液态速凝剂在喷射混凝土工艺中的应用研究

李育慧 张露晨 李树忱 廖麒凯

(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)



液态速凝剂在喷射混凝土工艺中的应用研究

李育慧 张露晨 李树忱 廖麒凯

(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)

通过室内试验和现场试验，分析了液态速凝剂在不同喷射工艺中的应用效果，结果表明：液态速凝剂存在最佳掺量，掺量对喷射混凝土凝结时间、强度和施工性能均有较大的影响；现场施工中，二次加水喷射混凝土工艺，能有效降低回弹量和粉尘量，提高喷射混凝土强度。

液态速凝剂，喷射混凝土，喷射工艺，回弹量

0 引言

近年来，随着我国隧道及地下工程的大力发展，使得喷射混凝土技术应用越来越广泛，对喷射质量的严格要求，促使液态速凝剂的蓬勃发展。喷射混凝土是通过喷射机械，将一定配合比的砂、石、水泥、掺合料和水喷射到围岩表面，并迅速凝结硬化的一种混凝土[1-6]。喷射混凝土目前主要有三种形式，干喷、潮喷和湿喷。干喷混凝土已经被国家规定禁止使用，目前现场主要使用的是潮喷和湿喷混凝土。潮喷混凝土主要使用粉状速凝剂，与砂、石和水泥混合在一起通过潮喷机，在喷嘴处加水，喷射到围岩表面。湿喷混凝土主要使用液态速凝剂，砂、石、水泥和水，先形成商品混凝土，通过湿喷机传送，在喷嘴处加液态速凝剂，喷射到围岩表面。不同的施工工艺，对应不同的速凝剂添加方式，并适用于不同的施工环境：如在较小断面及围岩有涌水的施工中，通常使用潮喷混凝土，机械设备小，数量易控制；在较大断面的施工中，通常使用湿喷混凝土。现场应用中，使用粉状速凝剂，出现回弹量大、粉尘量大、喷射混凝土强度低等问题[7-10]。基于此，本文对液态速凝剂进行研究，并使其应用于两种施工工艺中。通过室内及现场试验，研究其性能及现场应用效果，为液态速凝剂在喷射混凝土中的应用提供借鉴意义。

1 室内试验

主要选择两种类型的液态速凝剂，铝酸盐液态速凝剂和硫酸铝液态速凝剂，分别测定水泥净浆的凝结时间和水泥砂浆的强度。

1.1 试验材料

1)液态速凝剂：铝酸盐液态速凝剂，主要成分为铝酸盐，建议掺量为水泥质量的3%～6%；硫铝酸盐液态速凝剂，也称为无碱液态速凝剂，主要成分为硫铝酸盐。建议掺量为水泥质量的4%～8%。

2)水泥：采用P.O42.5的山水水泥，主要组成成分如表1所示。

表1 水泥主要组成成分

1.2 试验方法

试验方法采用JC 477—2005喷射混凝土用速凝剂建材行业标准。

1)水泥净浆试验：取400 g水泥，水灰比为0.4，要扣除液态速凝剂中的水分，加入不同掺量的液态速凝剂，使用维卡仪测定初终凝时间。

2)水泥砂浆试验：取900 g水泥，1 350 g标准砂，水灰比为0.5，做成40 mm×40 mm×160 mm的试块，在养护室养护，测定1 d，7 d和28 d的强度。

1.3 试验结果与分析

铝酸盐液态速凝剂的掺量为3%，4%，5%和6%，硫铝酸盐液态速凝剂的掺量为4%，5%，6%，7%和8%。

1)水泥净浆试验。铝酸盐液态速凝剂在不同掺量下水泥净浆初终凝时间如图1所示，硫铝酸盐液态速凝剂在不同掺量下水泥净浆的初终凝时间如图2所示。

由图1和图2可看出，铝酸盐液态速凝剂的最佳掺量为5%，初凝时间为1 min 30 s，终凝时间为4 min。硫铝酸盐液态速凝剂的最佳掺量为7%，初凝时间为2 min 10 s，终凝时间为4 min5 s。从图1，图2得出，不同的液态速凝剂均有最佳掺量，且掺量不同。初凝时间与终凝时间的变化趋势相同。

2)水泥砂浆试验。铝酸盐液态速凝剂在不同掺量下水泥砂浆强度如表2所示，硫铝酸盐液态速凝剂在不同掺量下水泥砂浆强度如表3所示。强度测定主要为抗折强度和抗压强度。

表2 添加铝酸盐液态速凝剂水泥砂浆强度

表3 添加硫铝酸盐液态速凝剂水泥砂浆强度

由表2可得，添加铝酸盐液态速凝剂，随着掺量的增大，水泥砂浆1 d的抗压强度也增大，掺量增大到5%时，强度有略微的下降；水泥砂浆7 d和28 d的强度，随着掺量的增大而降低，说明铝酸盐液态速凝剂的加入，使喷射混凝土后期强度有损失。掺量为6%时，28 d抗压强度比为68%，不能满足JC 477—2005喷射混凝土用速凝剂中合格品的要求。抗折强度与抗压强度的变化规律相似。为避免喷射混凝土强度不达标，应严格控制铝酸盐液态速凝剂的掺量。

由表3可得，添加硫铝酸盐液态速凝剂，随着掺量的增大，水泥砂浆1 d的抗压强度也增大，掺量增大到6%时为最优掺量，超过后，强度有一定下降；水泥砂浆7 d和28 d的强度，随着掺量的增大而降低，但降低幅度较小，掺量为7%时下降最大，28 d抗压强度比为86.1%，且满足JC 477—2005喷射混凝土用速凝剂中一等品的要求。

液态速凝剂掺量的确定，凝结时间试验和强度试验，仅作为参考，实际应用中，还要考虑价格因素，与水泥的适应性问题。由此可以得出，铝酸盐液态速凝剂在现场中采用掺量为4%，硫铝酸盐液态速凝剂现场应用中掺量为6%。

2 喷射混凝土工艺及现场试验

目前，现场主要使用两种喷射混凝土工艺，潮喷混凝土和湿喷混凝土。潮喷混凝土采用粉状速凝剂，湿喷混凝土采用液态速凝剂。潮喷混凝土工艺简单，操作方便，但混凝土回弹量大、粉尘量大、施工效率低、喷射混凝土强度低。湿喷混凝土多采用大型湿喷机组，设备昂贵，不易清洗，但喷射效果好，喷射混凝土质量高。液态速凝剂的使用不好控制，在湿喷混凝土中，很容易造成混凝土大量落浆，严重影响施工进度。分析原因，主要是因为水量的控制不严格，骨料与掺合料级配不好，混凝土坍落度不能很好满足泵送性能等。潮喷工艺与湿喷工艺流程见图3，图4。

为了解决潮喷混凝土中回弹量大、粉尘量大的问题，拟将粉状速凝剂用液态速凝剂代替，添加液态速凝剂供给泵和上料机，并将用水量分两次加入。第一次在上料机上加入，水量控制在20%～40%，剩下的水量和液态速凝剂一起在喷嘴处加入。

这样能有效降低施工中的粉尘，并减少水泥水化时间，提高混凝土强度。

使用二次加水喷射混凝土工艺(见图5)，在现场进行喷射试验，能有效降低回弹量和粉尘量，大大改善施工环境，如图6所示。现场采用C25喷射混凝土，通过喷射大板试验，测定了喷射混凝土强度，结果见表4。

表4 喷射混凝土抗压强度

速凝剂种类抗压强度/MPa1d7d28d粉状7.816.223.9铝酸盐液态10.618.327.8硫铝酸盐液态9.720.529.6

由表4可知，添加两种液态速凝剂的喷射混凝土强度均大于添加粉状速凝剂的喷射混凝土强度。添加铝酸盐液态速凝剂相对于粉状速凝剂，1 d喷射混凝土强度提高35.9%，28 d强度提高16.3%。添加硫铝酸盐液态速凝剂相对于粉状速凝剂，1 d喷射混凝土强度提高24.3%，28 d强度提高23.8%。由此可知，硫铝酸盐液态速凝剂对喷射混凝土后期强度更加有利。

3 结语

1)液态速凝剂的促凝效果存在有最优掺量，不是添加的越多效果越好。添加铝酸盐液态速凝剂，通过试验得到最优掺量为4%，添加硫铝酸盐液态速凝剂的最优掺量为6%。

2)添加4%的铝酸盐液态速凝剂，水泥砂浆28 d强度比为88.2%；添加6%的硫铝酸盐液态速凝剂，水泥砂浆28 d强度比为89.6%，两者强度损失量相近。随着掺量的增大，添加铝酸盐液态速凝剂的喷射混凝土强度下降较快。

3)改进原有潮喷混凝土工艺，提出二次加水喷射混凝土工艺，能添加液态速凝剂，喷射效果好，回弹和粉尘少。

4)添加液态速凝剂的喷射混凝土强度比添加粉状速凝剂喷射混凝土强度要高；添加硫铝酸盐液态速凝剂喷射混凝土后期强度损失最少。

[1] 程良奎.喷射混凝土[M].北京：中国建筑工业出版社，1990.

[2] 关宝树.隧道及地下工程喷混凝土支护技术[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 朱广兵.喷射混凝土研究进展[J].混凝土，2011(4):105-109.

[4] 刘福战，张增江，李 诺.喷射混凝土技术性能研究[J].商品混凝土，2009(9):46-48.

[5] 李建军.高速公路隧道湿喷高性能混凝土应用技术研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2016(1):102-103.

[6] 董春源，吕二帅，赵国强.普通湿喷混凝土与高性能湿喷混凝土试验对比研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2016(1):115-118.

[7] 冯 浩，朱清江.混凝土外加剂工程应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[8] 赵 苏，郭兴华，夏义兵，等.铝酸钠液体速凝剂性能及作用机理[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2009，25(6)：1125-1130.

[9] 姜 波.湿喷混凝土回弹率影响因素[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2016(3):270-273.

[10] 马井雨，马忠诚，汪 澜，等.无碱无氯液体速凝剂的性能及其作用机理[J].武汉理工大学学报，2012，34(12)：14-18.

Application research of liquid accelerator in shotcrete process

Li Yuhui Zhang Luchen Li Shuchen Liao Qikai

(GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

In this paper,through laboratory and field test to analyze the application effect of liquid accelerator in different spraying technology,the results showed that there is the best dosage of liquid accelerator and the dosage of liquid accelerator has a great influence on setting time,strength and workability of shotcrete,during the site construction,it is proposed secondary adding water shotcrete technology which can effectively reduce the amount of rebound and the amount of dust and improve the strength of shotcrete.

liquid accelerator,shotcrete,spraying technology,amount of rebound

1009-6825(2016)29-0102-03

2016-08-03

李育慧(1991- )，男，在读硕士； 张露晨(1988- )，男，在读博士； 李树忱(1973- )，男，教授；

廖麒凯(1992- )，男，在读硕士

TU528.042

A