高性能噴射混凝土技術(shù)研究

　　摘　要　高性能噴射混凝土是具有高工作性、高耐久性等諸多優(yōu)越性能的噴射混凝土。為配制這種混凝土，提出了如降低用水量等6項(xiàng)具體措施，提高了混凝土強(qiáng)度等；回彈率降到10%以下；粉塵率降到20mg/m³以下，并有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

　　關(guān)鍵詞　高工作性　高耐久性　噴射混凝土

　　1　高性能噴射混凝土研究目標(biāo)

　　高性能噴射混凝土是指具有高工作性(低回彈率和低粉塵)、高耐久性(高強(qiáng)度、高抗?jié)B、高抗碳化、高耐腐蝕)諸多優(yōu)越性能的優(yōu)質(zhì)噴射混凝土。高性能噴射混凝土的設(shè)計(jì)思想是，不以強(qiáng)度為唯一的指標(biāo)，而以耐久性為主要指標(biāo)。這是它與傳統(tǒng)噴射混凝土設(shè)計(jì)的主要區(qū)別。

　　經(jīng)過調(diào)查，在我國過去的噴射混凝土支護(hù)中，達(dá)到設(shè)計(jì)要求而后期破環(huán)的屢見不鮮。堿―骨料反應(yīng)導(dǎo)致的強(qiáng)度降低、表面開裂、剝落、甚至坍塌，錨桿銹蝕外露、滲水漏水等問題，足以說明在噴射混凝土設(shè)計(jì)中，應(yīng)將耐久性指標(biāo)放在第一位。噴射混凝土強(qiáng)度一般為C15和C20，為了達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，巷道挖掘斷面大，噴射混凝土數(shù)量大；同時(shí)，干法施工的噴射混凝土回彈率高，粉塵大，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，施工效率低，施工質(zhì)量差，距離高性能噴射混凝土的要求甚遠(yuǎn)。如把噴射混凝土施工工藝分為3個(gè)階段，即噴射階段、硬化早期和硬化后期，則高性能噴射混凝土在各階段的性能特點(diǎn)要求如下：

　　(1)噴射階段。具有高粘聚性、附著性，回彈率低、粉塵??；

　　(2)硬化早期。早凝、早強(qiáng)，化學(xué)縮減小，干縮小；

　　(3)硬化后期。強(qiáng)度適應(yīng)，高抗?jié)B、高抗碳化、高耐腐蝕。

　　按質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求，通過采取各種措施,、叉車，使其達(dá)到各個(gè)階段的性能指標(biāo)，最終用耐久性指標(biāo)：滲透系數(shù)、碳化系數(shù)、腐蝕系數(shù)、干縮系數(shù)、長期強(qiáng)度來衡量。當(dāng)然，在施工時(shí)還要測(cè)定回彈率和粉塵率。

　　2　達(dá)到高性能的具體技術(shù)措施

　　為了達(dá)到高工作性和高耐久性的目標(biāo)，我們采取以下技術(shù)措施。

　　2.1　降低用水量，降低孔隙率

　　密實(shí)的混凝土明顯具有較高的強(qiáng)度。研究表明，硅酸鹽水泥在水化過程中所需的水灰比僅為0.22。因此，用水量大導(dǎo)致后期水分蒸發(fā)后孔隙率加大，將會(huì)降低混凝土強(qiáng)度?；炷粱w的孔隙率每減少1%，其強(qiáng)度幾乎可以增長10%；基體的孔隙主要來自拌和水過多而產(chǎn)生的凝膠孔與毛細(xì)孔。由于在高性能噴射混凝土中要使用許多活性摻和料和多種外加劑，用水量要增加，僅用水泥水化的水灰比是不夠的，要根據(jù)水泥用量和摻和料的品種、數(shù)量確定合適的用水量。在實(shí)驗(yàn)中，水灰比為0.45左右。

　　2.2　選擇適宜的骨料

　　(1)骨料的強(qiáng)度。采用高強(qiáng)度巖石碎粒做骨料，無疑是高性能噴射混凝土的首要選擇。但是，混凝土的強(qiáng)度除了取決于骨料本身的強(qiáng)度外，還取決于水泥漿與骨料的粘結(jié)強(qiáng)度,二手裝載機(jī)。骨料表面粗糙，界面粘結(jié)強(qiáng)度高，因而碎石比卵石要好。

　　(2)骨料的粒徑。試驗(yàn)表明，混凝土的強(qiáng)度隨著骨料粒徑的減小而提高。骨料最大粒徑減小，不僅增加了骨料與水泥漿的粘結(jié)面積，而且容易拌和均勻，骨料周圍有害氣體減少，水膜減薄，從而提高了混凝土強(qiáng)度。因此，使用小粒徑的骨料較好。根據(jù)研究，大粒徑骨料產(chǎn)生的回彈率也高。我們選用粒徑5～10mm的碎石做粗骨料。

　　(3)骨料與水泥漿的相容性。要想獲得較好的界面結(jié)構(gòu)，骨料與水泥漿在化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上應(yīng)是相容的。只有這樣，水泥水化形成的產(chǎn)物才能與骨料表面物質(zhì)互相接觸連生而形成一個(gè)整體。試驗(yàn)表明，硅酸鹽水泥與硅質(zhì)骨料相容較好。

　　(4)粗、細(xì)骨料的比例。粗、細(xì)骨料的比例通常取決于骨料的級(jí)配與形狀。根據(jù)研究，高性能混凝土中骨料體積的最佳比例為65%，其中細(xì)骨料占骨料總量的40%，因此，粗、細(xì)骨料的體積比為3∶2。

　　2.3　提高膠結(jié)料與骨料界面的強(qiáng)度

　　從骨料與膠結(jié)料之間的界面結(jié)構(gòu)看，界面過渡層厚約在20μm范圍內(nèi)，Ca(OH)₂富集并定向排列，與其它部分的水泥石相比是一種多孔質(zhì)的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度低。為了改善其界面結(jié)構(gòu)，采取以下措施：

　　(1)采用水泥裹砂工藝。即將處理過的砂(有一定含水率，雜質(zhì)少)與水泥預(yù)先拌和，在砂子的吸附作用下，水泥在砂粒表面形成1個(gè)外殼。噴敷時(shí)，表面水增加，稀砂漿中水的移動(dòng)受到約束，從而顯著減少泌水，稠料漿殼體同時(shí)阻止了粗骨料沉降，使離析現(xiàn)象大為減少，也使回彈率降低。通過試驗(yàn)，水泥裹砂法可提高強(qiáng)度10%以上。

　　(2)采用水泥裹石工藝。與水泥裹砂法不同的是，水泥裹石法是控制石子表面的含水量，將一定含水量的石子預(yù)先與水泥拌和。由于石子的吸附作用，石子被水泥顆粒所包裹，噴敷時(shí)，表面水增加，水的移動(dòng)受到約束，從而顯著地減少泌水，阻止了骨料的沉降，回彈率大大降低，界面強(qiáng)度大大提高。通過試驗(yàn)，水泥裹石法可提高強(qiáng)度20%以上。

　　2.4　摻入活性摻和料

　　水泥水化是一個(gè)逐步發(fā)展的過程。根據(jù)研究，28d齡期時(shí)，水泥中各種礦物成分的水化程度約為11%～84%，水泥的實(shí)際利用率僅為60%～70%，相當(dāng)一部分水泥起到填充作用。這部分未水化水泥中的CaO，后期遇水后生成Ca(OH)2，體積膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，給后期強(qiáng)度帶來不利影響，已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。摻入活性礦物質(zhì)摻和料，可以促進(jìn)水泥水化產(chǎn)物的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，提高強(qiáng)度，并可以用來置換一部分水泥。經(jīng)過研究，沸石粉是一種很好的活性摻和料。它是由天然沸石巖經(jīng)過磨細(xì)而成的粉狀材料，主要成分為SiO2與Al2O3。它所含的活性成分能與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成含水硅酸鈣凝膠與含水鋁酸鈣凝膠。新生成的水化物使水泥石結(jié)構(gòu)更加致密，從而不僅使噴射混凝土的致密性和抗壓強(qiáng)度提高，而且，耐久性也得到改善。摻入的沸石粉重量占水泥重量的10%。

　　2.5　選擇適宜的外加劑

　　為了降低用水量，降低回彈率和粉塵率，使噴射混凝土早凝早強(qiáng)，必須使用外加劑。選用了以下幾種外加劑：

　　(1)SCR聚合劑。它是一種纖維素類抗分散劑。噴射混凝土拌合物顆粒之間粘結(jié)力很小，各組分的密度、粒徑也各不相同，由于水和自重的作用，混凝土極易分散，極易從噴壁上掉落。使用SCR聚合劑有兩種作用：①SCR聚合劑中含有長鏈結(jié)構(gòu)的高分子化合物，它將細(xì)微顆粒吸附到分子鏈上，通過細(xì)微顆粒之間的縱橫交叉，把許多顆粒連接在一起，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；②SCR聚合劑是一種表面活性物質(zhì)，它改變了顆粒表面的電位，降低了粒子間的排斥作用，增大了粒子間的相吸作用。由于上述兩種作用的結(jié)果，在宏觀上表現(xiàn)為凝聚作用，幾乎不泌水，提高了拌合物的粘性，增強(qiáng)了抗分散能力，從而對(duì)噴射混凝土降低回彈率、降低粉塵率起到關(guān)鍵作用。SCR聚合劑的摻量以0.4%～0.5%為宜，摻量過多有緩凝作用。

　　(2)膨脹劑?；炷恋脑缙谑湛s嚴(yán)重影響后期強(qiáng)度及抗?jié)B能力。要改善這些性能，必須從限制或縮小混凝土的早期收縮入手?；炷僚蛎泟├枚嘞嗟V物的緩釋性膨脹反應(yīng)，對(duì)混凝土的收縮產(chǎn)生明顯的補(bǔ)償作用，從而顯著地提高混凝土的強(qiáng)度及抗?jié)B性能。摻入膨脹劑后，早期膨脹速度較快，后期膨脹速度很慢，這正好適應(yīng)水泥硬化過程中體積收縮補(bǔ)償?shù)男枰?。硬化后期，部分膨脹轉(zhuǎn)移到水泥石結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙及裂縫中，從而使水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密。摻入膨脹劑，使水泥混凝土在硬化過程中持續(xù)地生成較多的針柱狀鈣礬石晶體，這些晶體會(huì)隨時(shí)間而不斷長大連生，并向阻力較小的空隙生長發(fā)育；這一過程又伴有C―S―H凝膠的大量交織產(chǎn)生，這些都進(jìn)一步堵塞各種孔洞，從而使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步改善，抗?jié)B性能進(jìn)一步提高。膨脹劑的摻量為5%。

　　(3)低彈速凝劑。這是我們的研究成果，1995年3月通過河南省煤炭廳鑒定。我們經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)研究，選出合適輔料，制成可降低速凝劑堿性、增加噴射料粘性的復(fù)合水泥速凝劑，使用時(shí)摻量為水泥重量的4%。

　　2.6　制訂詳細(xì)的操作規(guī)程

　　工人的操作技術(shù)水平極大地影響著噴射混凝土的質(zhì)量。上述技術(shù)措施，與傳統(tǒng)的噴射混凝土作業(yè)又有較大的區(qū)別。在噴射前，需要預(yù)先進(jìn)行水泥裹砂和水泥裹石作業(yè)。另外，摻入了活性摻和料和多種外加劑，工序較以往復(fù)雜得多。各個(gè)工序有先后次序，否則，將達(dá)不到預(yù)期效果。所以，必須制訂詳細(xì)的操作規(guī)程，對(duì)工人進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)。工人必須嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)程操作。

　　3　結(jié)　語

　　(1)采用水泥裹砂和水泥裹石工藝，噴射混凝土骨料與膠結(jié)料的界面結(jié)構(gòu)大大改善；摻入活性摻和料,二手平地機(jī)，又促進(jìn)了水泥水化反應(yīng)，其結(jié)構(gòu)更加致密。它們共同作用的結(jié)果使得混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B能力、抗碳化能力、防腐蝕能力等耐久性大大提高。

　　(2)通過使用多種外加劑，噴射混凝土的回彈率降低到10%以下，粉塵量降低到20mg/m³以下，工作性能大大改善，并有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。