低掺量矿物掺合料对C30喷射混凝土性能的影响_王雷鸣.pdf

江苏建筑2022年第6期（总第225期）0引言喷射混凝土作为隧道工程一衬结构的核心材料，其每年的使用量十分巨大，且应用领域除铁路隧道外，还广泛涉及公路、水电站、地铁等军用或民生地下工程1-2。不同于普通混凝土，特殊的喷射作业工艺与液体速凝剂的使用赋予了喷射混凝土具有快速凝结硬化、与围岩粘结附着力高及硬化孔隙高等性能特点，同时其在配合比上常采用高水泥用量及大砂率以满足喷射施工的可泵性与可喷射性以及速凝硬化效果3，进而加剧了喷射混凝土的收缩变形倾向。部分研究中提出掺入硅灰或偏高岭土等高火山灰活性矿物掺合料来提高混凝土拌合低掺量矿物掺合料对 C30 喷射混凝土性能的影响王雷鸣1,2，曾鲁平1,2，乔敏1,2，王伟1,2，赵爽1,2（1江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京211103；2江苏省建筑科学研究院有限公司，高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京211108）摘要对比纯水泥体系，文章从净浆凝结时间、砂浆早期强度、混凝土力学强度与干燥收缩性能等方面探究了低掺量矿物掺合料对C30喷射混凝土性能的影响，结果表明：矿物掺合料以低掺量形式单掺或复掺会造成喷射混凝土的凝结时间延长，同掺量下粉煤灰对体系的缓凝效果要强于粒化高炉矿渣粉；喷射混凝土的早期力学强度及干燥收缩性能受低掺量矿物掺合料的影响而有所劣化，但通过火山灰水化反应及微骨料填充效应提高了喷射混凝土的后期强度，有利于满足C30强度等级的喷射混凝土力学性能要求。关键词喷射混凝土；矿物掺合料；凝结时间；力学强度；干燥收缩中图分类号 TU528.53文献标志码 B文章编号1005-6270（2022）06-0105-05Effect of Mineral Admixture with Low Content on the Performance of Sprayed ConcreteWANG Lei-ming1,2ZENG Lu-ping1,2QIAO Min1,2WANG Wei1,2ZHAO Shuang1,2（1.Jiangsu Sobute New Materials Co.,Ltd.,Nanjing Jiangsu 211103 China；2.Jiangsu Architectural Scientific Research InstituteCo.,Ltd,State Key Laboratory of High Performance Civil Engineering Materials,Nanjing Jiangsu 211103 China）Abstract：Compared to pure cement group,the effect of effect of mineral admixture with low content on theperformance of sprayed concrete is investigated via cement slurry setting time,mortar early strength,mechanical strength and drying shrinkage behavior of sprayed concrete.Results shown that the coagulationperformance of sprayed concrete was retarded with mineral admixture introduced,singly or jointly.Suchretarded effect of fly ash was stronger than that with granulated blast furnace slag.On the other hand,whenmineral admixtures were used,the early strength and drying shrinkage values of sprayed concrete could bedeteriorated.But the long-term strength was enhanced due to the pozzolanic reaction and micro-aggregatefilling effect,induced by the mineral admixtures,thus was beneficial for the mechanical strength demand ofC30 sprayed concrete.Key words：sprayed concrete；mineral admixture；setting time；mechanical strength；drying shrinkage收稿日期2022-07-09作者简介王雷鸣，男（1987-），江苏苏博特新材料股份有限公司，工程师，主要从事高性能混凝土制备及相关产品推广应用工作。基金项目：国家重点研发计划（2021YFB2601000）、江苏省自然科学基金项目（BK20211030、BK20211031、BK20221199）、中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（K2020G035）、国家重点研发计划（2020YFC1909900）、国家自然科学基金面上项目（52178213）。105江苏建筑2022年第6期（总第225期）表1试验用粉煤灰及粒化高炉矿渣粉的性能指标物粘聚性及早后期强度4-5，但尚存在使用价格偏高以及增大混凝土粘聚性、降低可泵性等问题，而掺入高掺量的粉煤灰或矿渣粉会明显削弱喷射混凝土的凝结时间，导致施工喷射回弹率增大。针对上述现状，文章从低掺量矿物掺合料出发，探究了掺入形式下对喷射混凝土工作性、凝结时间、力学强度以及干燥收缩性能的影响，并对比分析了矿物掺合料在低掺量条件下喷射混凝土早期强度发展行为，以期推动喷射混凝土材料在地下空间工程中的应用发展，并为其服役性能改善提供基础数据。1试验1.1原材料水泥为鹤林牌PO 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积320 m2/kg，密度3.08 g/cm3，28 d抗压强度48.2 MPa；试验用矿物掺合料为市售级F类粉煤灰及S95级粒化高炉矿渣粉，基本物理性能见表1；粗骨料为0 mm10 mm连续级配石灰岩质碎石，针片状颗粒含量为3.5%，表观密度2 750 kg/m3；细骨料为2区中型机制砂，细度模数2.75，石粉含量4.2%，表观密度2 610 kg/m3。减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA-系列聚羧酸高性能减水剂，含固量25.5%，减水率27.1%，28 d抗压强度比142%；液体速凝剂为SBT-N()液体速凝剂（无碱型），固含量51.3%，氟离子含量0.02%，与试验水泥的适应性结果满足喷射混凝土用速凝剂（GB/T 351592017）标准。种类细度/%(45m方孔筛余)密度(g/cm3)含水率/%烧失量/%SO3含量/%活性指数/%7 d28 d粉煤灰矿渣粉15.42.32.572.950.450.302.30.61.72.2628481981.2试件配合比混凝土试验采用C30喷射混凝土配合比（表1）及室内拌制、模具成型。对比空白组，设置粉煤灰与矿渣粉单掺与复掺两种形式，采用内掺方式，替代比例分别为5%与10%。注：粉煤灰及粒化高炉矿渣粉性能测试分别按照用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/T 15962017）及用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉（GB/T 180462017）执行。表2低掺量矿物掺合料体系下喷射混凝土的理论配合比注：速凝剂与减水剂掺量分别占水泥用量的7%与1%；用水量中扣除速凝剂引入水量。组别研究因素配合比/kgm-3水泥掺合料碎石机制砂用水量BlankFA组SP组FS复掺组空白组粉煤灰单掺矿渣粉单掺粉煤灰+矿粉双掺48045645643202424488148148148148148148148141921921921921.3试验方法水泥净浆凝结时间试验按照标准 喷射混凝土用速凝剂（GB/T 351592017）附录D进行；水泥砂浆试验采用同喷射混凝土的无碎石配合比，制备尺寸40 mm40 mm40 mm的掺速凝剂水泥砂浆，测试硬化72 h内试件的抗压强度值。混凝土拌合物工作性能按照普通混凝土拌合物性能试验方法标准（GB/T 500802016）方法执行，测试矿物掺合料在低掺量条件下对喷射混凝土拌合物的坍落度、坍落扩展度、含气量及表观密度等工作性能指标的影响。混凝土力学性能按照混凝土物理力学性能试验方法标准（GB/T 500812019）方法执行，采用强制式双卧轴搅拌机制备好喷射混凝土拌合物后，将液体速凝剂均匀地倒在拌合物表面，在15 s30 s内将两者迅速、充分混合，置于尺寸150 mm150 mm150 mm的立方体标准试模中、充分振动60 s后抹平表面，在标准养护环境中养护至相应测试龄期，测试硬化龄期1 d、7 d、14 d、28 d、90 d试件的抗压强度值。混凝土干燥收缩试验按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T 500822019）中接触法进行，对室内成型好的喷射混凝土置于尺寸100 mm100 mm515 mm的棱柱体试模中，试模两端分别预埋黄铜材质测头及螺栓，在成型后立即放入湿度95%RH及温度201的标准养护环境中养护24 h，随后拆模后采用立式混凝土收缩仪测试试件初始长度值，记录不同测试龄期下RR106江苏建筑2022年第6期（总第225期）图1低掺量矿物掺合料对掺速凝剂净浆的凝结时间影响混凝土试件的干燥收缩值。2结果与讨论2.1水泥净浆凝结时间无碱速凝剂的掺入促使水泥在较短时间内迅速形成大量钙矾石等水化产物，加快喷射混凝土的凝结硬化效果，宏观上达到喷射一次厚度增加与喷射过程回弹率降低的目的6。故本节探究了低掺量掺合料种类及单复掺形式对掺速凝剂净浆凝结时间的影响，其结果见图1。由图1可知，矿物掺合料在低掺量条件下对掺速凝剂净浆凝结时间的影响存在差异性。对比纯水泥体系，对于粉煤灰或粉煤灰复掺矿粉体系，净浆初凝及终凝时间均有一定程度延长，而矿粉单独的掺入带来的缓凝效果要弱于粉煤灰，甚至对净浆体系初凝时间有所缩短，这是因为粉煤灰的早期水化活性较低并且与液体速凝剂之间的水化作用较弱，在一定程度上削弱了速凝产物的水化进程，导致初终凝时间延长，这对于粉煤灰与矿粉复掺体系较为明显5，当矿物掺合料替代水泥质量比例达到10%时，净浆体系终凝时间从3分40秒延长至5分50秒；但另一方面，矿粉在低掺量条件下对掺速凝剂净浆凝结时间延长作用较弱，这可能与矿粉在较低掺量下对水泥早期水化放热影响较小有关7，进而对早期速凝硬化的负面影响较小。2.2混凝土拌合物工作性能不同于普通C30混凝土，独特的泵送、凝结硬化需求以及喷射工艺赋予了喷射混凝土具有高水泥用量、大砂率的配合比设计特点以及可泵送、可喷射性的工作性要求。对比纯水泥体系，本节探究了低掺量矿物掺合料对C30喷射混凝土性能的影响，结果见表3。对比纯水泥体系，粉煤灰在内掺5%比例时能明显改善混凝土拌合物和易性，扩展度从450 mm增加至500 mm，这是因为粉煤灰颗粒较细且富含玻璃微珠，利用其自身良好“滚珠效应”，实现对水泥浆体的润滑、滚动作用，促使混凝土可泵性能得到提升8，这对于单方水泥用量较高的喷射混凝土体系更为明显。拌合物含气量的结果表明矿物掺合料在低掺量情况下能起到改善水泥颗粒堆积效应的作用，进而降低了体系含气量，并在一定程度上提高了混凝土的实际表观密度。从和易性改善效果来看，粉煤灰单掺体系最优，其次为粉煤灰与矿渣粉复掺体系，低掺量矿粉对喷射混凝土拌合物的影响较小。2.3混凝土力学强度近年来新奥法隧道大力推广应用全断面隧道开挖工法，对喷射混凝土材料提出了更高的力学强度设计，普遍采用C30以上的混凝土强度等级9，因此本节进一步探究了低掺量矿物掺合料对喷射混凝土的力学强度影响。喷射混凝土的早期强度随不同矿物掺合料组分的掺入