噴射混凝土抗碳化性能試驗研究

王家濱，牛荻濤，馬 蕊，關 虓

（西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055）

噴射混凝土是借助噴射機械，利用壓縮空氣將混凝土或一定比例的水泥、砂、石拌合料，通過軟管以高速噴射到受噴面上并快速凝結硬化的一種混凝土[1].與模筑混凝土相比，噴射混凝土因速凝劑的摻入而具有極短的終凝時間和高早齡期強度，故其廣泛應用于隧道初期及永久支護、礦山巷道支護、道路邊坡以及結構加固及維修等領域[2-3].在現代隧道襯砌結構設計過程中，以噴射混凝土為主體的單層襯砌成為未來發展趨勢[4].而在隧道運營過程中，隧道尤其是海底隧道，因其內部環境相對封閉，空氣中二氧化碳濃度及溫濕度較高，使襯砌結構抗碳化性能減弱，最終導致鋼筋的銹蝕及結構承載力及可靠度下降，威脅隧道襯砌結構耐久性、使用壽命及安全運營[5].

近年來，國內外學者對噴射混凝土抗碳化性能進行了部分研究.SangPilLee[6]對無堿速凝劑噴射混凝土進行了快速碳化試驗，56 d后碳化深度為7 mm；SangJoon Ma[7]采取室外暴露試驗方法對噴射混凝土抗碳化性能進行了研究，認為硅灰的摻入對噴射混凝土長期抗碳化性能有利；JongPilWin[8]等對高性能噴射混凝土進行了研究，伴隨著硅灰的加入，噴射混凝土抗碳化性能減弱.王志杰[9]等對纖維噴射混凝土耐久性進行了研究，認為鋼纖維的加入可以改善噴射混凝土抗碳化性能，減小碳化速率；歐陽幼玲[10]等對鋼纖維和仿鋼纖維噴射混凝土抗碳化性能進行了研究，結果表明仿鋼纖維噴射混凝土長期抗碳化性能好.以上文獻雖對噴射混凝土抗碳化性能進行了研究，但未對碳化后噴射混凝土力學性能及微觀結構進行分析.

本文通過快速碳化試驗，對噴射混凝土抗碳化性能進行研究，并與同配合比模筑混凝土進行對比，并引入施工工藝影響系數及鋼纖維影響系數，建立噴射混凝土碳化深度預測模型.同時，對碳化后噴射混凝土微觀結構進行觀察，分析微觀結構變化對其力學性能的影響，為進一步研究噴射混凝土耐久性提供參考.

1 試驗

1.1 試驗材料及配合比

水泥為陜西寶雞海螺牌P O 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為陜西寶源集團II級粉煤灰，細集料為細度模數3.4的河砂，粗集料為連續級配瓜米石，最大粒徑10mm.速凝劑為山西桑穆斯建材化工生產無堿速凝劑；減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，減水率為27%.試驗原材料化學組成示于表1.試驗噴射混凝土水膠比為0.43，砂率50%，減水劑摻量為1%，速凝劑摻量為4%，其配合比示于表2.

表1 試驗材料化學組成 質量分數/%Tab.1 The chem istry composition of raw materials

表2 噴射混凝土配合比 kg/m3Tab.2 M ix proportion of sprayed concrete

1.2 試件制作

噴射混凝土試件取自寶雞至蘭州客運專線麥積山隧道施工現場，采用噴大板法進行制作，大板尺寸為1 000×500×120mm.大板成型3 h后拆模，放入隧道中自然養護7 d，而后使用巖石切割機將噴射混凝土大板切割成標準試件并將其置于標準養護室養護至28 d，最后將試件置于室外自然養護至試驗齡期.

1.3 試驗方法

噴射混凝土碳化試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082-2009）中規定進行，首先將試件置于鼓風干燥箱中60℃烘干48h，然后采用環氧樹脂將試件進行密封，只保留一組100mm×300mm對面作為碳化面，而后在碳化箱中進行快速碳化試驗，試驗環境為：CO2濃度為（20%±3%），濕度（70%±5%），溫度（20%±2%）.快速碳化試驗共進行5個齡期，分別為7 d、14 d、28 d、42 d和56 d.到達齡期后將試件置于壓力機上劈開，將1%酒精酚酞溶液均勻噴在清掃干凈的斷面上，待酚酞顯色后測量試件的碳化深度.同時，測量試件劈裂抗拉強度和立方體抗壓強度.而后，從試件碳化區中隨機取樣并剔除骨料，采用掃描電鏡對碳化后噴射混凝土微觀結構進行分析.

1.4 試驗設備

快速碳化試驗采用北京數智意隆 CCB-70W 型混凝土碳化試驗箱；試件抗壓強度測定采用無錫建儀TYA-2000型電液式壓力試驗機，精度0.1 kN，量程2 000 kN；劈裂抗拉強度測定采用濟南天辰YES-600型數顯式液壓壓力試驗機，精度0.01 kN，量程600 kN；碳化后試件微觀結構采用日本日立產S4800型冷場發射掃描電鏡進行觀察.

2 試驗結果與討論

2.1 碳化深度

試件碳化深度及相對增長率示于圖1.從圖1可以看出，試件碳化深度均隨碳化齡期的增長而增大.碳化齡期56 d時試件碳化深度相對于7 d分別增大1.89倍、2.11倍與3.23倍.與同齡期模筑混凝土相比，噴射混凝土各齡期碳化深度均較小：碳化齡期7 d時普通噴射混凝土碳化深度僅為模筑混凝土的53.5%，且隨著碳化齡期的增長，兩者之間差值增大，當碳化至56 d時，普通噴射混凝土僅為模筑混凝土的57.4%.其原因為：模筑混凝土在成型過程中，試件表面因振搗而產生浮漿.在膠凝材料水化過程中，其內部產生大量干縮裂縫且密實度小，這為二氧化碳的入侵提供通道.而噴射混凝土在成型過程中，水泥漿體及骨料在空氣壓力作用下受到連續沖擊得以壓實，混凝土密實度顯著提高，阻礙二氧化碳的進入，使得噴射混凝土具有較好的抗碳化性能.

此外，通過對比試件S及SFRS可以發現，鋼纖維噴射混凝土各齡期碳化深度遠小于普通噴射混凝土，碳化56 d時試件SFRS碳化深度為試件S的64.77%，為試件OC的37.2%.其原因為鋼纖維的摻入可有效抑制噴射混凝土早期干縮裂縫的產生和發展，同時緩解因碳化造成的碳化收縮裂縫的產生，阻礙二氧化碳的侵入，從而提高試件的碳化性能.

2.2 碳化后力學性能

試件力學性能與碳化深度變化規律示于圖2.從圖2可看出，試件力學性能隨著碳化深度的增加呈線性增大.與模筑混凝土相比，噴射混凝土抗壓強度增長幅度較大.碳化56 d時，噴射混凝土抗壓強度增長率為模筑混凝土的2.89倍，而劈裂抗拉強度僅為1.25倍.對于鋼纖維噴射混凝土，劈裂抗拉強度增長規律較為明顯.這是因為混凝土在碳化過程中，碳化產物填充于內部毛細連通孔及界面過渡區中，使混凝土密實度增大.與模筑混凝土相比，噴射混凝土本身密實度較高，少量碳化產物填充后就可獲得較高的強度增長率.對于鋼纖維噴射混凝土，劈裂抗拉強度主要取決于纖維-基體界面粘結應力，碳化后產物填充于界面中，使界面粘結應力增大，斷裂能提高，劈裂抗拉強度相應增大.

2.3 碳化深度預測模型

近年來，國內外學者針對混凝土碳化深度提出多種預測模型[11]，雖然它們表達形式不一，但都可統一表達為

圖1 試件碳化深度經時變化規律Fig.1 Theongoing changeof specimensunder carbonation

圖2 試件力學性能與碳化深度變化規律Fig.2 The change law of specimensbetweenmechanicalproperties and carbonation depth

式中： 為碳化深度； 為碳化影響系數； 為碳化時間.

根據圖1數據，得出噴射混凝土碳化深度經時變化規律.噴射混凝土碳化經時變化規律與模筑混凝土相似，及碳化初期增長速率較大、后期碳化速率較小.

對不同碳化齡期試件碳化深度進行擬合，得出

模筑混凝土：

噴射混凝土：

鋼纖維噴射混凝土：

在模筑混凝土碳化模型基礎上，考慮施工工藝影響系數和鋼纖維影響系數，式 ( 2)可以改寫為

式中： 為施工工藝影響系數； 為鋼纖維影響系數.

將式 (5)與式 (3)和式 (4)進行對比，可以得出： =0.57， =0.67（鋼纖維摻量按50 kg/m3加入）.從 及 可以看出，噴射施工工藝可提高混凝土抗碳化性能，而鋼纖維的加入可顯著提高噴射混凝土的抗碳化性能.

2.4 碳化后噴射混凝土微觀結構

2.4.1 微觀結構變化

噴射混凝土碳化后掃描電鏡照片示于圖3.從圖3中可以看出，未腐蝕的噴射混凝土內部存在長度50 m左右微裂縫，而大量鈣礬石晶體均勻穿插分布在裂縫的水化程度較差的層狀CSH凝膠體中，而這些晶體存在即為CaCO3的成核提供有利場所，且此處碳化反應速率相對較快；碳化7 d時，試件內部氣孔孔壁明顯光滑，且從孔壁邊緣出現呈絲狀的碳化產物；碳化齡期14 d時，試件內部鈣礬石晶體逐漸消失，碳化產物CaCO3以鈣礬石晶體為晶核并開始生長為 CaCO3晶須（示于圖4）；隨著碳化繼續進行，CaCO3晶須不斷長大并相互交叉、聚合成為聚合體，并填充于試件內部孔洞及微裂縫中；同時，CSH凝膠與二氧化碳氣體反應生成碳酸鈣并沉積于氣孔表面，使試件中微氣孔孔壁光滑，但氣孔形貌發生變化，由未碳化時近乎圓形截面變為近似橢圓形截面；碳化56 d時，噴射混凝土內部大孔徑孔不復存在，小孔徑孔數量上升，試件氣孔率減小，密實度增加，故碳化后試件力學性能增大.

圖3 噴射混凝土碳化后掃描電鏡照片Fig.3 The SEMsof shotcreteunder carbonation

2.4.2 孔結構變化

不同碳化齡期下噴射混凝土孔結構照片示于圖5.從圖5中可看出，未碳化之前，試件凝膠體中存在大量微小且形狀均勻的微氣孔，隨著碳化的進行，試件孔中出現團狀、層狀堆積的碳化產物，且試件微孔孔壁由粗糙變為光滑；隨著碳化進一步發展，試件中微孔被堆積的腐蝕產物阻塞，試件孔隙率減小，密實度增加.

噴射混凝土碳化時，外界CO2擴散至混凝土內部，并溶解于孔隙液中，與液相中Ca2+發生反應，使得孔隙液中Ca2+濃度不斷減小，而固相Ca OH2不斷溶解并補充Ca2+的不足；碳化7 d時，噴射混凝土內原本形貌規則的Ca OH2已不復存在；另一方面，碳化生成的溶解度極低的CaCO3，這些CaCO3微晶有選擇的在試件毛細孔壁粗糙的部位選擇成核、結晶并不斷長大；碳化28 d大量不規則球形CaCO3聚合體沉積于混凝土孔隙中且出現節理較為明顯的碳化產物CaCO3；碳化齡期大于42 d時，毛細孔隙內CaCO3相互連接并形成密實度較高的團狀填充物，直徑達10 m以上，此時噴射混凝土中部分大孔已被填實；同時由于Ca OH2、鈣礬石及CSH等碳化物質不斷消耗，使得噴射混凝土內部孔徑1 m孔徑微孔的數量有所增加.

圖5 噴射混凝土碳化后孔結構照片Fig.5 The poresstructure SEMsof specimen under carbonation

綜上所述，由于噴射混凝土中孔洞、裂縫等內部缺陷的存在，使得噴射混凝土的局部碳化速率較快，其宏觀表現為混凝土局部的碳化深度較大，碳化深度的離散性較大.此外，隨著碳化不斷進行，CaCO3填充于混凝土孔洞及裂縫中，有效改善了噴射混凝土的內部缺陷，其密實度有所提高，宏觀表現為隨著碳化齡期的增加，噴射混凝土的力學性能顯著提高.

3 結論

試驗采用快速碳化法，對同配合比模筑混凝土、噴射混凝土及鋼纖維噴射混凝土碳化深度及碳化后力學性能進行研究，同時對碳化后噴射混凝土微觀結構變化進行分析，得出結論.

1）施工方式對混凝土的密實度影響很大，是影響混凝土碳化深度的重要影響因素之一.隨著碳化齡期增加，試件碳化深度逐漸增大且噴射混凝土各齡期碳化深度顯著低于模筑混凝土；同時，噴射混凝土力學性能隨碳化深度的增加呈線性增長.

2）鋼纖維的摻入能有效提高噴射混凝土的抗碳化性能，與未摻鋼纖維混凝土相比，其碳化速率明顯減小，且力學性能隨著碳化齡期增長而增大，劈拉強度增長率更大.

3）噴射混凝土碳化深度隨時間單調增長，其增長速率早期快、后期較慢.同時，為了建立噴射混凝土碳化深度模型，引入施工工藝影響系數及鋼纖維影響系數，其與試驗實測值吻合較好.

4）通過對碳化后噴射混凝土微觀結構進行分析后表明：噴射混凝土中原始微氣孔及裂縫等缺陷的存在，為CO2的進入提供通道；同時，缺陷內部的鈣礬石晶體為CaCO3晶體的成核及生長提供有利的場所，使其局部區域的碳化反應速度加快.在碳化過程中，隨著Ca OH2等可碳化物質的消耗，碳化產物CaCO3的不斷積累，將毛細孔堵塞，噴射混凝土的孔結構及微觀形貌發生變化；碳化后期，噴射混凝土中小孔徑孔數量增加，大孔徑孔消失，密實度提高.

[1]A lum Thomas.Sprayed concrete lined tunnel[M].New York：Tayloramp;Francis，2012：9.

[2]Maltese C，PistolesiC，Bravo A，etal.A casehistory：Effectofmoistureon the setting behaviorof a Portland cement reactingwith an alkali-free accrlerator[J].Cem Concr Res，2007，37（6）：856-865

[3]Christopher K Y Leung，Raymond Lai，Augustus Y F Lee.Properties of wet-m ixed fiber reinforced shotcrete and fiber reinforced concretew ith sim ilar composition[J].Cementand Concrete Research，2005，35（4）：788-795.

[4]杜國平，李曉紅，宋戰平.纖維噴射混凝土單層襯砌施工技術探討 [J].隧道工程，2010，69（9）：8-12.

[5]姜福香，趙鐵軍，蘇卿，等.海底隧道襯砌混凝土耐久性研究 [J].混凝土，2007，19（12）：19-22.

[6]Sangpil Lee，Donghyun Kim，Jonghyun Ryu，etal.An experimental study on the durability of high performance shotcrete for permanent tunnel support[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2006，21（3）：431.

[7]Sang Joon Ma，Phil Sung Jang，Dong M in Kim，etal.Evaluation of themechanical properties of field-cast shotcrete and long-term durability by conbined deterioration test[J].Journalof the Korea Concrete Institute，2007，19（1）：47-56.

[8]Jong PilWon，Hwang Hee Kim，Chang Il Jang，etal.Durability characteristicsof high performance shotcrete for permanentsupportof large size underground space[J].Journalof the Korea Concrete Institute，2007，19（6）：701-706.

[9]王志杰，王奇，孟祥磊，等.纖維噴射混凝土的耐久性試驗研究 [J].混凝土，2014，，01：93-97.

[10]歐陽幼玲，陳迅捷，陸采榮，等.鋼纖維和仿鋼纖維噴射混凝土性能 [J].東南大學學報，2010，40（S2）：44-48

[11]曹明莉，丁言兵，鄭進炫，等.混凝土碳化機理及預測模型研究進展 [J].混凝土，2012（9）：35-40.