高分子增粘剂对喷射混凝土回弹率影响及室内评测方法研究

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高分子增粘剂对喷射混凝土回弹率影响及室内评测方法研究
邹前
(广西交通投资集团有限公司，广西南宁530022)
摘要：文章采用砂浆扭矩转速测试仪測试#入高分子增粘剂前后水泥砂浆的流变特性变化。

结果表明，摻入聚丙烯酰胺和改性 纤维素醚等高分子增粘削可大幅提高砂浆的屈服应力和塑性粘度，在#入高分子增粘削的喷射浞凝土中也同样适用。

关键词：喷射混凝土回弹率评测方法：高分子增粘削；流变学：屈服应力 文献标识码:A中图分类号:TU58
文章编号：2096-4137 (2020) 14-100-04 DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2020.14.42
Research on the effect of polymer tackifier on the rebound rate of shotcrete and indoor evaluation method
ZOU Qian
(Guangxi Communications Investment Group Co.Ltd,Nanning 530022,China)
Abstract: This article uses a mortar torque speed tester to test the rheological properties of cement mortar before and after adding polymer tackifier.The results show that the addition of polymer tackifiers such as polyacrylamide and modified cellulose ether can greatly increase the yield stress and plastic viscosity of the mortar,and it is also applicable to shotcrete with polymer tackifiers.
Keywords: evaluation method of rebound rate of shotcrete;polymer tackifier;rheology;yield stress
0引言
通过国内外己有研宄和实践，证明采用湿式混凝土喷 射丁艺较干式丁.艺能有效降低粉尘浓度和冋弹率，掺入微 硅灰等超细粉材料对回弹起到了较好的抑制作用。

本文认为 无论湿喷工艺或回弹抑制材料，其共同点是增大混凝土自身 的粘度，进而提高混凝土与接触面间的粘结能力实现低回 弹，再而喷射混凝土碎石粒径宜< 19mm，越小越好，通过 Armelin的回弹模型可以推算，越小的粒径具有的动能越大，在碰撞过程中碎石进入己喷覆胶浆层的深度越大。

本文将研究的重点定位在探究提高拌和物粘聚性与喷射 混凝土回弹之间的关系，并评估增粘剂如何对其起作用。

这 最终将有助于了解混合物的哪些属性可用来限制回弹，并有 助于低回弹喷射混合物的设计。

本文中，选用聚丙烯酰胺和 改性纤维素醚作为增粘剂，用屈服应力评价其粘度增幅，最 后通过大型混凝土湿喷试验，测试两种增粘剂不同的浓度喷 射出了混合物的回弹率，强度等确定喷射混凝土拌和物粘度 与回弹率的回归关系及对强度的影响。

1试验方案
1. 1评价方法
1.1.1砂浆流变性测试方法
相关学者研宄成果认为水泥砂浆与混凝土的流变特性都 符合宾汉姆模型，因喷射混凝土掺入速凝剂很难测得其流变 性能，通过测试水泥砂浆的流变特性间接表征混凝土粘度。

试验采用软固体流变仪进行试验，转矩不同浆体塑性粘度和屈服应力不同。

用不添加粗集料的水泥、砂、高分子增粘剂、聚羧酸减水剂组成的水泥砂浆体的屈服应力表征值g为指标 对砂浆流变性进行评价。

相应的转速和扭矩通过改装的砂浆 搅拌机进行测试。

T=T〇+ n plX y (1)
式中：T为在不同剪切速率y(s1)下的剪切应力，Pa;%为宾汉流体的两个流变参数屈服应力，Pa; n pl为宾 汉流体的流变参数塑性粘度，Pa-s。

1.1.2回弹率测试方法
除了喷射工艺外，喷射角度和喷射距离度是影响回弹率 大小的一个重要因素，为消除上述干扰因素，喷射混凝土回 弹率统一采用潮喷工艺，喷射角为90°，喷射距离2.2m。

每次喷射0.15m3混凝土，试验前称量好。

采用喷受面用直 径X厚度为100cmX20cm圆形试模，体积0.157m3。

喷射 完成20m in内，称量脱落在地面上的混凝土并计算其占喷射 总量的百分率，作为喷射混凝土回弹率。

粘结强度按照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术 规范》（GB 50086-2015)大板室内劈拉法成型试块，测 试其28d龄期的劈裂粘结强度值。

混凝土流变特性评价方 法釆用水泥混凝土双卧轴流变仪，可搅拌集料最大粒径为 50mm的混凝土。

转速范围在0〜100r/min，扭矩测量范围为 0.1〜3001^m，。

流体的剪切扭矩随剪切转速改变而变化，混 凝土拌和物扭矩和转速的线性表达用式2所示。

T=g+h X N(2)
式中，T为扭矩，g、h为常数，g可作为屈服应
100 ♦中国高新科技2020年第14期
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表1水泥的物理力学性能与指标
项目
表观密度（g/cm3)
比表面积
(m2/ kg)体积安定性凝结时间（min)抗折强度（MPa)抗压强度（MPa)
初凝
终凝
3d
28d 3d 28d 普通硅酸盐水泥
3.04358
合格
175260
4.67.932.651.2
力的表征值，h 作为塑性粘度的表征值；N 为转速，r m in 、
1.2原材料(1)
水泥选用普通硅酸盐水泥P .042.5级水泥，其相应
的物理力学性能如表1所示。

(2)
细集料采用河砂，细度模数2.56,表观密度2.54g /cm 3,含
泥量0%，泥块含量％。

(3)
粗集料采用4.75~16mni 连续级配的石灰岩碎石， 表观密度2.71g /cm 3,含泥量0.5%，泥块含量0.15%,针片 状 5.2%。

(4)
改性纤维素醚选用非离子型的羟丙基甲基纤维素 (HPMC ),粘度在 36000cps 。

(5) 聚丙烯酰胺（PMA )选用平均分子量 彡 7000000,固含量5= 90.0%。

(6)
外加剂采用聚羧酸高性能减水剂，在一定产量下
减水率可达25%。

(7) 无碱速凝剂，符合《喷射混凝土用速凝剂》（JC
477-2005) —等品要求。

能的影响，分别测定了空白砂浆（减水剂掺量1.0%) \1.5%。

改性纤维素醚砂浆（减水剂掺量1.0%) \0.25%。

聚丙烯酰胺
砂浆（减水剂掺量1.0%)的流变曲线。

水泥砂浆配合比（水 灰比0.36,砂灰比1:3)保持不变，具体配合比如表2所示，
试验结果如表3所示。

结果显示，3种浆体试样的剪切应力t 与剪切速率丫
呈正增长趋势，但增大的速率有所不同。

掺入聚丙烯酰胺和
改性纤维素醚砂浆试样的剪切应力均远大于空白组砂浆， 在低速搅拌期（< 40)应力大小关系为：聚丙烯酰胺砂浆
>改性纤维素醚砂浆
>空白砂浆：在高速搅拌期> 40, 应力大小关系为：改性纤维素醚砂浆>聚丙烯酰胺砂浆> 空白砂浆：拟合得到的宾汉线性回归方程为：空白组砂浆 t =29.25+1.1597 y , t 。

屈服强度 29.25,塑性粘度 1.1597;
聚丙烯酰胺砂浆t =66.828+1.6041 丫，I 。

屈服强度66.828,
塑性粘度1.6041:改性纤维素醚砂浆t =46.539+2.0328 y ，
t 。

屈服强度46.539,塑性粘度2.0328。

上述结果表明，一定剂量的聚丙烯酰胺和改性纤维素醚
可增大砂浆的屈服应力和塑性粘度：在低于40。

时聚丙烯
酰胺具有更大的屈服应力和塑性粘度，在>40s _l 时，改性 纤维素醚砂浆的屈服应力和塑性粘度优于聚丙烯酰胺。

从流
变曲线来看，聚丙烯酰胺在高
速搅拌期更容易被稀化，改性 纤维素醚的屈服应力和粘度系 数得到了更好的保持，不易被 稀化。

为了进一步验证聚丙烯酰
胺和改性纤维素醚的流变性能， 采取多组剂量验证上述推断。

水灰比和灰砂比被认为是影响 砂浆流变性能的主要因素，在 采用与上相同水灰比、砂灰比 聚丙烯酰胺采用0.1%。

、0.2%。

、 0.25%〇、0.30%〇4个掺量级（胶 凝材料质量计）进行砂浆流变 性能测试；改性纤维素醚采用 0.5%〇、1.0%〇、1.5%。

、2.0%〇4 个掺量级进行砂浆流变性能测
2
砂浆流变特性
为研宄聚丙烯酰胺和改性纤维素醚的掺入对浆体流变性
表2
砂浆配合比
类型配比
水泥砂水减水剂
改性纤维素醚
聚丙烯酰胺
空白砂浆（kg/m3)4241273144 2.12//改性纤维素醚砂浆（kg/m3)4241273144 2.120.636/聚丙烯酰胺砂浆（kg/m3)
424
1273
144
2.12
/
0.106
表
3
不同水泥砂浆剪切速率对应的剪切应力測试结果
剪切速率（s'1)
剪切应力（Pa)空白水泥砂浆
改性纤维素醚1.5%。

聚丙烯酰胺0.25%。

532.152.069.41038.5663.877.61544.975.787.72558.299.4110.73068.0111.2122.635
75.6123.1134.54078.4134.9135.85595.3156.4146.96096.3166.8157.965
99.5
173.6
170.6
2020年第14期•中国高新科技101
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表4聚丙烯酰胺砂浆流变性能測试结果
聚丙烯酰胺掺量剪切速率（S—1)515304560 0.1 %0剪切应力（Pa)41.456.782.6108.7118.9
0.2%〇剪切应力（Pa)49.565.6116.5137.7144.9
0.25%〇剪切应力（Pa)69.487.7122.6146.7157.9 0.30%〇剪切应力（Pa)68.5588.6127.6145.6158.7
表5 改性纤维素醚砂浆流变性能测试结果
改性纤维素醚掺量剪切速率（s“）515304560
0.5%〇剪切应力（Pa)36.252.787.2112.4123.3
1.0%〇剪切应力（Pa)45.068.7101.2129.4138.8
1.5%〇剪切应力（Pa)51.975.7111.214
2.4166.8
2.0%〇剪切应力（Pa)5
3.877.6110.2143.4165.8
试，并根据剪切应力与剪切速率宾汉回归得到聚丙烯酰胺砂 浆和改性纤维素醚宾汉方程、屈服强度和塑性粘度，流变性 能测试结果如表4、表5所示。

由表4和表5数据发现，随着剪切速率增大，剪切应 力呈现增大趋势，二者呈现同向递增关系，但剪切应力增 幅与剪切速率增幅开始下降。

改性纤维素醚砂浆4个掺量 0.5〜2.0%。

，在低速搅拌期的剪切应力均<聚丙烯酰胺砂浆，但在60,高速搅拌期时剪切应力>聚丙烯酰胺砂浆，再次 验证聚丙烯酰胺在高速搅拌期比改性纤维素醚更容易被稀 化。

但通过测算的屈服应力和塑性粘度来看，聚丙烯酰胺的屈服应力值和塑性粘度大小来看，聚丙烯酰胺砂浆要>改性
纤维素醚砂浆。

从两种砂浆的屈服应力与剪切速率对应关系
的流线方程表明更接近于宾汉流体。

对表6和表7流变曲线进行宾汉方程拟合，得到聚丙烯
酰胺和改性纤维素醚砂浆混凝土的屈服应力(Pa)和塑
性粘度n p l(Pa«s)随着掺量的变化而变化，结论如下。

(1)显示出两个流变参数都随掺暈提高逐渐增大，但 增幅变缓。

(2)改性纤维素醚掺量1.5%。

〜2.0%。

时，屈服应力由 44.20Pa微增 46.32Pa,塑性粘度由 2.11Pa.s降至 2.06Pa.s，
表6基准配合比中个材料用量（单位：kg/m3)
编号水泥砂石水减水剂改性纤维素醚聚丙烯酰胺速凝剂
基准424940860170 2.12/22.8
J-0.15%〇424940860170 2.120.15%〇/22.8
J-O.25%0424940860170 2.680.25%〇/22.8
J-0.35%〇424940860170 3.420.35%〇/22.8
X-1.5%〇424940860170 2.12/ 1.5%〇22.8
X-2.0%〇424940860170 2.12/2.0%〇22.8
X-2.5%424940860170 2.12/2.5%〇22.8
表7
高分子抑制剂喷射混凝土性能试验结果
编号坍落度（mm)屈服应力表征值28d抗压强度（MPa)回弹率（％)粘结强度（MPa)基准155 1.7250.413.6 1.15
J- 0.15%〇130 5.0948.811.4 1.57
J-0.25%〇1359.3245.09.5 2.28
J-0.35%15010.0343.79.9 2.55
X-1.5%〇160 2.0145.412.8 1.40
X-2.0%〇1509.7243.58.9 1.83
X-2.5%〇12011.1542.19.1 1.96
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几乎不变，由屈服应力值和塑性粘度两值来判断，应是掺量 己达上限值；聚丙烯酰胺掺量0.25%。

~0.3%。

时，屈服应力由 64.89Pa 微升至 65.67Pa ,塑性粘度 1.68Pa.s 至 1.68Pa.s 保持不变，由屈服应力值和塑性粘度两值判断，此为饱和掺量。

3高分子增粘剂对喷射混凝土回弹的影响
3.1基准配合比确定
根据国内高质量潮喷混凝土配合比设计优化来看，空气 运送方式的坍落度要求为140±20mm ,本试验采用空气运 送方式的潮喷工艺，进行大板喷射；选用采用低碱或无碱液 体速凝剂掺量8%,减水剂掺量0.5%〜0.8%,具体掺量根据 坍落度大小是否满足工艺最低要求调整。

为了更好地检验高分子增粘材料的回弹抑制效能，本 文选用无碱速凝剂；水灰比选用0.4是基于砂浆试验选用 0.36水灰比，考虑到粗集料吸水消耗增加0.04,水泥仍选用 424kg /m 3。

根据砂浆流变试验，聚丙烯酰胺掺量为水泥质量
的0.丨5%。

、0.25%〇、0.35%。

3个掺量，_(编号为掺入聚丙烯酰 胺高分子增粘剂混凝土；改性纤维素醚掺量1.5%。

、2.0%〇、 2.5%。

，X 编号的混凝土为掺入改性纤维素醚高分子增粘剂 混凝土。

各配合比各材料用量如表6所示。

3.2试验结果
根据上述试验方案，选择坍落度、抗压强度、屈服应力、 回弹率作为检验指标，试验结果如表7所示。

改性纤维素醚和聚丙烯酰胺高分子增粘剂对喷射混凝土 回弹率的影响分析：
(1)
通过实体喷射混凝土试验数据进行分析，与基准 组相比，改性纤维素醚和聚丙烯酰胺的掺入有效降低了喷射 混凝土的回弹率：其中改性纤维素醚掺量2.0%。

时，回弹率
由13.6%降至8.9%,回弹抑制率达4.7%,这可能与高分子 增粘剂增大混凝土的屈服应力表征值有某种关系：通过喷射 粘结强度试验发现，改性纤维素醚高分子抑制剂的掺入，提 高屈服应力的同时，也大幅提高了喷射混凝土与接触界面的 黏附能力，但过量掺入会影响喷射混凝土的抗压强度。

(2)
回归方程统计发现屈服应力表征值与回弹率有较
好的线性关系，置信度心=0.91;宾汉流体的屈服应力越大， 回弹率越小。

4结语
本文运用水泥砂浆流变测试仪与混凝土双卧轴式流变 仪，分别测试了高分子增粘剂砂浆及其混凝土流变性能，其 中改性纤维素醚的屈服应力和塑性粘度优于聚丙烯酰胺，从 流变曲线来看，聚丙烯酰胺在高速搅拌期更容易被稀化，改 性纤维素醚的屈服应力和粘度系数得到了更好的保持，不易
被稀化。

本文中，选用聚丙烯酰胺和改性纤维素醚作为增粘剂， 用屈服应力评价其粘度增幅，最后通过大型混凝土湿喷试验， 测试两种增粘剂不同的浓度喷射拌和物的回弹率、粘结强度 等，并发现喷射混凝土拌和物屈服应力与回弹率的有较好的 线性回归关系，建立了流变特性与回弹之间相关性，这最终 将有助于了解需要混合物的那些属性可用来限制回弹，并有 助于低回弹喷射混合物的设计，这个结果可为快速评价喷射 混凝土回弹率提供参考。

作者简介：邹前（1969-),男，广西容县人，广西交通投资 集团有限公司高级工程师，研究方向：高速公路工程建设管理。

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(责任编辑：刘振敏）
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