高強(qiáng)度低回彈噴射混凝土性能分析

摘要：針對普通噴射混凝土在噴射過程中易出現(xiàn)強(qiáng)度不足、回彈率高的特點(diǎn)，文章提出在噴射混凝土中摻入一種增強(qiáng)劑，用來改善噴射混凝土工作性能，降低噴射混凝土回彈率。試驗(yàn)結(jié)果表明：增強(qiáng)劑摻量為8%時，相比普通噴射混凝土，28 d齡期抗壓強(qiáng)度提高了55.40%，碳化深度減少了0.73 mm，滲透深度減少了13.59 mm，粘結(jié)強(qiáng)度提高了70.93%，采用螺旋線方式成型的混凝土回彈率降低了12.25%；摻入適量增強(qiáng)劑的噴射混凝土具有良好和易性，其內(nèi)部孔隙密實(shí)、力學(xué)性能好、抗碳化和滲透性能優(yōu)良、粘結(jié)強(qiáng)度高、回彈率低。

關(guān)鍵詞：噴射混凝土；碳化性能；滲透性能；粘結(jié)強(qiáng)度；回彈率

中文分類號：U416.03A351113

0引言

隨著高速公路快速發(fā)展，隧道在新建公路工程中的占比越來越大，噴射混凝土需求量明顯提高。普通噴射混凝土回彈率高、施工粉塵大、噴涂層相對不平整。隨著隧道開挖向巖層深層發(fā)展，爆破開挖時圍巖壓力會驟放，普通噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)可能無法承受深開挖隧道帶來的高壓力而受到破壞，無法滿足安全施工的要求［1-3］。因此，如何提升噴射混凝土性能成為當(dāng)前亟須解決的難題。方江華［4］研究了輕骨料噴射混凝土工作性能，發(fā)現(xiàn)相較于普通混凝土，輕骨料噴射混凝土的力學(xué)性能更佳。王家濱等［5］對不同摻量和水灰比的粉煤灰和鋼纖維噴射混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)摻硅灰噴射混凝土早期強(qiáng)度較高、水化熱過快，容易出現(xiàn)裂縫；蔣愛玲［6］將膨潤土添加劑應(yīng)用于噴射混凝土，發(fā)現(xiàn)噴射混凝土強(qiáng)度滿足施工要求，但耐久性相對較差。

從上述研究成果可以看出，替換骨料、添加外加劑及調(diào)整濕噴配合比等措施均能在一定程度提高噴射混凝土使用性能。但隨著隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜性提高，對噴射混凝土的支護(hù)性能提出更高的要求，如何配備出強(qiáng)度高、回彈率低、耐久性好的高性能噴射混凝土至關(guān)重要。因此，本文研發(fā)設(shè)計(jì)一種價(jià)格低廉、以火山灰礦物為主要成分的增強(qiáng)劑，探討不同增強(qiáng)劑摻量的噴射混凝土組成設(shè)計(jì)的適應(yīng)性，通過坍落度、擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度、碳化深度、滲透性能、粘結(jié)性能及回彈量等性能試驗(yàn)，對比分析不同摻量增強(qiáng)劑噴射混凝土性能的變化規(guī)律，旨在提高噴射混凝土工作性能。

1試驗(yàn)

1.1原材料

1.1.1水泥

試驗(yàn)用水泥來源于廣西魚峰水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，燒失量為1.41，水泥細(xì)度為0.025 mm，初凝時間為227 min，終凝時間為386 min，所用試驗(yàn)水泥化學(xué)成分如表1所示。

1.1.2粗骨料

粗骨料為外購5～10 mm機(jī)制碎石，粗骨料性能指標(biāo)結(jié)果見表2。

1.1.3細(xì)骨料

細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)骨料性能指標(biāo)見表3。

1.1.4外加劑

外加劑包括無堿液體速凝劑、減水率30%的聚羧酸減水劑、以火山灰礦物為主的增強(qiáng)劑，其化學(xué)成分與物化性能指標(biāo)如下頁表4所示。

1.2試驗(yàn)方案

采用內(nèi)摻法確定增強(qiáng)劑的摻入量，內(nèi)摻量共設(shè)置5個梯度變量，分別取2%、4%、6%、8%、10%，噴射混凝土配合比如下頁表5所示。

2噴射混凝土性能試驗(yàn)

2.1坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)

按照《公路水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420-2020）將新拌混凝土分三層裝入坍落度圓錐筒內(nèi)，每層均勻搗插25次，最后在10 s內(nèi)將圓錐筒豎直上提，并測定其坍落度和擴(kuò)展度。坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，在水灰比保持不變前提下，隨著增強(qiáng)劑摻量的增加，噴射混凝土的坍落度和擴(kuò)展度逐漸降低，噴射混凝土性能有所下降。為了保證增強(qiáng)劑噴射混凝土的工作性能，需要對增強(qiáng)劑摻量進(jìn)行控制。

2.2力學(xué)性能

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002）成型100 mm100 mm100 mm試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。齡期分別為1 d、3 d、7 d、28 d，不同摻量增強(qiáng)劑噴射混凝土試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，增強(qiáng)劑與抗壓強(qiáng)度關(guān)系見圖1。

由表7和圖1可知，不同增強(qiáng)劑摻量下，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增加呈現(xiàn)出前期增長速度快、后期減慢的發(fā)展趨勢。齡期為1 d時，相比于不摻入增強(qiáng)劑，摻2%、4%、6%、8%、10%增強(qiáng)劑的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度分別降低了8.5%、18.3%、19.7%、22.5、26.7%，其主要原因是水泥發(fā)生水化反應(yīng)的速度更快于增強(qiáng)劑，表現(xiàn)為噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著增強(qiáng)劑摻量的增加而降低；齡期為3 d時，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度隨著增強(qiáng)劑摻量增加呈先增加后減少趨勢，峰值為4%摻量；齡期為7 d和28 d時，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度隨著增強(qiáng)劑的增加而呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)趨勢，其中齡期為28 d時，相比于不摻入增強(qiáng)劑，摻2%、4%、6%、8%、10%增強(qiáng)劑的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加了30.9%、46.0%、50.3%、55.4%、57.6%，說明增強(qiáng)劑主要提高噴射混凝土的后期抗壓強(qiáng)度。

2.3碳化試驗(yàn)

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）進(jìn)行碳化性能試驗(yàn)，快速碳化箱內(nèi)二氧化碳濃度為20%、相對濕度為70%，齡期分別為3 d、7 d、14 d、28 d，不同摻量增強(qiáng)劑噴射混凝土碳化深度試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，不同增強(qiáng)劑摻量與碳化深度關(guān)系如圖2所示。

由表8和圖2可知，不同增強(qiáng)劑摻量下，噴射混凝土碳化深度隨著齡期的增加，總體呈現(xiàn)出前期快、后期緩慢的發(fā)展規(guī)律。在相同齡期下，隨著增強(qiáng)劑摻量的增加，噴射混凝土的碳化深度呈先變小后變大趨勢，其主要原因是噴射混凝土內(nèi)部存在互相連通的孔隙，摻入一定量的增強(qiáng)劑可以使混凝土的水化反應(yīng)更加徹底，減少內(nèi)部水分的散失，進(jìn)一步填充噴射混凝土內(nèi)的孔隙，增強(qiáng)噴射混凝土密實(shí)度，進(jìn)而有效阻礙了CO2與內(nèi)部混凝土的碳化反應(yīng)；當(dāng)噴射混凝土內(nèi)部增強(qiáng)劑摻量過多時，會限制噴射混凝土中水泥發(fā)生水化反應(yīng)，使得噴射混凝土內(nèi)部孔隙增多，碳化反應(yīng)加劇；齡期為28 d時，與不摻增強(qiáng)劑相比，摻2%、4%、6%、8%、10%增強(qiáng)劑噴射混凝土的碳化深度分別減少了0.22 mm、0.44 mm、0.55 mm、0.73 mm、0.50 mm。綜上所得，噴射混凝土抗碳化效果以增強(qiáng)劑摻量為8%時最佳，其次為6%摻量，再次為10%摻量。

2.4滲透試驗(yàn)

結(jié)合前文相關(guān)性能試驗(yàn)結(jié)果，選擇不摻入增強(qiáng)劑、摻6%、8%、10%增強(qiáng)劑噴射混凝土進(jìn)行滲透性試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：將在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d齡期的100 mm-100 mm-100 mm噴射混凝土立方體試塊取出，并在側(cè)面涂上一層約1～2 mm厚的石蠟進(jìn)行密封，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）進(jìn)行抗?jié)B透性能試驗(yàn)，結(jié)果如表9所示。

由表9可知，隨著增強(qiáng)劑摻量增加，噴射混凝土滲透深度呈先減少后增加趨勢，這與增強(qiáng)劑細(xì)度遠(yuǎn)小于水泥相關(guān)，其能更好填充水泥顆粒間空隙，相同水灰比情況下，噴射混凝土更加密實(shí)，從而減弱了水在噴射混凝土滲透效果；同時內(nèi)部增強(qiáng)劑摻量過多時，噴射混凝土中水泥水化反應(yīng)不充分，使得噴射混凝土內(nèi)部孔隙增多，其滲透深度變大。此外，與不摻增強(qiáng)劑相比，摻入6%、8%、10%增強(qiáng)劑噴射混凝土的滲透深度分別減少了10.75 mm、13.59 mm、12.99 mm，表明添加增強(qiáng)劑能顯著提高噴射混凝土的抗?jié)B性能，其中以摻入8%增強(qiáng)劑抗?jié)B透性能最佳。

2.5粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)

實(shí)際支護(hù)過程中噴射混凝土間應(yīng)力分布較為復(fù)雜，破壞時主要是以剪切滑移型破壞為主，因此本文增加粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)以評價(jià)摻入增強(qiáng)劑噴射混凝土的抗拉粘結(jié)強(qiáng)度性能。受試驗(yàn)室條件限制，本試驗(yàn)自行設(shè)計(jì)了粘結(jié)強(qiáng)度試塊方法：先將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d混凝土試塊100 mm×100 mm×100 mm切割成100 mm×100 mm×50 mm試塊，

采用無齒鋸對切割面進(jìn)行刻槽，將不同摻量增強(qiáng)劑新拌混凝土和原切割混凝土澆筑粘結(jié)在一起，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時間為7 d、28 d。用劈裂法求得新舊混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度值，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10可知，不摻增強(qiáng)劑的噴射混凝土粘結(jié)強(qiáng)度隨著齡期增加而降低，7 d粘結(jié)強(qiáng)度大于28 d粘結(jié)強(qiáng)度，其主要原因是噴射混凝土中的速凝劑使得水泥水化反應(yīng)加快，阻礙了噴射混凝土后期強(qiáng)度的形成；摻入6%、8%增強(qiáng)劑的粘結(jié)強(qiáng)度隨著齡期的增加而增強(qiáng)，這與增強(qiáng)劑主要提高噴射混凝土后期強(qiáng)度相關(guān)；齡期為28 d時，與不摻入增強(qiáng)劑噴射混凝土相比，摻入6%、8%增強(qiáng)劑噴射混凝土粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了44.17%、70.93%，說明增強(qiáng)劑可以顯著提高噴射混凝土的后期粘結(jié)強(qiáng)度，其中以8%增強(qiáng)劑粘結(jié)強(qiáng)度性能最佳。

2.6回彈率試驗(yàn)

結(jié)合滲透試驗(yàn)結(jié)果，選擇不摻增強(qiáng)劑、摻入8%增強(qiáng)劑噴射混凝土進(jìn)行回彈率對比分析?；貜椔试囼?yàn)采用大板法，試模尺寸為60 cm×60 cm×20 cm，噴射混凝土每次定量200 kg，噴射距離1.0 m，工作壓力0.4 MPa，噴射角度90°，試驗(yàn)采用反復(fù)噴射、S形噴射和螺旋線噴射三種噴射方式。噴射完畢，稱量回彈脫落至地面的混凝土并計(jì)算其占噴射混凝土總量的百分率，作為不同摻量增強(qiáng)劑噴射混凝土回彈率。試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

由表11可知，不同噴射方式顯著影響噴射混凝土回彈率，回彈率大小排序?yàn)椋悍磸?fù)噴射＞S形噴射＞螺旋線噴射；采用螺旋線噴射方式，與不摻增強(qiáng)劑相比，8%摻量噴射混凝土回彈率降低了15.76%，其主要原因是采用螺旋線噴射時，速凝劑與增強(qiáng)劑快速發(fā)生反應(yīng)，增強(qiáng)了噴射混凝土屈服應(yīng)力導(dǎo)致其流動性有所降低，使噴射混凝土混合料更好地嵌固噴層中。綜上所得，摻增強(qiáng)劑噴射混凝土宜與噴射面保持垂直且以螺旋線方式運(yùn)動時，噴射混凝土回彈率最低。

3現(xiàn)場應(yīng)用效果

廣西某高速公路隧道工程均為雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，隧道圍巖自穩(wěn)能力相對較差，無支護(hù)時易掉塊、塌方，巖體總體破碎、結(jié)合差，施工過程中采用摻入8%增強(qiáng)劑噴射混凝土選擇螺旋線式進(jìn)行現(xiàn)場試噴并測試其回彈率，成型100 mm-100 mm-100 mm試件開展7 d、28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如表12所示。

由表12可知，齡期為7 d、28 d時，增強(qiáng)劑噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為42.17 MPa、50.13 MPa，較普通混凝土分別增加了48.87%、50.04%；在拱頂、邊墻處增強(qiáng)劑噴射混凝土回彈率分別降低了34.58%、29.22%，這表明增強(qiáng)劑噴射混凝土更為均勻，泵送順暢、跌漿少、工作性能良好。

4結(jié)語

（1）噴射混凝土和易性受增強(qiáng)劑摻量影響顯著，增強(qiáng)劑摻量為8%時，噴射混凝土坍落度和擴(kuò)展度分別為145 mm、285 mm，均能滿足噴射混凝土泵送的技術(shù)要求。

（2）摻8%的增強(qiáng)劑噴射混凝土抗壓強(qiáng)度高，抗碳化和滲透性能良好，粘結(jié)強(qiáng)度高，回彈率較低，具有良好適應(yīng)性。

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作者簡介：李香寶（1989—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)項(xiàng)目安全管理工作。