高性能噴射混凝土組成設計方法研究

文成祿

（連州市水務工程建設管理中心，廣東 連州 513400）

0 引言

隨著中國科技和施工技術的不斷發展，對噴射混凝土技術的研究逐漸增多，其使用范圍也越來越廣。在進行施工時，通過加壓的方式使拌合料快速噴射至施工位置，并能夠瞬間壓縮。在一些特定的工程項目中，使用噴射混凝土施工技術能夠加快施工速度，縮短項目工期，能夠有效降低施工成本，且噴射混凝土的施工工藝也較為簡單，在施工領域得到了迅速普及。但同時，對于很多特殊的噴射混凝土的配合比沒有相應的配合比規范，導致在實際工程中很多情況下噴射混凝土效果較差。目前國內隧道襯砌用噴射混凝土強度等級多以C25為主，現有噴射混凝土強度等級偏低，難以適應復雜地段的隧道工程環境，同時噴射混凝土的后期強度倒縮問題，這一問題會直接導致結構后期力學性能劣化，從而大大降低結構的耐久性，因此必須優化噴射混凝土的相關性能。針對噴射混凝土可能存在的使用效果差、后期強度不足等問題，提出了高性能噴射混凝土的概念，即通過改良原有噴射混凝土配料的方式，在其中添加速凝劑的方法，優化常規噴射混凝土的使用指標，提升其使用性能。

高性能噴射混凝土的改良一般主要從配合比參數、速凝劑、機制砂以及纖維這幾個方面入手。王嘉旋等人研究了多種纖維單摻和兩種纖維混摻對噴射混凝土強度的影響，探究了通過纖維改良后噴射混凝土的強度發展規律。張戈探究了水膠比、添加凝膠量和不同砂率對提升噴射混凝土性能的影響。王家赫探究了無堿速凝劑與功能性摻合料對噴射混凝土的改良效果，并進行了相關的力學性能試驗。

分析總結了各種影響噴射混凝土工作性能的因素，并重點探究了無堿速凝劑對噴射混凝土高性能化的作用機制，同時提出了高性能噴射混凝土組成設計方法。

1 無堿速凝劑對噴射混凝土性能影響機理研究

噴射混凝土的工作環境決定了其需要在噴射至受噴面上的短時間內迅速凝固，因此，速凝劑的添加對于噴射混凝土正常發揮作用起到了至關重要的作用。常見的混凝土速凝劑通常可以分為有堿速凝劑和無堿速凝劑兩種。其中有堿速凝劑具有摻量少，發揮作用更快的優點，但其會降低混凝土的后期強度，同時增加堿骨料反應出現的風險。對于無堿速凝劑，其更好規避了有堿速凝劑對于混凝土耐久性產生的不利影響，但目前無堿速凝劑的研究相對不是很完善，其作用機理不是很清晰，故需開展進一步的深入研究。

1.1 實驗方案

噴射混凝土主要原材料有水泥、石子、砂子、減水劑、速凝劑和水，選取N（I）型低堿液體速凝劑和N（II）型無堿液體速凝劑作為改良材料。水泥采用杭州建德市下涯鎮半芹貿易商行出售的P·O42.5 水泥，碎石采用5～10 mm 連續級配碎石，砂子采用天然河砂，減水劑采用聚羧酸系高性能減水劑，速凝劑采用N（I）型低堿液體速凝劑和N（II）無堿液體速凝劑。試驗混凝土試樣的設計配合比為水泥：砂子∶石子∶水= 540∶827∶827∶205.20，其水灰比0.38，砂率為50%，速凝劑摻量分別為0%、5%、8%和10%（占水泥質量百分比）。

試驗中噴射混凝土試塊制作時，采用濕噴法進行制作。將噴射好的混凝土試件放置1 d后再進行拆模，拆模后使用切割機切割成邊長為100 mm 立方體的標準混凝土試件，隨后將試件放置到室內養護至28 d后，再進行后續試驗。

1.2 實驗結果分析

1.2.1 添加速凝劑對混凝土中水泥水化作用的影響

制塊完成后，進行混凝土抗壓試驗。通過對實驗結果的整理分析，得到無堿速凝劑和低堿速凝劑摻量對凝結時間的影響，如圖1所示。

圖1 添加速凝劑摻量對混凝土凝結時間的影響圖

由圖1 可知，凝結時間隨著速凝劑摻量的增大而減小，對于添加低堿速凝劑的試驗，其試驗結果大致可分為三個階段。階段1（凝結時間迅速降低階段）：當低堿速凝劑摻量小于2%時，凝結時間隨著速凝劑摻量的增加迅速減小，在低堿速凝劑摻量為2%時，初凝和終凝時間相差最小。階段2（凝結時間緩慢降低階段）：當低堿速凝劑摻量在2%～6%時，凝結時間隨著低堿速凝劑摻量的增加緩慢縮短。階段3（凝結時間達到極限階段）：當低堿速凝劑摻量大于6%時，隨著摻量的增加凝結時間幾乎不再變化，達到最小值。

對于添加無堿速凝劑的噴射混凝土試驗，其試驗結果可分為兩個主要階段。階段1（凝結時間降低階段）：當無堿速凝劑摻量小于8%時，凝結時間隨著摻量的增加逐漸縮短。階段2（凝結時間達到極限階段）：當摻量大于8%時，隨著摻量的增加凝結時間不再變化。

1.2.2 添加速凝劑對噴射混凝土強度的影響

為了探究無堿速凝劑摻量對噴射混凝土抗壓強度的影響，試驗過程中添加速凝劑的量分別為0%、4%、8%和12%。具體實驗結果如圖2所示。

圖2 添加速凝劑量對混凝土抗壓強度的影響圖

由圖2可知，增加速凝劑摻量可以顯著增加噴射混凝土在1 d時的抗壓強度，1 d后，抗壓強度增長速率開始明顯變緩，3 d后，不同速凝劑摻量抗壓強度增長速率基本相同，變化不大。當添加速凝劑的量在8%時，制作的混凝土塊的抗壓強度均明顯高于對照組的抗壓強度，因此在噴射混凝土料中加8%的速凝劑摻量，可以有效改善噴射混凝土的強度性能。

2 高性能噴射混凝土的設計方法

在實際施工時，噴射混凝土與普通混凝土有很大差別，噴射混凝土一般需要使用泵機進行輸送和加壓噴射成型，由于該種施工工藝，導致噴射混凝土的性能要比普通混凝土高。一般來說，普通混凝土所需漿體量要少于噴射混凝土，且噴射混凝土對砂率也有所要求（需要大于50%），在拌料時需要加入一定劑量的速凝劑。正是由于這種差別，導致兩者的設計方法也有很大差別。目前，普通的混凝土設計工法已經相對成熟，高性能噴射混凝土在設計時，也需要參考普通混凝土的設計方法。但因此也導致了噴射混凝土的性能和使用效果大大降低。因此本節依據組成設計原則，基于可泵性能和可噴性能的相關要求，提出一種高性能噴射混凝土組成設計方法。

2.1 組成設計原則

高性能噴射混凝土配合比設計過程主要包括原材料選擇、理論配合比計算、可泵性能和可噴性能調整、強度、耐久性能和體積穩定性驗證等環節。高性能噴射混凝土組成設計流程如圖3所示。

圖3 高性能噴射混凝土組成設計流程圖

根據中國相關設計規范要求，高性能噴射混凝土應滿足如下要求：添加膠凝材料的用量不宜小于450 kg/m3，水膠比宜為0.35～0.40，最大不能超過0.45，砂率宜為45%～60%。為提高噴射混凝土的可泵性能和可噴射性能，需在拌料時添加減水劑，同時再次調整水膠比例，在滿足可泵性能的前提下，水膠比可取0.35～0.38。最后噴射成型后，要進行強度、耐久性能和體積穩定性驗證，基于試驗結果對實際配合比進行反復調整。

2.2 組成設計

2.2.1 混凝土配制強度

當設計的噴射混凝土的強度等級小于C60時，配制強度應按公式（1）進行計算：

式中：fcu，0—配制強度（MPa）；fcu，k—設計強度等級（MPa）；σ—混凝土強度標準差（MPa）。

當強度等級大于等于C60時，配制強度應按式（2）確定：

2.2.2 水膠比

在確定高性能噴射混凝土的水膠比時，要同時考慮噴射工藝、可泵、可噴性能的要求，一般情況下可根據經驗公式（3）確定水膠比W/B。

式中：αaαb—回歸系數；fbM—摻有礦物摻合料28 d 抗壓強度（MPa）；k—密實度影響系數。

2.2.3 漿體體積含量

對于噴射混凝土，其漿體體積含量需滿足可泵性的最低要求。采用公式（4）可計算出噴射混凝土配合比漿體體積含量。

式中：mc0—表示每立方米噴射混凝土水泥用量（kg/m3）；mf0—表示每立方米噴射混凝土礦物摻合料用量（kg/m3）；mw0—表示每立方米噴射混凝土用水量（kg/m3）；Va—表示混凝土含氣量；Vs—表示漿體含量；ρc—表示水泥表觀密度（kg·m-3）；ρf—表示水的密度（kg·m-3）；ρw—表示礦物摻合料密度（kg·m-3）。

2.2.4 膠凝材料用量和單位用水量

根據計算出的水膠比和漿體含量，即可根據式（5）和式（6）計算膠凝材料用量和單位用水量。

式中：k—礦物摻合料摻量（%）；W/B—噴射混凝土水膠比。

2.2.5 砂率

由前文所述可知，噴射混凝土特殊的施工工藝決定了噴射混凝土的砂率大于普通混凝土，提高砂率有助于提高可泵性能，但砂率過高會降低砂率的可噴性能，根據已有的研究可知，噴射混凝土的砂率在50%時其性能最優，一般情況下其取值范圍在45%～55%。

2.2.6 粗細骨料用量

計算粗細骨料用量的常用方法為體積法，可按式（7）和式（8）計算。

式中：mg0—每立方米混凝土的粗骨料用量；ms0—每立方米混凝土的細骨料用量；ρg—粗骨料表現密度；ρs—細骨料表現密度；Vs—漿體含量。

2.2.7 速凝劑用量

噴射混凝土中速凝劑的用量mA應按式（9）計算：

式中：mA—計算配合比噴射混凝土中速凝劑用量（kg/m3）；?A—速凝劑摻量（%）。

3 結論

高性能噴射混凝土在施工工藝上與普通混凝土有很大不同，高性能噴射混凝土在拌料時需要添加不同的添加劑，用于提升其抗壓強度和耐久性，但是，在提升其使用性能的同時，需要兼顧其可泵性能和可噴射性能。文章基于試驗研究了無堿速凝劑對噴射混凝土的凝結時間和抗壓強度的影響，得到了添加不同含量無堿速凝劑的噴射混凝土的凝結時間的變化分為兩個階段這一結論，同時在無堿速凝劑摻量為8%時噴射混凝土的強度性能最佳。提出了一種新的高性能噴射混凝土組成設計方法，其配合比設計過程主要包括原材料選擇、理論配合比計算、可泵性能和可噴性能調整、強度、耐久性能和體積穩定性驗證等環節。驗證后結果良好。