高性能喷射混凝土研究

P．ZAFFARONI, C．PISTOLESI, E．DAL NEGRO

（MAPEI S.p.A., Milano，意大利）

L. COPPOLA, M. COLLEPARDI

（ENCO S.r.l., Spresiano，意大利）

摘要：本文将探讨用化学和矿物质外加剂混合配制新型高性能湿喷混凝土（HPS）。使用高效减水剂制备了水灰比在0.42～0.44范围内、坍落度为210～220mm的低坍落度损失混凝土，并进行湿喷。硅粉(20kg/m3)被用来减少骨料回弹和增强对基面的粘结力。

虽然不如硅酸盐水泥那样早强，火山灰或矿渣水泥(450kg/m3)也可用来制备耐久混凝土。

在一隧道施工现场，在喷嘴处加入传统的硅酸钠速凝剂和新型的无碱化学外加剂以考察它们在喷射混凝土中的作用。

硅酸盐碱性速凝剂（12%水泥重量）在20～60分钟内较无碱化学外加剂(7％)有稍高的超早期强度；但用无碱速凝剂制备的喷射混凝土的强度在4小时以后则高得多。

使用无碱速凝剂时，现场钻孔取样4小时的抗压强度为2～6MPa，12小时为12～15MPa、1天为20～25MPa，7天为45～50MPa、28天为50～60MPa。这些HPS的1～28天抗压强度较未用速凝剂的基准混凝土低5～10%。另一方面，使用硅酸钠速凝剂的与基准混凝土相比，28天强度则要损失50～60%。

关键词：速凝剂，无碱化学外加剂，喷混凝土，硅粉，高效减水剂

１　前言　

根据美国混凝土学会(ACl)的定义，喷射混凝土是“靠压缩空气高速喷射到受喷面上的灰浆或混凝土”。喷射混凝土分两种：干喷和湿喷。干喷方法中，除水以外的所有成分先行预拌，然后经管路用压缩空气输送到喷口，并加水喷出。在湿喷过程中，包括水在内的所有成分先行于搅拌机内混合，生成的拌和物被推送到喷口，然后由压缩空气流喷射到受喷面上。

由于两个过程中用水量不同，一般来说湿喷混凝土的水灰比（W/C）高于对应的干喷混凝土。从而，相对于正确使用的干喷混凝土，湿喷混凝土的空隙率、渗透性和干缩更高，强度和耐久性则更低。

近年来，由于高效减水剂和硅粉的综合应用，湿喷混凝土已具备很好的粘结力，十分适用于混凝土结构的修补与重建。Morgan对北美基础设施修补实例中所用喷射混凝土的发展做了综述。但是，由于使用了速凝剂，实际抗压强度较不含速凝剂的基准混凝土大为降低(约50～60％)。另外，基于硅酸钠、铝酸盐、碳酸盐的传统速凝剂在喷射混凝土施工中带给工人更多腐蚀性风险。

本研究的重点是高效减水剂、硅粉、速凝剂和火山灰或矿渣水泥在高性能湿喷混凝土(HPS)制备中的综合效应。具体性能如下：

l应用中腐蚀性风险低

l和易性好、坍落度损失小

l回弹率低

l早晚期强度高

l耐久性强

２　材料　

水泥：由于水化速率高，在喷射混凝土中多选用高强硅酸盐水泥，而不是复合水泥。本研究中使用了火山灰和磨细矿渣(GBFS)水泥，因为它们在实际应用中更耐久、水化热低、不易产生温度裂缝、自生和干缩应力低。在火山灰水泥(根据欧洲标准EN197／1，CEMIV/A42.5R级)中以35％粉煤灰取代硅酸盐水泥。在磨细矿渣水泥(根据欧洲标准ENl97／l，CEMIII/A42.5级)中也以50％矿渣取代硅酸盐水泥。

硅粉：使用了加密的硅粉以增强对基底的粘结力和减少骨料回弹。

表１　　　　在喷口掺速凝剂前的两种基准混凝土的成份和坍落度　

成份粉煤灰混凝土P

（Ⅳ／A42.5R)

矿渣混凝土S

(Ⅲ／A42.5)

水泥450Kg／m3 450Kg／m3

细砂(0-4mm) 1075 1075

粗砂(4—6mm) 495 495

砾石(6-8mm) 82 82

硅粉20 20

水198 190

高效减水剂(相对水泥比掺量为1-2％) 5.4 5.4

w／c 0.44 0.42

5min 210mm 220mm

坍落度

30min 200mm 215mm 高效减水剂：使用了一种30％液态羧基丙烯酸酯(CAE)产品以制备坍落度为210～220mm、水灰比(w／c)低到0.42～0.44的流态混凝土。

速凝剂：使用了两种速凝剂产品。一种是基于硅酸钠的液态(36％)产品，另一种是新型的硫酸铝无碱水乳液(60％)产品。由于无碱，后一种在使用中的腐蚀性风险较低。

骨料：以分别为65%、30%和5％的比例使用了石灰石细砂(0～4mm)、粗砂(4～6mm)和砾石(6～8mm)。

混凝土拌和物：制备了两种不含速凝剂的基准混凝土。其主要区别在于水泥类型(火山灰水泥CEMIV／A42.5R型和磨细矿渣水泥CEMⅢ／A42.5型)。

表1中给出未加速凝剂的两种基准混凝土的成分和坍落度。

拌和后30分钟，在喷口处对每一种基础混凝土掺加一、两种速凝剂。按水泥重量，其剂量分别为：硅酸钠8-12％、无碱速凝剂7％。

３　方法　

研究中做了以下测试：

l坍落度：掺速凝剂前5分钟和30分钟时检查坍落度损失；

l回弹：在不加钢筋的隧道衬砌施工后，测试基面上弹出的喷射混凝土占总喷射量的百分比；

l密度：g0是装在试模中的不加速凝剂的基准混凝土试件的密度；g是掺速凝剂后喷射混凝土钻样的密度。相对于用传统方法充分压实、不掺速凝剂的基准混凝土，g／go是喷射混凝土的压实度；l葡氏贯入试验：在5分钟到60分钟内用9mm直径针头对现场喷射混凝土测试，然后通过标定曲线确定特早期抗压强度（≤1.2MPa）；

l Hilti活塞工具法：由Kusterle开发，用以确定现场喷射混凝土的早期(4～12小时)抗压强度(2～15MPa)；

l抗压强度：在喷口掺了速凝剂的喷射混凝土钻样(100mm高、50mm直径)的1～28天抗压强度；l抗压强度：未掺速凝剂喷入柱形模中的基准混凝土钻样（100mm高、50mm直径）的1～28天抗压强度。

４　结果　

由于使用了CAE型高效减水剂，喷口处掺加速凝剂前30分钟内的坍落度损失是可忽略的(表1)。

这意味着喷射混凝土的生产率可达20m3／h，因为输送到喷射机的泵送混凝土的和易性可靠，且几乎无坍落度损失。

在确定的高效减水剂掺量(1.2%)下，磨细矿渣水泥所对应的w／c较火山灰水泥的低一些（0.42对0.44），尽管前者的初始坍落度较高(220对210mm)。

在不加筋的隧道衬砌施工中，所有被研究的喷射混凝土的回弹都仅为2-3％。这是因为高效减水剂、硅粉和速凝剂共同存在而赋予混合物高内聚力。

图1将矿渣水泥制备的混凝土(表1)的5分钟到28天抗压强度显示在双对数坐标中，制备中有的不加速凝剂，有的加(8-12％)硅酸钠或6％无碱速凝剂。在特早期，硅酸钠速凝剂对应的抗压强度较无碱速凝剂的稍好，例如1小时内硅酸钠取得了0.5MPa的抗压强度，无碱速凝剂则只取得0.2MPa。但是，4小时两种速凝剂的表现相当，23小时或以后无碱速凝剂的性能较硅酸钠外加剂强得多。例

为了解释硅酸钠速凝剂与无碱外加剂所扮演的不同角色，下面将相对基准拌和物而言的28天强度损失与其对应的预期值进行比较。这里的预期值是按密度比g／g o确定的较低压实度估算的。已知低压实度造成的孔隙使得比重每降低1％，抗压强度降低约5～6％。所以，掺12％硅酸盐制备的喷射混凝土(表2)的g／g o。压实度为0.94，其对应的强度损失预期值就应为30～36％。

表２　　　　　硅酸钠（ＮＳ）或无碱速凝剂（ＡＦ）对喷射混凝土密度（ｇ）和未掺速凝剂的基准混凝土密度（ｇ０）的影响　

强度损失（%）水泥种类速凝剂（%-类型）密度g(kg/m3) 密度g0(kg/m3) g/g0

期望值实测值Ⅲ12-NS 2239 2384 0.94 30～36 55

Ⅲ8-NS 2247 2359 0.95 25～30 54

Ⅲ7-AF 2300 2359 0.97 15～18 10

Ⅳ7-AF 2296 2336 0.98 10～12 8 实际上，相对于基准混凝土喷入柱模并充分振捣的28天抗压强度，硅酸盐制备的喷射混凝土的强度损失高很多(55％)。这意味着在不完全振捣外还必须考虑其它因素，可能与硅酸钠对水泥熟料相中C3S和C2S的影响造成的水化程度不完全有关。

另一方面，无碱速凝剂制备的喷射混凝土由于在喷射时有更好的和易性，其压实度高得多(0.97-0.98)。而且，实测的28天抗压强度损失等于甚至略低于根据压实度估算的损失期望值（10-18%）。这意味着无碱速凝剂不会在晚期造成水化程度的降低，相反，比期望值低的强度损失（表2）表明压实度的影响被较高的水化程度所抵消。

５　结论　

丙烯酸高效减水剂、硅粉和无碱速凝剂的综合使用可在低W/C和用火山灰或矿渣水泥分别取代了30%或50%硅酸盐水泥的条件下制备高性能喷射混凝土。这种喷射混凝土具有坍落度高、抗压强度高、压实性好、耐久性好等优点。

参考文献：（略）

译自：P．ZAFFARONI, C．PISTOLESI, E．DAL NEGRO, L. COPPOLA, M. COLLEPARDI. HIGH PERFORMANCE SHOTCRETE. Progress in Tunnelling after 2000, Proceedings of the AITES-ITA 2001 World Tunnel Congress Milan-Italy 10th-13th June 2001, V olume Ⅱ，P785～792 （英文）．