喷射混凝土
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近年来,喷射混凝土以其简单的工艺,独特的效果,得到了广泛的应用,如地下工程(地下建筑物、隧道)等的初期支护与最终衬砌;薄壁结构工程(薄壳屋顶、房屋建筑储藏库)等的建造;岩土工程的护壁以及隧道、码头、房屋等的修复加固[1]。
目前,在实际工程应用中,对喷射混凝土的强度等级要求并不高(大多在C20左右),对其耐久性研究的也很少,且施工时多采用干喷工艺,如对盘道岭隧洞两险段的二次衬砌混凝土加固、芭蕉河二级水电站隧洞的衬砌等[2~3]。本文则结合某海底隧道工程,对C40P10喷射混凝土进行了实验室研究。通过优化混凝土参数、确定最佳速凝剂种类和掺量、加入高活性掺合料硅灰以及掺加少量的钢纤维,达到了有效改善喷射混凝土早期和后期各项性能的目的。同时由于海底隧道特殊的地理位置,还必须重点考虑喷射混凝土的耐久性,不仅要求其抗水渗透性高,还应具备高的抗氯离子渗透能力。此外,由于选用湿喷工艺,我们还对喷射混凝土的工作性进行了试验研究,从而制备出了满足工程需要的湿喷混凝土。
1 原材料及试验内容
1.1 原材料
(1)水泥:青岛某公司产P.1 52.5级水泥,其性能见表1。
(2)骨料:细骨料为普通中粗黄砂,含水率为3.52%;粗骨料为粒径5-15mm的瓜片石。
(3)速凝剂:无碱液态速凝剂I型和Ⅱ型。
(4)减水剂:江苏某公司产PCA型超塑化剂。
(5)硅灰:巩义某公司产,活性SiOa含量在92%以上。
(6)钢纤维:端钩型钢纤维,长度25mm,长径比50。
表1 水泥技术性能
比表面积
/(m2/kg)
凝结时间/min
抗折强度/NPa
抗压强度朋Pa
初凝
终凝
3d
28d
3d
28d
375
160
225
6.5
9.5
35.0
98.5
1.2 试验内容
(1)比较两种无碱液态速凝剂的性能,找出最佳速凝剂种类和其掺量。
(2)配制满足湿喷工艺和力学性能要求的喷射混凝土。
(3)研究喷射混凝土的抗水渗透性以及抗氯离子渗透性,为选择适合海底隧道使用的喷射混凝土提供依据。
2 试验结果及讨论
2.1 速凝剂性能试验结果与分析
2.1.1 掺速凝剂水泥净浆的凝结时间
试验参照JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》[4]的规定进行,掺速凝剂水泥净浆的凝结时间测试结果见表2。
表2 掺速凝剂水泥净浆的凝结时间
速凝剂种类速凝剂掺量/%初凝时间/min 终凝时间/min
? 4 5.0 12.0
6 4.5 7.5
Ⅱ 6 3.0 6.5
由表2可知,(1)水泥净浆掺入迷凝剂后,其凝结时间满足JC477-2005的规定;(2)当水泥净浆中掺6%的I型速凝剂时,其凝结时间较掺4%时更能满足规范要求。因此,以后的试验中,两种速凝剂的掺量均为6%;(3)比较两种速凝剂的凝结时间可知,Ⅱ型速凝剂与水泥的相容性更好。因此,在以后的喷射?昆凝土抗折强度与抗水渗透性、抗氯离子渗透性的试验中均采用Ⅱ型速凝剂。
2.1.2 掺速凝剂的水泥胶砂强度试验结果与分析
试验中,水泥与标准砂的质量比为1:1.5,水灰比为0.5。掺速凝剂的水泥胶砂强度测试结果见表3。
两种速凝剂的水泥胶砂1d抗压强度均满足JC477-2005的规定(≧7.0MPa)。
表3 掺6%速凝剂的水泥胶砂强度试验结果MPa
速凝剂种类
抗压强度
抗折强度
1d
28d
1d
28d
无/48.30 /8.30
Ⅰ15.62 57.80 3.85 8.37
Ⅱ13.25 54.05 3.95 8.50
2.2 喷射混凝土力学性能试验结果与分析
本工程海底隧道支护所用喷射混凝土要求的设计强度为C40、抗渗等级高于P10,且现场要求采用湿喷工艺。综合考虑其对工作性和力学性能的要求,并参照文献[5]中有关砂率与水灰比范围的限定,选定如表4所示的各组混凝土试验配合比(其坍落度试验结果一并列出)。
图1与图2分别表示了掺入不同速凝剂和硅灰、钢纤维时喷射混凝土的基本力学性能试验结果。由图可见,喷射混凝土中掺加胶凝料总量7.5%的硅灰可以提高其抗压强度;钢纤维的加入有助于喷射混凝土抗折强度的提高,其28d抗折强度较空白组提高了15.1%;当采用硅灰与钢纤维复掺时,其抗压强度和抗折强度均比不掺组高,1d和28d抗压强度比空白组分别高25.5%和11.2%,抗折强度高于空白组18.1%。可见,硅灰对喷射混凝土的早期和后期强度都有显著的改善作用。
2.3 喷射混凝土抗水渗透性和抗氯离子渗透性试验结果与分析
抗水渗透性和抗氯离子渗透性试验的配合比同表4。
各组试件在1.3MPa下的渗水高度如表5所示。四组喷射混凝土相应的抗渗等级均大于P12。
表4 喷射混凝土配合比及坍落度
编号
每m3原材料/kg
坍落度/mm
石砂水水泥硅灰钢纤维减水剂PCA 速凝剂I 速凝剂Ⅱ
C40R1 875 875 189.15 485 0 0 4.85 29.1 0 90
C40R2 875 875 189.15 485 0 0 4.85 0 29.1 90
C40S2 875 875 194 448.625 36.375 0 5.82 0 29.1 120
C40F1 875 1069 194 485 0 48 5.82 29.1 0 120
C40F2 875 1069 194 485 0 48 5.82 0 29.1 120
C40SF1 875 1069 194 448.625 36.375 48 4.85 29.1 0 140
C40SF2 875 1069 194 448.625 36.375 48 4.85 0 29.1 140
注:砂为干砂重量。
表5 喷射混凝土抗水渗透性试验结果
编号C40R2 C40S2 C40F2 C40SF2
渗水高度/cm 8 4 4.5 3.5