濕噴混凝土速凝劑選擇及配合比設(shè)計(jì)方法

李良策(中交二公局第六工程有限公司，陜西西安 710075)

濕噴混凝土速凝劑選擇及配合比設(shè)計(jì)方法

李良策
(中交二公局第六工程有限公司，陜西西安 710075)

對(duì)無堿速凝劑和低堿速凝劑對(duì)混凝土強(qiáng)度影響研究，濕噴混凝土應(yīng)首選無堿速凝劑；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)大板強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可完善濕噴混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。

濕噴混凝土；速凝劑；配合比設(shè)計(jì)

濕噴混凝土是在噴射前已加水拌合混合料，濕噴混凝土不僅是一種施工材料，也是一種施工方法和澆筑過程。噴射混凝土是一種靈活、經(jīng)濟(jì)、快速的施工方法，同時(shí)要求機(jī)械化程度高，專業(yè)的操作工人[1]。噴射混凝土首次使用于1914年，經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，濕噴混凝土技術(shù)在也不斷改進(jìn)。噴射混凝土可用于很多不同的結(jié)構(gòu)，如混凝土修復(fù)，隧道，巷道，邊坡防護(hù)，甚至建筑物的藝術(shù)設(shè)計(jì)。由于我國(guó)引進(jìn)液體速凝劑和濕噴工藝的時(shí)間較短，選速凝劑和設(shè)計(jì)配合比缺乏標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)。因此，本文對(duì)濕噴混凝土速凝劑選擇及混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，為工程施工提供參考。

1.濕噴混凝土速凝劑選擇

1.1 速凝劑品種選擇

當(dāng)前工程施工中常用濕噴混凝土液體速凝劑分為無堿速凝劑和低堿速凝劑兩種。無堿速凝劑是指Na2O含量低于1%的堿凝速劑，屬于環(huán)保型產(chǎn)品。在施工環(huán)境良好情況下，使用無堿速凝劑可保證混凝土強(qiáng)度，使混凝土強(qiáng)度隨齡期正常發(fā)展，混凝土出現(xiàn)裂縫的幾率也更低，建筑物外觀完整性也更持久。低堿速凝劑是指堿含量在8～20%的速凝劑[2]。當(dāng)施工環(huán)境較差，使用低堿速凝劑可大量揮發(fā)至空氣，造成人員皮膚灼傷和呼吸系統(tǒng)刺激。不僅如此，混凝土強(qiáng)度也更低，更容易出現(xiàn)裂縫，地下水容易發(fā)生滲漏，影響建筑物外觀和耐久性。當(dāng)?shù)蛪A速凝劑中活性骨料含量在3%～4%時(shí)，低堿速凝劑還會(huì)帶入大量堿，建筑物更容易出現(xiàn)堿性骨料反應(yīng)。因此，合理選擇速凝劑品種對(duì)工程質(zhì)量具有總要意義。

1.1.1 速凝劑品種與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

將42.5普通硅酸鹽水泥，減水劑摻量為0.7%，膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)水灰比為0.52，膠砂比為1:2.5。將水泥砂漿和膠砂攪拌混合3min后，分別加入無堿速凝劑、低堿速凝劑，以及不加速凝劑。加入速凝劑后再次攪拌30s，獲得成型試件。對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，加入無堿速凝劑膠砂后，試件1d抗壓強(qiáng)度品偏低，摻加低堿速凝劑膠砂試件1d抗壓強(qiáng)度更高。無堿速凝劑和減水劑聯(lián)合使用，試件28d抗壓強(qiáng)度接近100%；而低堿速凝劑和減水劑聯(lián)合使用試件的28d抗壓強(qiáng)度更低，并且抗壓強(qiáng)度隨著參量增加呈下降趨勢(shì)。因此，低堿速凝劑雖然可短期內(nèi)混凝土的抗壓強(qiáng)度，但是低堿速凝劑對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度影響更大，使用無堿速凝劑混凝土的后期強(qiáng)度更好。

1.1.2 速凝劑對(duì)砂漿抗裂行的影響分析

將一定配合比砂漿裝入抗裂圓環(huán)，將成型圓環(huán)試件放于水泥恒溫養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行脫模處理（24h）。脫模處理例將試件放入干縮室內(nèi)，室內(nèi)溫度維持在（20±2）℃，相對(duì)濕度維持在（65±5）%，觀察混凝土試件出現(xiàn)裂縫的初始試件以及開裂后48h內(nèi)裂縫數(shù)量和最大裂縫寬度，對(duì)比不同速凝劑的抗裂性能。混凝土試件參數(shù)：減水劑摻量0.8%，水灰比0.5，膠砂比1:20。

從表1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻加無堿速凝劑混凝土試件的初始開裂時(shí)間更長(zhǎng)，達(dá)到120h，并且試件裂縫少，僅1條。而摻加低堿速凝劑混凝土試件的初始開裂時(shí)間段，僅7h。但是試件的裂縫數(shù)量更多，試件裂縫數(shù)多大6條。兩組試件出現(xiàn)裂縫48h內(nèi)最大裂縫寬度雖然無差異，但是低堿速凝劑試件的裂縫數(shù)量更多，總裂縫寬度也更大。摻加低堿速凝劑混凝土試件裂縫更多而初裂試件早的原因可能與速凝劑帶入堿量有關(guān)，速凝劑帶入的堿與水泥帶入的堿性質(zhì)相似，導(dǎo)致砂漿和混凝土的收縮特性更強(qiáng)，而混凝土堿含量更高不利于混凝土后期強(qiáng)度，混凝土出現(xiàn)堿骨料反應(yīng)更強(qiáng)。對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)裂縫數(shù)量調(diào)查結(jié)果也顯示參加低堿速凝劑的混凝土出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象更加普遍，而摻加無堿速凝劑的混凝土幾乎未出現(xiàn)裂縫。因此，噴射混凝土施工中應(yīng)首選無堿速凝劑。

表1 摻速凝劑水泥砂漿抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

2.混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

2.1 噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)的原材料

2.1.1 水泥

噴射混凝土一般采用水泥應(yīng)具有強(qiáng)度高、抗?jié)B性和耐久性好，應(yīng)優(yōu)先選用42.5，以上的普通硅酸鹽水泥，也可選擇含填料的水泥。如若含填料的水泥滿足早期強(qiáng)度要求，有利于后期變形。不同的水泥達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度的用水量不同，在其他條件相同的情況下，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較少的水泥，拌出的混凝土混合料和易性較好。噴射混凝土水泥多采用CEM II/B-M(S-LL) 42.5 N，該型號(hào)水泥已經(jīng)獲得監(jiān)理工程師批復(fù)（見MAR-005），其性能滿足EN 197-1:2011規(guī)范要求。

2.1.2 水

工程中多以飲用水作為拌和用水，而pH值小于4的酸性水和含硫酸鹽量（SO4，一）超過水量1%的水，含有影響水泥正常凝結(jié)與硬化的有害物質(zhì)的水均不得使用。噴射混凝土拌合用水經(jīng)過LLC Center檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)合格，滿足規(guī)范BS EN 1008:2002相關(guān)條款要求，適用于混凝土拌合。

2.1.3 外加劑

一是高效減水劑。歐洲地區(qū)冬季氣溫低，混凝土要求有M30的強(qiáng)度，V8抗?jié)B，M100的抗凍等級(jí)，因而必須使用高校減水劑。減水劑均屬表面活性物質(zhì)，其分子是由親水基團(tuán)和憎水基團(tuán)兩個(gè)部分組成。。如在水泥中加入適量的減水劑，由于減水劑的表面活性作用，致使憎水基團(tuán)定向吸附于水泥顆粒表面，親水基團(tuán)指向水溶液，使水泥顆粒表面帶有相同的電荷，在電斥力作用下，水泥顆粒互相分開，絮凝結(jié)構(gòu)解體，包裹的游離水被釋放出來，從而有效地增加了混凝土拌合物的流動(dòng)性[3]。高效減水，其減水率可達(dá)10%～20%，相應(yīng)增加強(qiáng)度15%～30%；由于減水劑的摻入，顯著地改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使混凝土的密實(shí)度提高，透水性降低，從而可提高抗?jié)B、抗凍、抗化學(xué)腐蝕及防銹蝕等能力。

二是引氣劑。引氣劑是指在砂漿攪拌過程中，能引入大量分布均勻的微小氣泡，能降低砂漿中調(diào)配水的表面張力，從而導(dǎo)致更好的分散性，減少砂漿混凝土拌合物的泌水、離析的添加劑[4]。氣劑的界面活性作用與減水劑相似，區(qū)別是減水劑的界面活性主要發(fā)生在液-固界面上，而引氣劑的界面活性主要發(fā)生在氣-液固界面上。引氣劑通過物理作業(yè)在砂漿中引入穩(wěn)定的微氣泡，這使?jié)裆皾{的密度降低，施工性更好，并且提高了濕砂漿的產(chǎn)量。

2.1.4 骨料

噴射混凝土所用細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)應(yīng)大于2.5，小于3.5的中砂或粗砂。噴射混凝土所用粗骨料最大粒徑不宜大于16mm。就噴射混凝土本身而言，碎石要優(yōu)于礫石，碎石表面更粗糙更容易粘附，但泵送不如礫石。機(jī)制砂的特點(diǎn)，偏粗，不光滑，吸水速度慢，在拌混凝土的時(shí)候要提前潤(rùn)濕或適當(dāng)加長(zhǎng)攪拌時(shí)間，提高混凝土坍損發(fā)生幾率。

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)水工混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，結(jié)合噴射混凝土特點(diǎn)，提出以下噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)方式。

2.2.1 確定噴射混凝土制配強(qiáng)度

噴射混凝土制配強(qiáng)度需要充分考慮設(shè)計(jì)強(qiáng)度、強(qiáng)度保證率、施工水平以及基準(zhǔn)強(qiáng)度與大板強(qiáng)度的差異。因此，可采用以下公式計(jì)算混凝土制配強(qiáng)度。概率度系數(shù)t參照《水工混凝土施工規(guī)范》（DT5144-2001）附錄A選用。σ可通過施工試驗(yàn)資料獲取，或參照《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB50086-2001）表8.10.2中母體標(biāo)準(zhǔn)差選用。△fcu可通過實(shí)驗(yàn)確定，或在12～16MPa之間選取，獲得試驗(yàn)資料后再調(diào)整△fcu取值。

（fcu為制配強(qiáng)度，fcu k為設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，t為概率度系數(shù)，σ為大板試件強(qiáng)度均方差，△fcu為基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度與大板試件強(qiáng)度差）

2.2.2 水膠比

根據(jù)制配強(qiáng)度、水膠比的強(qiáng)度關(guān)系可計(jì)算水膠比，根據(jù)水膠比結(jié)果設(shè)計(jì)配合比。當(dāng)水膠比計(jì)算結(jié)果處于預(yù)定范圍內(nèi)，水膠比數(shù)值可直接用于計(jì)算配合比。當(dāng)水膠比數(shù)值超出規(guī)范，應(yīng)結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)選擇水膠比[5]。根據(jù)濕噴混凝土配合比設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，水膠比應(yīng)低于0.45。

2.2.3 用水量

結(jié)合骨料粒徑小、砂率較高的特點(diǎn)，混凝土配合比設(shè)計(jì)用水量較高，造成混凝土收縮特性下降。為保持較高的粘聚性。應(yīng)使用坍落度保持性能較高的高效減水劑，保持較好的流動(dòng)性。

2.2.4 砂率

砂率應(yīng)維持在50%以上，并根據(jù)混凝土腫瘤內(nèi)和濕噴臺(tái)車的可泵性選擇。施工過程中存在較多影響因素，還應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)提高砂率，將砂率保持在50%～70%以內(nèi)。如若砂率較低，可減少水泥用量，保證混凝土的收縮性。

2.2.5 速凝劑摻量速凝劑摻量應(yīng)以滿足施工要求為標(biāo)準(zhǔn)，控制摻速凝劑時(shí)間，摻加速度不能過快，否則影響混凝土與第二層之間的粘結(jié)。第二層混凝土應(yīng)采用“硬著陸”噴射方式，增大回彈率[6]。

3.結(jié)論

（1）無堿速凝劑對(duì)混凝土的遠(yuǎn)期強(qiáng)度影響小，初裂時(shí)間長(zhǎng)，裂縫數(shù)少，為保證混凝土的耐久性，應(yīng)首選無堿速凝劑。

（2）濕噴混凝土配合比設(shè)計(jì)方法引入機(jī)口標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度與大板強(qiáng)度之差的參數(shù)，可使噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)方法較為完善。

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