無機納米材料在噴射鋼纖維混凝土中的應用

李德民，徐文龍（葛洲壩集團試驗檢測有限公司 湖北 宜昌 443002）

0 引言

國內某大型水電站，其中右岸引水發電系統由進水口、壓力管道、主副廠房洞、主變洞、尾水調壓室及尾水管檢修閘門室、尾水隧洞、尾水隧洞檢修閘門室、尾水出口等建筑物組成。右岸地下廠房位于壩肩上游山體內，地表為傾向南的斜坡。地下廠房洞室水平埋深480～800m，垂直埋深420～540m。圍巖主要為隱晶質玄武巖、斜斑玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖等組成，以Ⅲ1類、Ⅱ類圍巖為主，層間錯動帶沿凝灰巖層發育，均交切廠房。長大裂隙共揭露4條，主要為陡傾角的硬性結構面。主副廠房洞的開挖尺寸為438.00m×31.00m（34.00m）×88.70m（長×寬×高），其地應力相對偏高。為滿足工程后期開挖施工進度和錨噴支護的需要，設計要求采用一次噴射混凝土厚度即達到設計厚度為35cm以上的錨噴支護工藝，且混凝土力學性能指標普遍高于一般噴射混凝土。通過參照國內已有施工技術，在噴射鋼纖維混凝土中摻加無機納米材料可使噴射混凝土的一次性可噴厚度和混凝土的力學指標達到設計要求。本文結合工程實踐介紹了無機納米材料在噴射鋼纖維混凝土中的應用及其效果。

1 無機納米材料簡介

無機納米材料是納米材料從物質的類別來劃分出的一種納米材料，其組成的主體是無機物質，該材料是指至少一維尺寸在1~100nm區域的納米結構按一定方式堆積或一定基體中分散形成的宏觀材料[1]。

本文中提到的無機納米材料是一種無機高分子氣化微粒通過萃取得到的納米級微粉。大部分結晶的或非結晶的納米微粉顆粒在1～100nm之間，它是介于分子和宏觀固體之間的亞穩中間態物質。當納米微粉顆粒尺寸進入納米數量級時，由于納米微粉的表面原子與體相總原子數之比隨粒徑尺寸的減少而急劇增大，從而顯示出強烈的體積效應、量子效應、表面效應和宏觀量子隧道效應[2]。

該無機納米材料中同時還摻有一定量的減水劑成分，使其同樣具有減水的作用和效果。該減水劑是一種表面活性劑，它溶于水并吸附于水泥顆粒表面，能使帶相同電荷的水泥顆粒因相互排斥而被分散，進而釋放出水泥顆粒間多余的水分，從而產生減水作用。此外，在混凝土中加入該納米材料，其中的減水成分在水泥顆粒表面形成吸附膜，能減緩水泥的水化速度，使水泥石中的晶體生長更為完善，達到填充毛細空隙，提高水泥石硬度和結構的密實性，最終提高混凝土的各項強度和耐久性等。

2 無機納米材料理化性能指標

本工程中采用的是鞏義宏超建材有限公司生產的跨越2000HCNM無機納米材料，該材料的理化性能指標見表1。

表1 無機納米材料理化性能指標

3 無機納米材料在噴射鋼纖維混凝土中的應用效果

3.1 改善噴射鋼纖維混凝土拌合物和易性

眾所周知，混凝土中摻入一定量的活性摻合料可改善混凝土拌合物的和易性。例如：混凝土中摻加粉煤灰等量替代水泥時，由于粉煤灰密度大約是水泥密度的2/3，所以其體積增量將超過所替代水泥體積的30%左右，這樣就增加了灰漿的體積。足量的灰漿填充混凝土孔隙空間，覆蓋和潤滑骨料顆粒，減少拌合物的內摩擦，增加拌合物的粘聚力、流動性和可塑性，改善混凝土的和易性。另外，粉煤灰中的球形微顆粒多，即可彌補混凝土中細骨料細顆粒的不足，又可阻塞砂漿的泌水通道，降低泌水性和提高拌合物的穩定性[3]。對于粒徑處于準納米級別的納米材料來說，其對拌合物產生的效果則更加突出。由表2可知，摻10%納米材料的噴射鋼纖維混凝土的和易性要優于不摻或摻20%粉煤灰混凝土的和易性。

表2 不同摻合料對噴射鋼纖維混凝土拌合物和易性的影響

3.2 提高噴射鋼纖維混凝土的力學性能

納米材料中的納米級金屬氧化物可促進水泥水化產物的二次水化反應，生成更加穩定的水化產物，其將會填充和阻斷水泥石中的毛細空隙，改善其微觀孔隙結構，提高混凝土的密實性；同時還可改善混凝土中水泥石與集料過渡區的界面結構，提高接觸區的密度，進而提高混凝土的各項強度指標以及耐久性。有研究報道，當水泥中摻加1%～3%的納米材料時，其7d和28d齡期的納米水泥結構材料強度要比未摻加納米材料的提高約50%，而且其韌性和耐久性也有較大地提高[4]。由表3中的試驗數據可知，在膠凝材料用量和水膠比基本一致的情況下，摻加10%納米材料的噴射鋼纖維混凝土，其現場噴射大板7d和28d齡期的抗壓強度、28d齡期的劈裂抗拉強度較未摻或摻20%粉煤灰的混凝土強度均增長80%左右，而且其彎折強度和與圍巖的粘結強度較未摻或摻20%粉煤灰的混凝土強度均有所提高（詳見圖1、圖2）。

表3 不同摻合料對現場噴射鋼纖維混凝土力學性能的影響

圖1 不同摻合料噴射鋼纖維混凝土抗壓強度對比

圖2 不同摻合料噴射鋼纖維混凝土其它力學性能對比

3.3 改善濕噴鋼纖維混凝土的可泵性和提高一次性可噴厚度

有試驗數據顯示[3]，噴射鋼纖維混凝土中摻加粉煤灰可提高混凝土中鋼纖維的分散性以及混凝土的可泵性和可噴性。通過表4數據亦可知，噴射納米鋼纖維混凝土同樣具有較低的坍落度損失和較好的可泵性及可噴性；其中噴射納米鋼纖維混凝土的回彈率及一次性可噴厚度均優于噴射粉煤灰鋼纖維混凝土，且早期強度增長迅速，這對于圍巖應力和變形較大的部位來說，能較早地發揮噴射混凝土的支護作用是極為關鍵的，它能更好地確保高應力、大變形圍巖部位的施工安全性。

表4 不同摻合料對現場噴射鋼纖維混凝施工性能的影響

4 結語

無機納米材料做為一種新興功能性材料應用于混凝土領域，它將積極帶動新材料在混凝土方面的應用研究，將其應用于噴射鋼纖維混凝土中會出現各種顯著效果。一方面無機納米材料的小尺寸效應可改善噴射鋼纖維混凝土拌合物的和易性，提高流動性、增加粘聚性和降低泌水率，進一步改善濕噴射鋼纖維混凝土的可泵性，提高一次性可噴厚度，降低回彈量，從而表現出優良的施工性能。另一方面無機納米材料中的納米級微粒活性物質可激化混凝土中膠凝材料的水化產物，大幅度提高噴射鋼纖維混凝土各齡期抗壓強度、抗拉強度、彎折強度、與圍巖的粘結強度以及耐久性等。