礦物摻合料在噴射混凝土中的應用研究

范志勇 石妍 羅山 楊夢卉

摘要：

為研究礦物摻合料在噴射混凝土中的應用效果，通過文獻調研，分析了粉煤灰、硅粉、凝灰巖粉等礦物摻合料的性能特點、對混凝土性能的影響及其在噴射混凝土中的應用，并通過不同配合比的噴射混凝土試驗研究，分析了凝灰巖粉對噴射混凝土性能的影響。結果表明：粉煤灰、硅粉、凝灰巖粉的摻量分別在30%，10%和15%以內時，所配制混凝土能夠滿足工程施工性能及強度等級要求，并可改善噴射混凝土的和易性、降低噴射回彈、細化內部孔隙結構、提升耐久性能等；復摻凝灰巖粉與粉煤灰的技術方案優于單摻，其可充分發揮兩種摻合料的各自優勢，綜合提升噴射混凝土的施工性能與技術效果；將礦物摻合料摻入噴射混凝土中，是改善混凝土性能、降低工程成本及地緣性材料資源化利用的有效途徑。研究成果可為礦物摻合料在噴射混凝土中的應用以及地緣性礦物摻合料的推廣提供參考。

關鍵詞：

礦物摻合料； 粉煤灰； 硅粉； 凝灰巖粉； 噴射混凝土

中圖法分類號：TV431

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.017

文章編號：1006-0081（2023）04-0103-06

0 引 言

噴射混凝土是借助噴射機械，利用壓縮空氣或其他動力，將按一定比例配合的拌和料，通過管道輸送并高速噴射到受噴面上凝結硬化而成的一種混凝土，其工藝簡便、造價經濟，被廣泛應用于礦山井巷、水利水電、鐵路隧道等工程建設中［1-2］。

為了解決現場噴射混凝土普遍存在的強度低、噴層易開裂、回彈量大、粉塵濃度高等問題，通常在噴射混凝土中加入不同摻量的礦物摻合料替代水泥［3-5］，如粉煤灰可一定程度上減弱在噴射混凝土中使用速凝劑造成的強度損失，并且能改善噴射混凝土的和易性，提高抗滲能力等［6-7］；硅粉能顯著提高噴射混凝土強度，改善抗滲性、抗凍性以及抗腐蝕性等性能［8］。隨著中國大型基建工程建設重心向西部偏遠地區轉移，因地制宜地開發地緣性礦物摻合料對緩解當地摻合料供需短缺的矛盾、推動工程順利建設、節約投資等有著重要意義。凝灰巖粉等天然火山灰質材料分布于中國西部部分地區，且具有一定的火山灰活性，其作為水工混凝土礦物摻合料在漫灣、大朝山等工程已有成功應用的先例［9-11］。將凝灰巖粉代替水泥用于水工混凝土中，可在充分利用當地原材料、降低工程成本的同時，實現提高混凝土抗裂能力等作用，但其作為噴射混凝土摻合料的應用研究仍較少。

本文研究、總結了粉煤灰、硅粉等常用礦物摻合料在噴射混凝土中的應用情況，分析了凝灰巖粉在一般水工混凝土中的應用，并通過將凝灰巖粉摻合于噴射混凝土中的試驗研究，驗證了凝灰巖粉天然火山灰質材料用于噴射混凝土的可行性。研究成果可為礦物摻合料在噴射混凝土中的應用以及新型礦物摻合料的推廣提供技術支撐。

1 粉煤灰在噴射混凝土中的應用

粉煤灰是最常用的礦物摻合料之一，在混凝土中摻加粉煤灰不僅可以節約水泥，還具有改善新拌混凝土和易性、減少水化熱、提高混凝土抗滲能力等優良性能［6-7］。

通過在噴射混凝土中摻入一定量的粉煤灰取代水泥，所引起的微珠形態效應可以改善噴射混凝土的和易性，減少施工中卡管、堵管的現象［12］。研究表明：高摻量粉煤灰和聚丙烯纖維的加入可降低噴漿壓力、改善混凝土的拌和物性能、提高混凝土的抗凍能力［13-14］。粉煤灰可以彌補噴射混凝土中由速凝劑造成的后期強度損失，且能提高混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力［15］。此外，摻入粉煤灰還能改善噴射混凝土的抗滲性能：Paik等［16］在噴射混凝土中摻15%和30%的粉煤灰，可將電通量分別降低26%和16%；王家濱等［17］研究了粉煤灰對噴射混凝土孔隙結構的影響，并指出摻10%～30%的粉煤灰可將噴射混凝土的總孔隙率由15.1%降至10.3%～14.6%。由于粉煤灰的水化反應依賴于水泥水化產物Ca（OH）2的激發，因此噴射混凝土早期強度較低，但經過一段時間的活性激發后，可以促進混凝土后期強度的增長，而與硅粉等摻合料復摻的方式可提高噴射混凝土的早期強度。研究顯示：從既要滿足噴射混凝土早期強度要求，又能保證噴射混凝土后期強度增長的角度出發，粉煤灰摻量宜控制在5%～20%［18］。

2 硅粉在噴射混凝土中的應用

硅粉是冶煉工業硅或制造硅鐵合金的生產過程中產生的工業副產品，主要成分是SiO2（含量一般在85%以上），硅粉由于高比表面積以及高活性，可以顯著提高混凝土的早期強度、密實度以及拌和物黏聚性，減少噴射回彈等。由于硅粉的粒度大小分布合理、致密性強、硬度大、耐磨性能好，有益于提高混凝土的耐磨性、抗滲性以及抗腐蝕性等。

研究表明：硅粉能顯著改善噴射混凝土的抗凍抗滲性能，且其改善效果通常優于粉煤灰［19］。Park等［20］指出，在噴射混凝土中加入7%硅粉可將電通量降低60%。硅粉能夠提高混凝土抗滲性的機理主要在于硅粉具有填充效應，硅粉填充在水泥顆粒周邊，水化產生的硅酸鈣凝膠可填充噴射混凝土孔隙，大幅度縮小噴射混凝土孔徑，從而減少水分滲透通道，改善抗滲性。張俊儒等［21］通過孔隙結構分析發現，摻8%硅粉可將噴射混凝土80%的孔徑都縮小至80 nm以內。硅粉能夠減少混凝土泌水離析現象，提高混凝土的抗凍性。混凝土氣孔中存在著大量的自由水，在混凝土中加入微硅粉之后，由于微硅粉比表面積大，顆粒極其微小，因此微硅粉會約束混凝土中的自由水，進而大大減少混凝土的泌水率［22］。單摻8%的硅灰能有效促進鋁酸鹽液態速凝劑的凝結效果，提高混凝土強度，增加黏聚性［23］。

工程中已有將硅粉作為摻合料成功應用于噴射混凝土中的實例。在南水北調中線工程（北京段）西四環暗涵工程中［24］，噴射混凝土設計強度為C30，厚度為30 cm，為預防和抑制堿骨料反應，提出了將Ⅰ級粉煤灰與硅粉分別以15%和6%的比例復摻并控制混凝土總堿含量的綜合措施，在工程中成功應用，取得了良好的技術經濟效益。在錦屏Ⅱ級電站引水隧洞噴射混凝土工程中［25］，摻入10%硅粉與0.9 kg/m3鋼纖維后，噴射混凝土拌和物黏稠，回彈率由23.0%降至14.8%，一次性噴射厚度由8 cm以下提高至10 cm以上，強度由32 MPa提高至36.5 MPa，彎曲韌性也顯著改善。巴基斯坦塔貝拉水電站擴建工程永久邊坡［26］所用C50噴射混凝土的水膠比為0.31～0.35，硅粉摻量分別為6%，8%和10%時，噴射回彈率在8.5%～11.3%之間，混凝土28 d抗壓強度為36.6～62.3 MPa。在遼寧大伙房水庫輸水工程以及平頂山煤礦支護工程中［27］，也采用了復摻硅粉的摻合料方案，以降低現場回彈率及粉塵濃度。

3 凝灰巖粉在噴射混凝土中的應用研究

3.1 凝灰巖粉在水工混凝土中的應用

凝灰巖屬于天然火山灰質材料［28-29］，即本身具有火山灰活性的天然礦物質材料，結構有層理、顏色多樣，根據其含有的火山碎屑成分，可分為晶屑凝灰巖、玻屑凝灰巖和巖屑凝灰巖。

已有較多研究將凝灰巖粉應用于混凝土摻合料中。Liguor等通過化學分析和力學性能表征，論證了凝灰巖粉具有火山灰活性，可用于制造環境友好型復合水泥［30-32］。有研究對比了摻粉煤灰和凝灰巖粉復合膠凝材料抗壓強度的發展規律［33-34］，結果表明：與粉煤灰相比，碎屑狀凝灰巖顆粒的結晶成核效應和微集料效應在水化初期更為顯著，因此摻凝灰巖粉的復合膠凝體系早期強度較高，后期發展潛力不大；同等條件下，凝灰巖粉比表面積越大，復合膠凝材料砂漿試件的抗壓強度越大。

凝灰巖粉作為礦物摻合料代替水泥用于水工混凝土中，可充分利用當地原材料，降低工程成本，簡化溫控措施，加快施工進度，并提高混凝土的抗裂能力。漫灣水電站重力壩（最大壩高132 m）［9］將凝灰巖粉應用于大壩混凝土中，為工程投資節約了至少1 000萬元。大朝山水電站［10］碾壓混凝土重力壩（最大壩高115 m）的大壩混凝土選用磷礦渣和凝灰巖1∶1混磨生產的PT料作為混凝土摻合料，解決了當地粉煤灰資源缺乏的實際問題。

3.2 凝灰巖粉用于噴射混凝土的試驗研究

依托西藏街需水電工程，驗證凝灰巖粉用于噴射混凝土的可行性。模擬噴射試驗主要利用工程原材料及當地凝灰巖資源，統一普硅42.5水泥及其他原材料品種，以粉煤灰與凝灰巖粉為不同摻合料品種，對比不同摻合料方案對噴射混凝土性能的影響。現場無硅粉材料料源，因此未進行對比試驗。

摻合料品質檢測結果見表1。濕噴混凝土模擬試驗按照DL/T 5721-2015《水工噴射混凝土試驗規程》進行，采用噴大板切割試件進行相關性能測試。噴射混凝土試驗配合比及拌和物性能見表2。

試驗結果表明：4組配合比混凝土拌和物的黏聚性良好，無泌水或泌漿現象，坍落度均在120～140 mm范圍內。拌和物性能相當時，對比無摻合料的基準組M1，單摻20%粉煤灰的噴射混凝土用水量減少4 kg/m3，單摻凝灰巖粉、復摻凝灰巖粉與粉煤灰的噴射混凝土用水量分別增加4 kg/m3和1 kg/m3。噴射試驗過程順利，各組配合比噴射后均在30 min內硬化。保持混凝土拌和物坍落度相當的情況下［34］，優質粉煤灰因其球形的微觀形貌，可發揮減水效果，而凝灰巖粉顆粒為表面粗糙的碎屑狀，會增大多元組分的內摩擦力，從而增加用水量，且摻量越大，混凝土用水量越高。因此，應適當控制凝灰巖粉的最大摻量，而與粉煤灰復摻是較為合理的方案。同時，在室內模擬噴射條件下，混凝土的回彈率為15.5%～18.4%，復摻粉煤灰與凝灰巖粉的回彈率最低，基準混凝土回彈料中漿體略多。

4組配合比的力學性能結果見表3和圖1。試驗結果表明：模擬噴射混凝土的表觀密度在2 130～2 210 kg/m3之間，對比基準配合比M1，摻合料的摻入均增加了噴射混凝土的密實性，而復摻的效果最

好。4組配合比28 d齡期的抗壓強度在29.4～32.8 MPa之間，滿足C20混凝土的技術要求；單摻及復摻凝灰巖粉的強度值均高于基準組，復摻粉煤灰與凝灰巖粉的強度值略高，源于其較好的密實性。由于水化后期粉煤灰的火山灰效應逐漸體現，因此，單摻粉煤灰的噴射混凝土28 d抗壓強度增長率高于單摻凝灰巖粉。劈拉強度及抗折強度的變化規律與抗壓強度基本一致。4組噴射混凝土與巖石的28 d粘結強度在0.89～1.06 MPa，復摻粉煤灰與凝灰巖粉的結果略高一些，超過1.0 MPa，達到GB 50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》中Ⅰ類巖石的技術要求。

凝灰巖粉具備一定的火山灰活性［34］，合理的摻量可使噴射混凝土滿足工程要求的技術指標。因此，凝灰巖粉天然火山灰質材料用于噴射混凝土是可行的。但凝灰巖粉的火山灰效應多體現在早期，混凝土后期強度增長趨勢不及摻粉煤灰的混凝土。綜合試驗結果，凝灰巖粉與粉煤灰摻合料的摻入，通過微集料效應和顆粒效應，均可改善拌和物的黏聚性和工作性，從而減少噴射回彈、提高噴射混凝土密實性，繼而提高噴射混凝土力學性能，提升工程的長期耐久性。降低現場噴射混凝土的回彈率，不僅能節約材料用量、提高施工效率，還能保障工程質量［35］。對比而言，凝灰巖粉與粉煤灰復摻的技術方案更優，可充分發揮2種摻合料的品質特性，保障噴射混凝土性能發展。

4 結 論

礦物摻合料的合理利用，是改善噴射混凝土性能、降低工程成本的重要技術措施。本文通過文獻調研與試驗研究，分析了粉煤灰、硅粉、凝灰巖粉等不同礦物摻合料在噴射混凝土的性能及應用，結論如下。

（1） 粉煤灰、硅粉摻入噴射混凝土，摻量一般控制在30%和10%以內，能夠改善噴射混凝土的和易性、降低噴射回彈，改善內部孔隙結構，并提高噴射混凝土強度，提高抗滲、抗凍及抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能。

（2） 充分利用地緣性材料，是混凝土礦物摻合料的發展趨勢與技術需求。凝灰巖粉作為天然火山灰質材料，其在混凝土中可發揮早期水化活性，在模擬噴射試驗中，15%的凝灰巖粉摻量可滿足噴射混凝土的技術要求。為充分發揮不同摻合料的品質特性，凝灰巖粉與粉煤灰復摻的技術方案更優。

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（編輯：江 燾，高小雲）

Application research of mineral admixture used in shotcrete

FAN Zhiyong1，SHI Yan2，LUO Shan1，YANG Menghui2

（1.Huaneng Yaluzangbujiang River Hydropower Inc.，Chengdu 610047，China； 2.Materials and Structures Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）Abstract：

In order to research the application of mineral admixture used in shotcrete，through literature research，this paper analyzed the performance characteristics of mineral admixtures such as fly ash，silica fume，tuff powder，etc.，their influence on the concrete performance and their application in shotcrete.By the experiment of shotcrete with different mix proportion，The influence of tuff powder on the performance of shotcrete was studied.The results showed that when the content of fly ash，silica fume and tuff powder was within 30 %，10 % and 15 % respectively，the engineering construction performance and strength requirements could be meet，the workability of shotcrete could be improved，the rebound of shotcrete could be reduced，the internal pore structure could be refined and the durability of the shotcrete would be improved.The technical scheme of composite admixture of tuff powder and fly ash was better than that of single admixture，which could give full play to the respective advantages of the two admixtures and comprehensively improved the construction performance and technical effect of shotcrete.The incorporation of mineral admixtures into shotcrete was an effective way to improve the performance of concrete to reduce the engineering cost and to utilize geomaterials.The research results can provide references for the application of mineral admixtures in shotcrete and the promotion of geo-mineral admixtures.

Key words：

mineral admixture； fly ash； silica fume； tuff powder； shotcrete

收稿日期：

2022-06-21

基金項目：

國家自然科學基金項目（52179122，U2040222）；湖北省自然科學基金項目（2022CFD026）

作者簡介：

范志勇，男，高級工程師，主要從事水利水電工程建設管理工作。E-mail：393765709 @qq.com