洞渣濕噴混凝土的制備與性能研究

朱賢宇，楊生虎，翟勝田，張云升，田龍崗

(1.中交第三航務工程局有限公司南京分公司，南京 210011；2.東南大學材料科學與工程學院，南京 211189； 3.東南大學土木工程學院，南京 211189)

0 引 言

噴射混凝土是指利用噴射機械，以壓縮空氣等為動力將混凝土拌合物高速噴射到受噴面，并與速凝劑結合而迅速凝結的一種混凝土，分干噴混凝土和濕噴混凝土兩種[1-2]。目前較為常見的為干噴混凝土，但其自密性較差，揚塵較多，回彈率較高，對施工人員的身體危害較大，而濕噴混凝土可以改善以上缺點，在作業面較小和空氣不流動的環境下有較大的應用和推廣價值[3-4]。混凝土作為應用最為廣泛的建筑材料，在現代化的建設中發揮著巨大的作用，而天然砂作為傳統混凝土的細骨料，越來越無法滿足日益增長的混凝土用量的需求，特別是天然砂匱乏的西南地區，幾乎出現了無砂可用的現象[5-6]。用機制砂取代天然砂，是解決目前天然砂短缺非常經濟的方法。洞渣作為隧道工程中開挖出來的廢渣，屬于必須廢棄或拋棄的廢石料，經過合理的篩選和處理，再經機械破碎制成機制砂，可作為噴射混凝土的細骨料使用。洞渣經過合理的調配，資源的優化配置，可以充分發揮其效益，真正做到變廢為寶，這樣既節約了資源，又有利于環境保護[7-8]。

洞渣機制砂與天然砂相比，石粉含量和泥含量超標，粒形較差多呈片狀結構，顆粒級配不夠理想波動較大，極易致使新拌噴射混凝土和易性較差，回彈率較高和強度較低。因此，本研究以隧道開挖過程中的洞渣所制的機制砂，且根據工程實際情況并以普通噴射混凝土的施工經驗為基礎，配制出性能符合要求的CSWSC。采用粉煤灰和粉煤灰微珠對CSWSC進行改性，通過室內配合比設計和小型試噴試驗，調整和確定最佳的配合比方案，并對噴射混凝土的性能進行研究。

1 實 驗

1.1 原材料

實驗采用南京小野田水泥廠生產的P·Ⅱ 42.5硅酸鹽水泥，其主要技術參數見表1；礦物摻合料為貴州某電廠生產的二級粉煤灰及粉煤灰微珠，其中石英9.2%、莫來石15.3%、玻璃相75.5%，粉煤灰的化學組成見表2，粉煤灰微珠，比表面積1 350 m2/kg,需水量87%，堆積密度660 kg/m3，燒矢量為0.74%；減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的聚羧酸型高效減水劑，固含量30%，減水率40%；速凝劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的KJ-2液體速凝劑，固含量47%，水泥凈漿的初凝時間4 min，終凝時間8 min；水為南京市自來水，符合國家自來水使用標準；細骨料為貴州高速公路姑兩隧道開挖的洞渣經過機械破碎所得的機制砂，成分以二氧化硅和白云母為主，洞渣機制砂各項檢查指標見表3，其石粉含量大于15%，采用風選法處理后為13%，粗骨料采用5～10 mm的連續級配的玄武巖碎石，最大粒徑不大于10 mm。

表1 水泥的主要技術指標Table 1 Main technical indicators of cement

表2 粉煤灰化學組成Table 2 Chemical composition of fly ash /wt%

表3 機制砂檢查指標表Table 3 Performance index of machine-made sand

1.2 試驗方法

洞渣機制砂提前經過晾曬、過篩和風選處理，且在飽和面干狀態下堆積存放。CSWSC的制備過程：首先將洞渣機制砂和膠凝材料干拌均勻，再加入80%(總用水量)的水和減水劑，待拌合物漿體具有一定流動度后加入剩余的水。所有試驗中速凝劑都在坍落度及擴展度測試之后添加，濕噴試驗時由濕噴機器控制與拌合物一起噴出。

噴射混凝土的拌合物性能、干表觀密度測試按照標準JGJT 372—2016《噴射混凝土應用技術規程》進行?；炷亮W性能根據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，抗壓試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。小型濕噴試驗采用產能為5 m3/h的小型施工用濕噴機(TK500型濕噴機)進行試件噴射成型，檢驗混凝土優化配合比后拌合物的工作性能。試件成型后，到測試齡期時，將試塊按規定尺寸進行切割，并進行性能測試。

2 結果與討論

2.1 洞渣機制砂噴射混凝土初始配合比設計及結果分析

噴射混凝土作為一種施工工藝特殊的混凝土,應根據多種因素來考慮,不但要滿足設計和相關規范要求,又要兼顧施工工藝的要求,并通過試噴來確定。因此按照JGJ 55—2000《普通混凝土配合比設計規程》，并結合相關規范和工程要求對噴射混凝土的性能指標進行基準配合比的設計。最終經計算確定基準配合比，水泥∶機制砂∶碎石∶水∶減水劑∶速凝劑=423∶847∶847∶182∶4.23∶29.6。

按基準配合比進行試配，坍落度、初凝時間、終凝時間、強度值等性能參數實驗值如表4所示，它們都滿足配合比設計規程的規范要求。但按基準配合比配制的拌合物工作性能、黏附性能較差，狀態松散，石子裸露，且回彈率高達29%。這主要是因為洞渣機制砂石粉含量和泥含量超標，粒形較差多呈片狀結構，顆粒級配不夠理想波動較大所造成的。因此，需要在基準配合比的基礎上進行合理的優化設計，改善CSWSC的性能，使其滿足噴射混凝土設計規范和工程施工的要求。

表4 基準配合比性能參數Table 4 Performance parameters of concrete base mix ratio

2.2 洞渣機制砂噴射混凝土配合比優化設計

2.2.1 單方用水量

通過基準配合比的試驗研究可以發現，混凝土拌合物工作性能很差，主要因為機制砂多棱角且片狀粒形較多，表面積較大，石粉含量較高，需水量較大，混凝土拌合物黏聚性較大，流動性較差。因此，在基準配合比的條件下，采用不同單方用水量來改善混凝土拌合物的工作性，所以設計W-1～W-3組試驗。噴射混凝土配合比各材料單位用量如表5所示。

表5 不同單方用水量的噴射混凝土配合比Table 5 Mix design of shotcrete of different unilateral water consumption

圖1所示為不同單方用水量的CSWSC工作性能和力學性能試驗結果，W-1～W-3組是在基準配合比的條件下，逐漸增大單方用水量，隨著單方用水量的增加，能夠明顯降低混凝土拌合物的塑性黏度和增加流動性。圖1(a)和(b)可以看出，CSWSC的坍落度和擴展度隨著單方用水量的增大而逐漸增大。當水膠比為0.45時，噴射混凝土拌合物的坍落度/擴展度達到165 mm/192 mm，此時拌合物表面出現輕微泌水現象，黏聚性明顯下降，水泥漿體增多，拌合物中石子裸露情況亦有所改善。當繼續增加水膠比為0.47時，拌合物的坍落度/擴展度繼續增大到185 mm/223 mm，此時拌合物黏聚性變小，流動性變大，有泌水現象發生。繼續增大水膠比為0.50，拌合物坍落度/擴展度達到200 mm/256 mm，此時拌合物的工作性能較差，黏聚性和保水性較差，出現嚴重泌水現象。由圖1(c)可以得到，隨著單方用水量的增大，W-1～W-3組噴射混凝土的28 d抗壓強度均逐漸降低，分別為37.8 MPa、36.9 MPa、35.7 MPa，降低幅度較小，且滿足設計強度C20混凝土和工程施工的要求。

通過以上試驗結果可以得出，增加單方用水量可以改善混凝土拌合物的工作性能，但是當單方用水量過大時會造成CSWSC拌合物出現泌水現象，不利于CSWSC的泵送和噴射。因此，適當地增加單方用水量可以改善噴射混凝土的工作性能，但是僅僅通過增大單方用水量不能使拌合物的工作性能滿足噴射混凝土的泵送和噴射要求。綜合考慮，確定水膠比為0.45較為合適，同時，需要繼續進行其他影響因素的試驗。

圖1 不同單方用水量試驗結果Fig.1 Experimental results of different unilateral water consumption

2.2.2 砂率

要配置工作性良好的混凝土可以適當增加砂率，對于洞渣機制砂而言增加砂率，混凝土拌合物中石粉含量會增大，石粉將有助于混凝土工作性和強度的改善[9-10]。因此，設計砂率分別為50%、55%、60%的S-1～S-3組試驗，其混凝土配合比各材料單位用量如表6所示。

表6 不同砂率組成的配合比Table 6 Mix design of shotcrete of different sand ratio

圖2為不同砂率下噴射混凝土的工作性能和力學性能的研究結果。通過單方用水量試驗，在本組試驗中固定水膠比為0.45，并且保持單方水泥用量不變，逐漸增大砂率。由圖2(a)和(b)可以看出，隨著砂率的增加，噴射混凝土拌合物的工作性能發生了較為顯著的變化。當砂率由50%提高到55%時，CSWSC拌合物的坍落度/擴展度由165 mm/192 mm增加到173 mm/213 mm。繼續增加混凝土的砂率到60%，此時拌合物的工作性能改善更為明顯，拌合物的坍落度/擴展度達到186 mm/236 mm。隨著混凝土砂率的不斷增加，拌合物中的石粉含量也在不斷增加，石粉在水泥漿體中并不發生化學反應，但其存在一定的尺寸效應，會對混凝土的力學性能產生一定的影響[11-12]。由圖2(c)可以看出，當砂率由50%增加到55%時，混凝土28 d的抗壓強度由37.8 MPa增加到38.9 MPa，而繼續增加砂率為60%時，混凝土28 d強度為36.2 MPa。

圖2 不同砂率組成的配合比實驗結果Fig.2 Experimental results of different sand ratio

由以上結果分析可知，砂率對CSWSC拌合物的工作性能有明顯的改善，而對力學性能的改善作用相對較小。隨著砂率的不斷提高，混凝土拌合物中粗骨料的含量不斷減小，因此拌合物中所需的漿體量有所減少，拌合物的工作性能發生了改善，流動性變大，所以此3種砂率均可作為噴射混凝土濕噴試驗組。

2.2.3 粉煤灰及粉煤灰微珠

粉煤灰是一種質地致密、表面光滑、粒度較細、對水的吸附力小、流動性好的球狀顆粒[13-14]。粉煤灰微珠是經過合理的提取方法從粉煤灰中得到的一種全球狀、連續粒徑分布的實心高附加值珠體[15]。將適量的粉煤灰或微珠摻入混凝土拌合物中，其火山灰效應和尺寸效應大幅度地提高和改善了混凝土拌合物的保水性、坍落度損失、和易性及密實度。同時粉煤灰可以改善混凝土各種物相之間的結合情況，改善其過渡區的薄弱環節，在一定程度上提高混凝土的強度[16-17]。因此，本試驗通過摻加粉煤灰和粉煤灰微珠來研究CSWSC的工作性能和力學性能，設計F-1～F-5組試驗，其混凝土配合比各材料單位用量如表7所示。

表7 粉煤灰及粉煤灰微珠組成配合比Table 7 Mix design of shotcrete for mixing with fly ash and microspheres

由以上試驗結果可知，不同的砂率條件下CSWSC拌合物的性能不同，因此在摻加粉煤灰和微珠試驗組，選取了不同的砂率探究粉煤灰和微珠對混凝土拌合物性能和力學性能的影響[18-19]。圖3為不同砂率及摻加粉煤灰及微珠下噴射混凝土拌合物的性能及力學性能。通過工程要求、參考文獻、經濟等綜合因素考慮控制粉煤灰和微珠摻量為膠凝材料質量的20%時，同時控制砂率分別為50%、55%和60%。由圖3(b)和(c)可以看出，當控制砂率為50%時，摻加20%的粉煤灰可以顯著改善混凝土拌合物的性質，坍落度/擴展度達到189 mm/228 mm，黏聚性和保水性表現更佳，拌合物的工作性能得到較大改善，同時力學性能也有改善，抗壓強度增加8%。這是由于粉煤灰顆粒的球形結構在骨料中發揮滾動作用改善了拌合物的流動性，同時粉煤灰顆粒填充在混凝土拌合物的空隙中增加了密實度，從而強度增加。同時在粉煤灰摻量不變的條件下，增加砂率為55%，此時坍落度/擴展度由189 mm/228 mm增加到197 mm/261 mm，拌合物的工作性能發生改善。其中F-3和F-4組是摻加20%粉煤灰和粉煤灰微珠的試驗組，由所得試驗結果可以看出，由于微珠比粉煤灰球形結構更加規則，所以在摻量相同的條件下坍落度值更大，流動性更好。但是由于其吸附水能力沒有粉煤灰大，所以在相同條件下保水性稍差。表中F-5組是在粉煤灰摻量不變的條件下，調整砂率為60%的混凝土拌合物性質，可以看出混凝土的坍落度/擴展度值增加到223 mm/310 mm，黏聚性和保水性依然很好，28 d強度降至35.7 MPa，但是滿足設計強度的要求。

圖3 粉煤灰及粉煤灰微珠組成配合比試驗結果Fig.3 Experimental results of fly ash and microspheres

由以上試驗結果可知，摻加粉煤灰和粉煤灰微珠在CSWSC中，混凝土拌合物的坍落度、黏聚性和保水性等性能發生了較為明顯的改善，同時由于粉煤灰的火山灰效應和尺寸效應，改變了界面過渡區的結合情況，從而改善了混凝土的抗壓強度。所以加入粉煤灰和粉煤灰微珠可以更好地減少洞渣機制砂本身的缺陷，改善其工作性能，使其更好地滿足工程規范的要求，更好地服務于噴射混凝土的現場施工。所以綜合考慮確定水膠比為0.45的條件下，粉煤灰摻量為20%合適。

2.3 小型試噴試驗

為了檢驗優化配合比之后噴射混凝土的噴射效果，回彈率和強度等性能是否滿足施工和強度設計要求，本研究采用室內試驗結果較為優異的幾組配合比進行小型試噴試驗，試驗采用5 m3/h的小型施工用濕噴機(TK500型濕噴機)進行試噴。測試試件噴射成型，養護到測試齡期后，將試塊按規定尺寸進行切割，并進行相關性能測試[20-21]。設計SH-1、SH-2、SH-3、SH-4組試驗分別表示砂率為50%未摻加粉煤灰、砂率為50%摻加20%粉煤灰、砂率為55%摻加20%粉煤灰和砂率為60%摻加20%粉煤灰，水膠比為0.45。所采用試驗混凝土配合比各材料單位用量如表8所示。

表8 濕噴試驗組配合比Table 8 Mix design of jetting test groups /(kg/m3)

圖4 試噴試驗組配合比試驗結果Fig.4 Results of mix proportion of trial injection test

圖4為不同配合比條件下材料的抗壓強度與回彈率結果。由圖4可以看出，4種配合比條件下的試噴試驗工作性能表現稍有差異，在試噴過程中，SH-1未摻加粉煤灰試驗組濕噴效果不太理想，時有堵塞導管的現象發生，且回彈較高達到15.6%。SH-2、SH-3和SH-4組工作性能較好，在噴射過程中罕有堵塞導管現象發生，泵送及濕噴過程較為流暢。此濕噴試驗結果與實驗室測試結果較為吻合，粉煤灰對CSWSC的改善作用最為明顯，初凝時間都在2 min左右，終凝時間在5～8 min之間，回彈率分別為10.2%、9.7%和8.6%，28 d試樣抗壓強度大于30 MPa，滿足工程規范要求和設計強度要求。

由以上小型試噴試驗結果分析可知，摻加粉煤灰的不同試驗組工作性能良好，試噴過程中沒有堵塞導管現象的發生，凝結時間、回彈率和抗壓強度等性能指標滿足工程規范要求，因此，通過濕噴試驗結果表明，可以將水膠比為0.45，粉煤灰摻量為20%，砂率分別為50%、55%和60%的優化配合比作為現場濕噴施工配合比。

3 結 論

(1)通過對洞渣機制砂細骨料性能的測試分析和基準配合比的試噴試驗，獲得了影響CSWSC性能的關鍵因素，提出了通過增加單方用水量、改變砂率和摻加礦物摻合料的方法來改善CSWSC的工作性能和力學性能。

(2)通過CSWSC室內試驗結果表明，增加單方用水量、提高砂率和摻加適量的礦物摻合料，可以顯著改善CSWSC的工作性能，拌合物的坍落度/擴展度與基準配合比相比由85 mm增加到165～223 mm的范圍內，有效地保障了CSWSC的工作性能和結構物的力學性能。

(3)小型試噴試驗結果表明，當控制粉煤灰摻量為20%，水膠比為0.45，砂率分別為50%、55%和60%時，CSWSC工作性能、可泵送性能及噴射性能良好，且初凝時間在2 min左右，終凝時間在5～8 min之間，回彈率為10%左右，28 d試樣抗壓強度大于30 MPa，符合工程規范、現場施工和設計強度的要求。