喷射混凝土的原理与技术特点

喷射混凝土的原理与技术特点

喷射混凝土有两种不同类型：干拌混合物和湿拌混合物。在干拌混合物中，除了水以外，将所有其他组份混合，干拌混合物通过输料管在喷嘴口再与水混合由压缩空气一起喷出。在湿喷工艺中除了速凝剂外，其他所有组分包括水在搅拌机中混合，制备的混凝土被输送到喷口，在喷口处加入液体速凝剂由压缩空气喷射到接受面上。由于这两种方法在用水量上的差异，湿喷工艺的水灰比(W/C)一般高于干喷的喷射混凝土，这就会产生较高的孔隙率和渗透性以及较低的强度。湿喷混凝土的耐久性相当于相应的干喷混凝土。最近，由于复合使用超塑化剂和硅灰，开发了具有优质粘结性能的湿拌喷射混凝土。采用湿拌工艺，使喷射混凝土能很好地适用混凝土建筑物的修复。

一.概述

喷射混凝土用于地下施工时，其性能应满足工程的一些基本要求，如具有早期强度，厚层施工时不产生位移等。为满足这些要求，干混或湿混喷射混凝土都应加入速凝剂。目前，市场有不同种类的速凝剂，这些速凝剂具有各自不同的化学组成，对混凝土的凝结时间和早期强度具有不同的作用。不考虑其他的应用，对于如何评价速凝剂的作用目前还没有一致的意见。水泥浆试验方法(维卡仪和Gillmone针仪)被用来研究水泥与速凝剂之间的相容性。但是，这些方法的效果目前还存在争议。

使用速凝剂掺入干混或湿混喷射混凝土中进行厚的衬板,特别是顶板施工，其目的是提高混凝土的早期强度以满足设计要求。但是，也会间接影响混凝土的其他性能，如：

(1)直接参与水泥凝结的反应，防止产生稠度的突然变化。

(2)直接与拌合水反应,促使拌合物变稠。

(3)增加拌合物的触变性。

(4)在新拌浆体中没有流变反应，但使硬化相会有所改变。

(5)影响回弹和起灰量(干混)，及最终强度。

(6)在干混施工中选择特殊的速凝剂间接影响回弹和起灰量,速凝剂增加了拌合物触变性。例如提高了混凝土的塑性，减少了回弹,增加喷射颗粒的附着力。

速凝剂对混凝土的早期强度的影响主要取决于其本身的化学组分、使用剂量、胶凝材料的化学成分、所含的矿物添加剂和使用温度。由于它们是在水泥化学组分的一定范围内发生作用，为了检验速凝剂的适应性和确定合理掺量，在每种情况下确定水泥与速凝剂的相容性是必要的。

传统速凝剂的副作用是降低水泥的最终强度,与空白混凝土(不加速凝剂)相比较，28天强度明显下降(下降幅度是20%～50%)。掺量越大，副作用越大。但是，新一代的速凝剂(无碱型)能够克服这一缺点，也减轻了碱的危害。因此，了解喷射混凝土速凝剂的性能和评价其性能最合理的试验方法是非常重要的。

二. 速凝剂的主要种类

国内外地下工程中最常用的传统速凝剂是硅酸钠(水玻璃，改性硅酸钠)、铝酸盐速凝剂(两种都是液体形式)，碱土金属的碳酸盐{或其氢氧化物, 粉状)，但是，目前市也有一些新的速凝剂。所有这些外加剂的特征和性能将在后面介绍。

1.碱土金属碳酸盐和碱土金属的氢氧化物

粉状的碱土金属碳酸盐或氢氧化物以前在喷射混凝土施工中很少应用。现在，它们成为这类混凝土最常用的速凝剂，其常规掺量为水泥重量的2,5％至6％，它们主要是促进C3S的水化。一般加入少量的碳酸铝,可以影响水泥的凝结时间。但是，只有当大剂量掺入时，其影响才能被观察到。图1表示采用二种掺量的速凝剂的喷射砼的早期强度，以及与加铝酸钾类速凝剂的喷射混凝土性能的比较。图中J1, J2, J3曲线是摘自奥地利混凝土协会规范，用以参考。

图1碳酸盐、氢氧化物和铝酸盐的性能比较

图1中可知，增加碳酸盐促凝剂的掺量，可以在喷射后20min内提高混凝土的强度。

这种速凝剂与水泥的反应主要受水泥化学成分、细度和矿物添加剂以及环境温度的影响。例如，在Cotapata—SantaBasbara(玻利维亚1996)高速公路工程中，一些坡道需用干混喷射混凝土覆盖。根据工程

的要求和预算，使用的是火山灰水泥，速凝剂是碳酸盐基粉末。环境温度是5～13℃。第一次试验，没有测到促凝作用，即使加量高达6％。当加热拌合水的水温时，这个问题才解决，试验得到的适宜的水温是35℃。采用这一措施，混凝土的早期强度达到了设计要求(24h为I0MPa), 甚至当水温超过70'C时产生了闪凝(这个温度导致最终强度严重下降超过50％)。

这种速凝剂的特点是水泥的最终强度大幅下降，与空白混凝土相比，28天强度明显下降(一般是3 0%～4 0％)，有一些工程甚至下降50％。

2.硅酸碱(水玻璃)

硅酸钠、硅酸钾类速凝剂主要用于湿拌喷射混凝土，它们通常都是液体，而且掺量很大(>10％胶凝材料重量)。可溶性的硅酸盐由于反应生成硅酸钙沉淀而加速凝结。当大剂量使用时，这些促凝剂降低了与基底的粘结力，最终，导致砼强度的下降和严重的干缩。一些报道说这些问题已被列入奥地利混凝土学会出版的“喷射混凝土指南”中，规定这种速凝剂最大掺量不超过15％，最终的强度损失限制在30%以内。

Melbye认为改性的硅酸钠，掺量在4—6％时，它们在很短时间内(<10S)使喷射混凝土产生胶结作用(也许是由于坍落度损失)，与铝酸盐基速凝剂一样，不参加水泥的早期水化作用。它们可以施工80mm～150mm喷射厚度，这种速凝剂的其他优点：与各种水泥都可相配，在常规掺量范围内(4%～6％)，最终的强度损失比铝酸盐速凝剂少，对皮肤没有强的侵蚀性(PH<12)，碱的含量比铝酸盐基速凝剂低得多。但是，这种速凝剂不能产生较理想的初始强度，不适用于早期强度要求较高的工程。

3.铝酸钠、铝酸钾

铝酸盐类速凝剂既可以用干混,又可以用于湿混喷射混凝土工程，常用剂量一般为2.5%～5.5％。铝酸钾比铝酸钠速凝剂有更好的效果，但价格也更高。它们主要是直接参与硅酸盐水泥水化而加速水泥的凝结，与石膏结合，阻止水泥颗粒表面形成钙矾石，而使C3A立即反应，产生大多数喷射混凝土所需要的初始强度。它们的作用通常受水泥的化学成分、细度以及所含的矿物添加剂的影响，但这种影响比所看到的碳酸盐类外加剂的影响要小。最终强度将损失为20%～25％。图2无碱性速凝剂和铝酸钠速凝剂的性能比较。

图2 无碱速凝土和铝酸钠速凝剂的性能比较

毫无疑问，铝酸盐速凝剂在湿混喷射混凝土工程中应用效果最好，对厚的衬板甚至顶板都具有好的施工效果。但是其高碱含量，在地下施工对健康的危害是限制其应用的主要因素。另外，它们在含硫酸根的工程和含活性集料的工程应用中都存在问题，后者可能发生碱集料反应。

4.非碱性粉末状促凝剂

九十年代初开始使用非碱性速凝剂粉末。一般，它们主要是铝酸钙外加剂，掺量在6～12％，其化学作用不同于碱基外加剂。促凝作用是直接参与水的反应，而不是直接参与水泥的水化反应。

低于7％的掺量不会影响混凝土早期强度。对于顶部凹道厚衬板的施工，一般需大剂量。这会导致后期强度的下降，但这种下降小于碱性促凝剂。潮湿条件会影响这种速凝剂的灵敏度，这就要求在干燥设备中贮存。

无碱速凝剂的应用才刚刚开始，新产品主要是氢氧化铝或与硫酸铝复合的产品，在少量使用时(4％)就能产生足够的早期强度。当掺量高达8％时，后期强度没有损失。但用量大于10％时，会出现明显的后期强度损失。

虽然这类速凝剂有上述优点，但应用中也存在一些问题。使用剂量和均匀性要求与之相适应的特殊设备。此外，Melbye指出，掺这种粉状速凝剂比掺非碱性液体速凝剂，回弹率要大10%～15％。

5.无碱液体速凝剂

最近在国际市场上出现了液体无碱速凝剂，目前有关其应用报导还十分罕见。这类促凝剂可以解决一些碱性速凝剂常见的问题，如,对地下施工环境的危害，碱集料反应的危害，使用过程中高PH值的危害以及对喷射混凝土后期强度的损失等。

这类速凝剂的化学成分既没有有关的文章报道，生产商又没有任何透露。1996年1月，英国的一个试验室对掺入这类速凝剂的混凝土微观结构进行研究，没有发现水泥的水化产物有任何改变。

这种外加剂的PH值在3～5.5之间，碱含量少于0.3％，它们的常规掺量为胶结料的3～10％,当掺量