喷射混凝土

高活性细掺料对喷射混凝土强度的影响

摘要喷射混凝土的强度,起关键作用的是C-S-H凝胶的数量。加入速凝剂之后，喷射混凝土的强度会降低20%左右。由于过高的水泥用量无助于提高强度,甚至会损害后期强度。因为水泥用量过多,其中未水化部分中的CaO,后期遇水后生成Ca(OH)2,体积膨胀,产生内应力,从而降低强度。因此,考虑在喷射混凝土中掺入一些高活性细掺料,以促进水泥水化产物的转化,提高喷射混凝土的强度,同时掺入一些遇水后呈现粘性的物质,有助于降低回弹率.在高性能混凝土中,细掺料与水泥共同构成胶凝材料,由于掺和料的形态效应、活性效应、微集料效应以及复合叠加效应可使混凝土的强度、耐久性和其他相关性能大幅度提高,因此混凝土中掺和料的研制和使用近年来一直是混凝土界研究和讨论的热点。

关键词：喷射混凝土速凝剂高活性细掺料强度回弹率

1 喷射混凝土技术

喷射混凝土是用于加固和保护结构或岩石表面的一种具有速凝性质的混凝土.该技术是借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将按一定配合比的水泥，砂，石子及外加剂等拌合料，通过喷管喷射到受喷面上，在很短的数分钟之内凝结硬化而成型的混凝土补强加固材料。喷射混凝土主要用于煤矿井巷，隧道，高速公路边坡经锚杆加固后表面喷射加固。

喷射混凝土是由喷射水泥砂浆发展而来的1914 年，美国首先采用了喷射水泥砂浆技术进行施工，到了20世纪30年代，由于喷射机具的改进，人们开始试图采用喷射混凝土来衬砌支护隧道，但因为水泥凝结慢，喷射出的混凝土不能与岩石很好的黏结，容易发生坍落现象，致使喷射混凝土这种新工艺遇到了困难#解决问题的办法就是使用速凝剂，它能使喷射出的混凝土迅速凝结硬化，增强了混凝土与岩层的黏结力。20世纪40年代，瑞士、原西德、日本等国生产出了可以喷射含有粗骨料的喷射机械，同时还成功研制了喷射混凝土用的速凝剂，这样就大大提高了喷射的速度和厚度，同时增加了强度并减少了回弹，此后世界各国相继在土木建筑工程中采用喷射混凝土技术。[1]以后，瑞士、德国、法国、瑞典、美国、英国、加拿大、日本等国家，相继在土木建筑工程中采用和发展了喷

射混凝土技术。我国是从20世纪60年代末在铁路隧道施工中推广新奥法施工时开始采用的，喷射混凝土技术的选择、设计直接影响着喷射混凝土质量和性能的好坏。[5]

2 速凝剂在喷射混凝土中的应用

喷射混凝土是一种速凝混凝土，速凝剂对混凝土的凝结速度有着重要的影响，是喷射混凝土施工法中不可缺少的添加剂，其效果的好坏直接影响到喷射混凝土的喷射质量及使用性能#速凝剂的作用是加速水泥的水化硬化，在很短的时间内形成足够的强度，以保证特殊施工的要求，喷射混凝土的技术水平主要体现在速凝剂的研究与应用方面，因此，国内外关于喷射混凝土外加剂材料的研究都把速凝剂放在非常重要的位置。速凝剂种类繁多，按产品形态，可分为固态和液态；按其碱的含量来分，可分为有碱、无碱和低碱。衡量速凝剂好坏的性能指标主要包括速凝剂本身的物理化学性质和状态，速凝效果、早期强度、后期强度、体积稳定性、耐久性等使用性能，以及分散均匀性、扬尘和喷射回弹率等喷射作业特性。

2.1 速凝剂的种类

湿喷混凝土虽然有许多优点但由于设备价格高,国内液体速凝剂( 作用成分与粉状速凝剂相同均为 NaAlO2) 价格高且质量不稳定, 有些非 NaAlO2类进口液体速凝剂虽质量较好但价格太高, 因此目前国内湿喷混凝土仍占较小比重。随着我国对中西部地区的大规模开发建设, 在恶劣、不良地形、地质条件下修建大跨度隧道的增多, 隧道施工者对初期支护的强度要求逐渐提高。在这种情况下, 对目前我国占主导地位粉状速凝剂进行改进, 研制用于更高强度等级( C30 以上)喷射混凝土的粉状速凝剂并在工程中进行应用具有较高的经济价值和社会效益。

粉状速凝剂是伴随着速凝剂的出现而产生的，一般都是在干喷技术中使用。传统的粉状速凝剂多为以铝氧熟料和碳酸盐为主的碱性物质，其有很多缺点，如碱性大、工作面粉尘大、回弹量大。强碱性速凝剂使水泥在水化初期形成疏松的铝酸盐水化物结构，增加了发生混凝土碱集料反应的可能性，对后期强度的发挥不利#碱性速凝剂对混凝土的后期强度削减较大，一般强度损失在20%-50%。

液体速凝剂是对粉状速凝剂的改良#与粉状速凝剂相比，液体速凝剂更容易均匀地分散于混凝土拌合物中，从而可避免硬化混凝土质量波动，提高喷射混凝土品质。液体速凝剂按碱含量可分为碱性液体速凝剂、低碱液体速凝剂和无碱液体速凝剂。由于碱性物质对喷射混凝土性能的不利影响，近些年低碱、无碱液体速凝剂得到越来越多的应用尤其是在日本$欧洲等发达国家，几乎不存在碱性速凝剂，国内也开始越来越多采用无碱液体速凝剂，无碱液体速凝剂为速凝剂的发展指明了方向。

2.2 速凝剂的作用机理

目前, 国内普遍生产粉状和液体速凝剂为 NaAlO2类速凝剂。其速凝机理为: 在未掺速凝剂的水泥中水化过程中, 由于调凝组份石膏( CaSO4) 迅速与水化快的组份铝酸三钙( C3A) 反应生成钙矾石 AFt( C3A·3CaSO4·31H2O) 覆于铝酸三钙( C3A) 表面, 阻止其继续与深层的铝酸三钙( C3A) 反应, 直至钙矾石 AFt 层致密爆裂才继续进行, 因而铝酸三钙( C3A) 的水化反应速度大大减缓。而铝酸钠 NaAlO2速凝剂加入后发生了以下化学反应:

Na2CO3+CaO+H2O=CaCO3+2NaOH

Na2CO3+CaSO4=CaCO3+Na2SO4

NaAlO2+2H2O=A(lOH)3+NaOH2

NaAlO2+3CaO+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH

2NaOH+CaSO4=Na2SO4+Ca( OH)2

随着调凝组分石膏( CaSO4) 被迅速的反应消耗后浓度的降低, 其阻凝作用已很不明显, 于是水泥水化反应迅速进行, 凝结、固化等现象随之产生。[4] 粉状速凝剂主要分为铝氧熟料加碳酸盐系和硫铝酸盐系速凝剂,主要通过与水溶解后,与水泥中的石膏反应生成水化硫铝酸钙,迅速生成的水化物黏结在一起形成网状空间结构而凝结,这样既消耗了一部分石膏,又降低了其缓凝的效果,而且在反应过程中还会产生水化热,进而加速凝结反应,起到速凝的效果。所以在进行1 d试件结果比较时,无论是在抗压强度,还是在抗折和抗拉强度上都能够明