高海拔地質復雜地區噴射混凝土超早強材料應用研究*

徐 鋒,曾 超,劉 明,周晉筑,吳 雄

(1.中建鐵路投資建設集團有限公司,北京 102600;2.中建西部建設建材科學研究院有限公司,四川 成都 610218)

0 引言

高海拔地質復雜地區地層巖性繁雜、地質活動斷裂發育、新構造運動強烈、巖漿侵入體分布廣泛,存在大量高地應力、軟巖大變形、地下水等地質環境,隧道工程圍巖穩定性差,初期支護難度大[1]。為保證工程的質量安全與施工進度,起到快速封閉和支護的作用,隧道設計中對噴射混凝土幼齡期強度提出了極高的要求[2-3]。同時,高原低溫低濕環境又會對噴射混凝土的早期強度發展造成一定的負面影響。混凝土早強性能一般指3d抗壓強度不低于設計值的70%,7d抗壓強度不低于設計值的90%。目前針對地質條件較差的圍巖,采取增大噴射厚度或增加膠凝材料用量,提高噴射混凝土初期支護剛度[4]。研究表明,噴射混凝土厚度過大,會增大初期支護結構的彎曲應力、脆性及施工成本[5]。同時,增加噴射混凝土的強度等級并不能明顯提升混凝土幼齡期強度發展速度,很難實現早期的超早強性能。混凝土幼齡期強度一般指3d以內的抗壓強度,甚至是數小時內的強度發展;超早強性能指混凝土幼齡期抗壓強度的快速提升。目前為了實現噴射混凝土的超早強性能往往會加入無機鹽、醇胺類早強劑及快硬早強型水泥,但加入過多的早強劑會對混凝土的后期強度和耐久性產生負面影響[6-7]。同時采用快硬早強型水泥與早強劑均會對混凝土的工作性能產生不利影響,造成混凝土的流動性損失過快,不能滿足噴射混凝土的可泵性和可噴性[8-10]。

本文圍繞噴射混凝土的超早強性能與工作性能保持、長齡期強度增長兩方面的矛盾,采用納米早強功能材料與增強型無堿速凝劑,快速提升噴射混凝土早期強度,并保障混凝土后期強度的增長。同時采用相匹配的混凝土穩態保塑劑,提高混凝土的流動度保持性能,改善混凝土的黏聚性,提升噴射混凝土的可泵性與可噴性。本文將納米早強功能材料、增強型無堿速凝劑及混凝土穩態保塑劑進行有機結合,開發了高海拔地質復雜地區噴射混凝土超早強材料以解決上述技術難題。

1 試驗

1.1 原材料

P·O 42.5水泥、納米早強功能材料、增強型無堿速凝劑性能如表1～3所示。混凝土穩態保塑劑主要性能為改善混凝土黏聚性與保坍性能,其性能如表4 所示。減水劑性能如表5所示。細集料采用二區機制砂,細度模數2.5,含泥量0.8%,石粉含量8.5%;粗集料為5～10mm碎石,表觀密度2 685kg/m3,空隙率34%,含泥量0.5%,壓碎指標值6%。

表1 水泥性能

表2 納米早強功能材料性能

表3 增強型無堿速凝劑性能(摻量8%)

表4 混凝土穩態保塑劑性能(摻量0.01%)

表5 減水劑性能

1.2 配合比

本文試驗所采用噴射混凝土配合比為:單方混凝土膠凝材料總量為470kg,納米早強功能材料等量替代P·O 42.5水泥(表6中替代量為6%),水膠比0.42,砂率0.5,減水劑摻量1%,穩態保塑劑0.01%,無堿速凝劑摻量6%～8%(表6中摻量為7%),容重為2 340kg/m3。具體配合比如表6所示。

表6 噴射混凝土配合比

1.3 表征與性能測試

1)水化熱采用Thermometric TAM Air 型八通道熱導式等溫量熱儀進行測試,水灰比為0.4,減水劑折固摻量0.1%,分析納米早強功能材料對水泥水化進程的影響。

2)水化產物形貌采用Phenom pharos型場發射掃描電鏡進行測試,測試齡期為1d和28d,養護條件為海拔3 600.000m的實驗室自然養護,溫度10℃,相對濕度50%～60%,分析納米早強功能材料對水化產物的影響。

3)參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》對混凝土拌合物的工作性能進行測試。參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》與JGJ/T 372—2016《噴射混凝土應用技術規程》對混凝土的力學性能進行測試。實驗室抗壓強度測試采用100mm×100mm×100mm的模具振搗成型,工程應用抗壓強度測試采用大板切割成直徑和高度均為100mm的圓柱體試件。實驗室測試養護條件為標準養護,工程應用測試養護條件為現場養護[11]。實驗室試驗在常壓冬季開展,溫度5～10℃,相對濕度60%～70%,包括混凝土拌合物性能測試及試件成形。

2 結果與討論

2.1 水膠比與減水劑摻量對噴射混凝土流動性和抗壓強度的影響

水膠比是影響混凝土強度等級的關鍵指標之一,對混凝土的強度發展及工作性能有直接影響,而對摻入速凝劑的噴射混凝土早期強度發展作用尚未可知。同時減水劑摻量會對混凝土工作性能產生顯著影響,而對于混凝土幼齡期的強度發展影響并未進行研究[11-12]。因此,本小節圍繞水膠比與減水劑摻量對噴射混凝土流動性和抗壓強度的影響進行研究。采用表6的配合比,不加入納米早強功能材料和混凝土穩態保塑劑,早期抗壓強度測試時間為8h和24h。

不同水膠比對噴射混凝土坍落度及8h和24h抗壓強度的影響如圖1所示。由圖1可知,在減水劑摻量相同條件下,水膠比從0.44變化至0.38,混凝土坍落度從220mm降低至155mm,但混凝土8h抗壓強度并沒有隨水膠比降低而明顯增大,呈現出與普通混凝土不同的變化規律。24h抗壓強度與普通混凝土變化規律一致,從19.2MPa增大至23.7MPa。推測其原因為:在速凝劑的促凝條件下,混凝土超早期強度的發展主要取決于膠凝材料與速凝劑的總量和比例,而伴隨速凝劑促凝作用的減弱,后期的強度發展逐漸由膠凝材料水化及自由水含量來決定。因此,在噴射混凝土中通過降低水膠比來提升幼齡期抗壓強度的方法可行性較低,反而會降低噴射混凝土的可泵性與可噴性。

圖1 不同水膠比對噴射混凝土坍落度及8,24h抗壓強度影響

減水劑摻量對噴射混凝土坍落度及8h和24h抗壓強度的影響如圖2所示。在相同水膠比條件下,減水劑摻量從0.9%增加至1.2%,混凝土坍落度從18mm增大至225mm,而混凝土8h抗壓強度從3.4MPa降低至1.3MPa。24h抗壓強度無明顯變化,集中在20.8～21.5MPa。抗壓強度呈現出不同的變化規律,其原因可能為:減水劑會吸附到水泥顆粒表面,減少了孔隙液中游離Ca2+濃度及裸露的有效接觸面積,特別是水化早期,該種緩凝作用更顯著。伴隨水泥水化作用的進行,水化產物覆蓋了吸附的減水劑,阻礙水化的效果減弱,對后期的強度發展影響較小,試驗組的水膠比相同,后期強度基本保持一致。由此可看出,相同水膠比條件下,減水劑摻量越高,噴射混凝土幼齡期強度越低。因此,通過直接添加減水劑來提升混凝土工作性能的方法并不適用于配制幼齡期超早強混凝土。

圖2 不同減水劑摻量對噴射混凝土坍落度及8,24h抗壓強度的影響

2.2 增強型無堿速凝劑對噴射混凝土抗壓強度的影響

速凝劑是保證噴射混凝土在短時間內硬化產生強度的關鍵材料,對于混凝土的幼齡期強度增長及后期強度發展有顯著影響[13]。本小節對速凝劑種類及摻量對噴射混凝土的早期強度影響進行了研究。

不同速凝劑對噴射混凝土8,24h抗壓強度的影響如圖3所示。相較于有堿和低堿速凝劑,無堿速凝劑的噴射混凝土抗壓強度更高,8h和24h的抗壓強度分別提升200%,36%和130%,51%。其原因為:有堿和低堿速凝劑為了達到快速硬化的效果,含堿量過高或引入氟離子均不利于混凝土抗壓強度的增長[14-15]。增強型無堿速凝劑額外引入一定量的混凝土強度增強組分,同時盡量減少對強度發展不利的組分,可顯著提升混凝土抗壓強度。相比于普通無堿速凝劑,8h和24h的抗壓強度分別提升73%,16%。

圖3 速凝劑種類對噴射混凝土8,24h抗壓強度的影響

不同增強型無堿速凝劑摻量對噴射混凝土8h,24h抗壓強度的影響如圖4所示。隨著增強型無堿速凝劑摻量的增加,混凝土8h和24h抗壓強度呈增大趨勢,由此看出,可通過增加其摻量來提升混凝土幼齡期的抗壓強度。摻量從6%增加至7%,噴射混凝土8h,24h抗壓強度分別提升37%和10%;摻量從7%增加至8%,8h,24h抗壓強度分別提升8%和4%,提升效果不明顯。因此增強型無堿速凝劑的最佳摻量為膠凝材料的7%。

2.3 納米早強功能材料對噴射混凝土工作性和抗壓強度的影響

通過摻入早強劑與快硬早強型水泥來提升噴射混凝土的幼齡期抗壓強度,往往會對混凝土的流動性、坍落度保持性、后期強度與耐久性等產生負面影響。本小節采用自研的納米早強功能材料作為噴射混凝土的早強材料,研究了其對混凝土工作性與不同齡期抗壓強度的影響。所采用的配合比如表6所示,不加入混凝土穩態保塑劑,抗壓強度測試時間為8h,24h與28d。

不同摻量的納米早強功能材料對噴射混凝土1.5h坍落度損失及8h,24h,28d抗壓強度的影響如圖5所示。摻入4%～8%的納米早強功能材料,8h,24h與28d的混凝土抗壓強度分別提升219%～350%,9%～21%,13%～16%。隨著納米早強功能材料摻量的增加,混凝土坍落度損失增大至20mm,坍落度仍可保持在180mm左右,具有較好的流動性,可保證噴射混凝土的可泵性。

圖5 納米早強功能材料摻量對噴射混凝土1.5h坍落度損失及8h,24h,28d抗壓強度的影響

2.4 混凝土穩態保塑劑對噴射混凝土工作性能與抗壓強度的影響

由2.3節可知,摻入納米早強功能材料會造成混凝土一定程度的坍落度損失,為了保證噴射混凝土良好的可泵性與可噴性,需添加一定量穩態保塑劑對混凝土的坍落度損失進行調控。

不同摻量的穩態保塑劑對噴射混凝土1.5h坍落度損失及8h,24h,28d抗壓強度的影響如圖6所示。混凝土坍落度損失隨穩態保塑劑用量的增大而減小,摻量為0.01%時1.5h混凝土坍落度損失僅為4mm。當摻量達到膠凝材料的0.015%時,混凝土1.5h后出現坍落度增大現象,對噴射混凝土的可泵性與可噴性產生不利影響,同時8h的抗壓強度減小12.5%,因此穩態保塑劑的摻量不宜超過0.015%。穩態保塑劑摻量過大時,僅會輕微降低混凝土8h的抗壓強度,而對混凝土24h和28d抗壓強度無負面影響。

圖6 混凝土穩態保塑劑摻量對噴射混凝土1.5h坍落度損失及8h,24h,28d抗壓強度的影響

2.5 高海拔地質復雜地區噴射混凝土超早強材料的作用原理分析

為了研究高海拔地質復雜地區噴射混凝土超早強材料的早強作用機理,分別對比空白組、加入6%納米早強功能材料、加入6%納米早強功能材料與0.01%混凝土穩態保塑劑的水泥水化進程及空白組與摻入納米早強功能材料的1d和28d水化產物形貌。

摻入納米早強功能材料與穩態保塑劑的水泥水化曲線如圖7所示。摻入納米早強功能材料會顯著加快水泥的水化放熱速率,同時提高早期的放熱量[16-17]。與空白組相比,納米早強材料的最大放熱峰在9h左右,水化放熱峰提前11.6h,峰高增強50%,表明納米早強功能材料能高效促進水泥早期的水化,從而快速提升混凝土早期的抗壓強度[18-19]。加入穩態保塑劑后,最大放熱峰前出現一個短暫的平臺期,水泥開始快速升溫的時間推遲1.2h。可推測,加入穩態保塑劑后可在一定程度上延緩水泥在1h左右的水化速率,從而減小混凝土的坍落度損失。而最大放熱峰僅延遲0.7h,表明穩態保塑劑對混凝土早期強度增長的影響較小,恰好可滿足具有早強要求混凝土的保坍性能提升。

圖7 納米早強功能材料與穩態保塑劑對水泥水化的影響

不同齡期水泥水化產物形貌的SEM圖如圖8所示。由圖8a,b可知,摻入納米早強功能材料的水泥水化產物中生成大量針棒狀結構,其頂部團簇交錯連接形成三維空間網狀結構,分布廣泛且均勻,這類結構為C—S—H凝膠[20]。相較于空白組,圖8b中1d水化產物中的C—S—H凝膠結構明顯更多。表明水泥中摻加納米早強功能材料后,納米早強功能材料能在水泥早期水化過程中提供額外的成核位點,降低水化產物 C—S—H 凝膠的成核勢壘,促使水化產物在納米早強功能材料表面快速成核生長。結合水化熱進行分析,這種水化成核結構有效減弱了覆蓋在水泥顆粒表面的水化產物膜層,縮短了誘導期,從而加快水泥水化速率。同時生成大量的水化產物,提高結構的密實度,進而加速水泥漿體早期強度的發展[21]。由圖8c,d可知,摻入納米早強功能材料并不會影響后期的水化產物結構,反而有助于提高水化產物結構的密實度,表明該種早強材料并不會對混凝土的后期強度發展產生負面影響。

圖8 水泥水化產物的SEM圖

2.6 高海拔地質復雜地區噴射混凝土超早強材料的工程應用

本文依托某工程進行應用評價。該工程平均海拔高度3 600.000m以上,年平均氣溫7.1℃,相對濕度73%,屬于川西高原典型的高原高寒氣候。

同時沿線地質活動頻繁、斷裂發育、新構造運動強烈、巖漿侵入體分布廣泛,存在大量構造應力高度集中的地質環境。因此,該工程對隧道噴射混凝土的幼齡期強度發展提出了超早強的性能要求,以保證工程質量安全和施工效率。

根據上述研究和現場試驗結果,本工程應用的噴射混凝土超早強材料由膠凝材料質量6%的納米早強功能材料、7%增強型無堿速凝劑及0.01%混凝土穩態保塑劑組成。施工噴射混凝土配合比如表7所示。參照《噴射混凝土應用技術規程》進行抗壓強度測試,試件為采用大板鉆芯取樣制得的直徑和高度均為100mm的圓柱體,測試齡期為8h,24h和28d。

表7 施工噴射混凝土配合比

通過現場混凝土取樣測試,1.5h后混凝土具有良好的工作性能,保證了噴射混凝土優良的可泵性。從現場噴射施工情況可看出,摻入超早強材料的噴射混凝土具有良好的可噴性,對回彈率等無負面影響。大板鉆芯取樣試件切面光滑整齊,無缺角,碎石、砂漿分布均勻,表明噴射混凝土具有良好的勻質性及較高的硬化強度。經過檢測8h,24h和28d的抗壓強度分別為11.9,25.6,53.3MPa。

3 結語

本文針對高海拔地質復雜地區噴射混凝土的超早強性能要求,研究了水膠比、減水劑摻量、納米早強功能材料、增強型無堿速凝劑及混凝土穩態保塑劑對噴射混凝土的工作性能及抗壓強度的影響,將三者有機結合開發了高海拔地質復雜地區噴射混凝土超早強材料,并通過水化熱和水化產物探究了超早強和工作性保持性能的作用機制,并在某工程進行了工程應用評價。

1)混凝土水膠比越低,24h抗壓強度越高,但8h幼齡期的抗壓強度無明顯提升,且工作性能變差;相同水膠比條件下,減水劑摻量越高,工作性能提升,但噴射混凝土幼齡期強度越低。

2)增強型無堿速凝劑能顯著提升噴射混凝土8h和24h抗壓強度,相比于普通無堿速凝劑,8h和24h的抗壓強度分別提升73%和16%;摻量越高抗壓強度提升越大,最佳摻量為膠凝材料的7%。

3)摻入8%的納米早強功能材料,8h,24h與28d的混凝土抗壓強度分別提升350%,21%,15%;隨著納米早強功能材料摻量的增加,混凝土坍落度損失增大,最佳摻量為膠凝材料的6%。

4)穩態保塑劑可有效降低摻入納米早強材料混凝土的坍落度損失,摻量為0.01%時1.5h混凝土坍落度損失僅為4mm,對混凝土的抗壓強度無負面影響,最佳摻量為膠凝材料的0.01%。

5)摻入納米早強材料可高效促進水泥早期的水化,水化放熱峰提前11.6h,峰高增強50%;水泥水化產物中生成大量針棒狀結構,表明在水泥早期水化過程中提供額外的成核位點,促使水化產物快速成核生長。

6)高海拔地質復雜地區噴射混凝土超早強材料在某工程進行應用評價,經檢測8h,24h和28d的抗壓強度分別達到11.9,25.6,53.3MPa。