25噴射混凝土有明顯提升，56 d電通量和氯離子遷移系數(shù)分別下降20.6%和19.8%。TB 10005—2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范要求對于設(shè)計使用年限為100年(例如水工隧洞等主體結(jié)構(gòu))的C30混凝土，其56 d電通量應(yīng)小于1 200 C，56 d DRCM應(yīng)不大于7×10-12m2/s，由圖3(a)可知C30噴射混凝土的抗氯離子滲透性能處于中等水平，無法滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。如圖3(b)所示，噴射混凝土的抗氯離子滲透性能隨著水灰比的增大逐漸下降，相比C30基準(zhǔn)組(0.40水灰比(質(zhì)量比))，0.45水灰比(質(zhì)量比)時的56 d電通量和氯離子遷移系數(shù)分別為基準(zhǔn)組的1.37倍和1.30倍。當(dāng)水灰比降低至0.38時，試件的抗氯離子滲透性能提升并不明顯，這表明單一提升噴射混凝土的強度不能有效解決抗氯離子滲透性能較差的問題，大量研究表明在噴射混凝土中摻入適量的粉煤灰或硅灰，能夠顯著提升噴射混凝土抗氯離子滲透性能[20-21]。因此，建議在氯鹽侵蝕環(huán)境較為嚴(yán)重的水工隧洞工程中復(fù)摻一定比例的礦物摻合料如粉煤灰、硅灰等。

2.2.3 抗碳化性能

由于水工隧洞內(nèi)部環(huán)境相對封閉，空氣中二氧化碳濃度及溫濕度較高，噴射混凝土發(fā)生碳化的程度更高，碳化使得混凝土內(nèi)部堿性下降易引起鋼筋銹蝕，因而影響水工隧洞整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

由圖4(a)可知，不同試件在碳化前期碳化速度較快，碳化后期速度減緩。在成型工藝方面，模筑混凝土由于自身密實程度高，抗碳化性能明顯優(yōu)于噴射混凝土體系，其中無堿體系A(chǔ)FC30與有堿體系A(chǔ)KC30在28 d碳化齡期時的碳化深度分別為12.4 mm和13.3 mm，相對模筑混凝土分別增加24%和33%。有堿體系A(chǔ)KC30的抗碳化性能相比無堿體系A(chǔ)FC30略差，28 d碳化深度提高7.3%，一方面歸因于自身強度及致密性不足導(dǎo)致CO2早期擴散速度較快，另一方面有堿速凝劑的有效成分在水化過程中生成了大量堿性化合物如氫氧化鈣等，使得可碳化物質(zhì)含量增加，同時碳化過程中不斷生成CaCO3等物質(zhì)充填在孔隙中從而緩解CO2進一步侵入。同為無堿體系，C30噴射混凝土的抗碳化性能優(yōu)于C25噴射混凝土，其28 d碳化深度降低21.5%。

由圖4(b)可知，C30噴射混凝土的抗碳化性能隨著水灰比的增加而下降，0.45水灰比(質(zhì)量比)時的28 d碳化深度相比0.40水灰比(質(zhì)量比)提高29.8%。碳化前期四種不同水灰比試件的碳化深度差距不大，隨著碳化時間的延長差距愈加明顯。水灰比增加，混凝土的孔隙率增大，密實性下降，有利于CO2的擴散，同時水泥用量相對減少，可碳化物質(zhì)的生成量降低，碳化速度因此加快[22]。當(dāng)水灰比(質(zhì)量比)降低至0.38時，C30噴射混凝土的28 d碳化深度相比水灰比(質(zhì)量比)0.40時下降24.2%，說明控制水灰比是提升噴射混凝土抗碳化性能的有效措施。

3 結(jié)論

試驗以C30噴射混凝土為研究對象，分析不同成型工藝(濕噴法、模筑法)、水灰比(質(zhì)量比)(0.38,0.40,0.42,0.45)和速凝劑種類(無堿速凝劑、有堿速凝劑)對C30噴射混凝土力學(xué)及耐久性能的影響，并與C25噴射混凝土進行對比，主要結(jié)論如下：

1)成型工藝方面，由于噴射混凝土特殊的施工工藝以及速凝劑的影響，噴射混凝土的力學(xué)及耐久性能均不如同配比模筑混凝土。無堿體系C30噴射混凝土的56 d強度為同齡期模筑混凝土的82.4%，滲水高度為模筑混凝土的1.39倍，56 d電通量和氯離子遷移系數(shù)分別為模筑混凝土的1.13倍和1.07倍，28 d碳化深度相比模筑混凝土增加24%。

2)水灰比因素方面，在水泥用量一定的情況下，隨著水灰比的增大，噴射混凝土的力學(xué)及耐久性能均有所下降。以0.45水灰比(質(zhì)量比)為例，相比C30噴射混凝土基準(zhǔn)組(水灰比(質(zhì)量比)為0.40)，其56 d強度為基準(zhǔn)組的77.9%，滲水高度為基準(zhǔn)組的2.3倍，56 d電通量和氯離子遷移系數(shù)分別為基準(zhǔn)組的1.37倍和1.30倍，28 d碳化深度相比基準(zhǔn)組提高29.8%，建議在C30噴射混凝土配合比設(shè)計中將水灰比(質(zhì)量比)控制在0.40以內(nèi)，同時嚴(yán)禁在噴射作業(yè)前加水。

3)速凝劑種類方面，有堿速凝劑對噴射混凝土的不利影響高于無堿速凝劑。相比無堿體系C30噴射混凝土，有堿體系的56 d強度下降10.9%，滲水高度增加62.4%，56 d電通量和氯離子遷移系數(shù)分別增加13.5%和4.5%，28 d碳化深度提高7.3%，建議在重大工程中優(yōu)先選用無堿速凝劑。

4)強度等級方面，C30噴射混凝土相比C25噴射混凝土性能提升顯著。同為無堿體系，C30的56 d強度相比C25提高10.9%，滲水高度下降20.7%，56 d電通量和氯離子遷移系數(shù)分別下降20.6%和19.8%，28 d碳化深度下降21.5%。普通C30噴射混凝土的強度可以滿足配制要求，但耐久性能依然處于相對較低的水平，尤其是抗氯離子滲透性能難以滿足規(guī)范要求，建議在C30噴射混凝土中復(fù)摻適量的礦物摻合料等改性材料以綜合提升服役水平。