喷射混凝土应用、性能优化、微观结构以及作用机理研究进展

2018-03-30魏忠张新胜宋姗吴跃辉贾亚琼

商品混凝土 2018年11期

魏忠，张新胜，宋姗，吴跃辉，贾亚琼

（河南中建西部建设有限公司，河南郑州 451450）

1 喷射混凝土的特点及应用现状

混凝土由于具有生产工艺简单、易成型、能耗低、原材料丰富等优点，常常被应用在土木工工程等领域中，是当代应用最为广泛的建筑材料[1]。喷射混凝土是指在必需的压力作用下，将预先设计好的配合比的各组成料在管道运输作用下，被送到喷嘴处以后，在较短的时间内被以较高的速度喷射到受喷面而凝结形成的混凝土[2-3]。喷射混凝土的特点主要有：（1）具有较高的初期强度，（2）紧密贴实，（3）使用范围广，（4）自密实，（5）柔性，（6）降本增效。喷射混凝土已在隧道、矿业、地下、道路、桥梁、岩石边坡护坡、建筑结构加固等工程中得到了广泛的应用。另外，喷射混凝土在我国基础设施建设和城市建设工程中也起到越来越重要的作用，其用量在呈现出不断上升的趋势[4]。国内外学者目前对于喷射混凝土施工工艺方面的研究已较为系统、完整，但对其微观作用机理及应用性能优化方面的研究还较为匮乏。

2 相关性能研究进展

2.1 喷射混凝土微观性能的研究现状

有很多方法可以研究喷射混凝土的微观性能，例如：表面形貌分析方法、XRD 分析方法、EDS 分析方法、孔隙结构分析方法等。国内方面：石建对速凝剂的用量、水泥的种类和水灰比等进行了试验，并探讨了它对喷射混凝土初凝时间和最终凝固时间的影响；丁莎[5]通过 x 射线衍射等方法，探索了喷射混凝土微观性能与龄期之间的关系，并且表明了喷射混凝土微观结构的密实度与水胶比有关；王晓丽[6]通过 x 射线衍射和表面形貌测试与分析，发现石膏在水泥中的形态，以及 NaAlO2在速凝剂中占比的大小决定了混凝土凝结硬化的快慢。国外方面：Jong-Pil Won[7]通过试验研究表明低碱型水泥与试验用的速凝剂发生反应时，均不会随时间的进行而发生膨胀；而高碱型水泥的情况则恰恰相反；C.Paglia[8]的研究结果认为速凝剂可促使喷射混凝土的微观结构变得更加密实，缩短了水泥的凝结时间；国外学者为了更好地研究混凝土，建立了 Powers-Brunauer、Kumar-Bhattacharjee 等较为常见的微观结构模型。

2.2 喷射混凝土强度性能的研究现状

国内外学者相继对喷射混凝土的强度进行了研究，并分析了喷射速度与喷射混凝土抗压强度之间的关系，最终的研究结果表明混凝土喷射的快慢与强度的大小成正比例关系，即混凝土的喷射速率越小，则混凝土越松散，其强度也就越低；反之，则其强度也就越大。Christopher K.Y.Leung[9]通过试验分析，表明 FRS（喷射纤维混凝土）的抗压强度与 FRC（纤维混凝土）相比有所提高；朱永全[10]等相关人员的研究表明：纤维加入到喷射混凝土中以后，其强度水平相对于普通混凝土来说有了较大的提升，其中，该混凝土的抗渗水压力增加到一般混凝土的两倍；Atzeni[11]分析了强度与孔径分布之间存在的关系。国外还有学者研究了不同钢纤维含量混凝土的力学性能，并分析了不同钢纤维含量对喷射混凝土强度和应力峰值的影响。

2.3 喷射混凝土的耐久性能研究现状

早期收缩性能：喷射混凝土的收缩以及开裂等现象是由其自收缩等原因造成的。相关研究发现喷射混凝土的早期开裂程度较低时，粉煤灰的最佳掺量是介于10%～20% 之间；研究人员通过试验研究，表明了纤维加入到混凝土中后，可使其保持一天不开裂；国外的研究充分说明了高分子吸水树脂加入到混凝土中以后，对其自收缩性能起到很好地改进作用。

抗渗性能：喷射混凝土抗渗性能的高低是由其孔隙率和结构特征所决定的。国内外的相关研究主要有：在混凝土中加入硅灰和粉煤灰后，对该混凝土的抗渗性能有着一定的提升作用；王家浜[12]通过研究得出普通混凝土的抗渗性低于喷射混凝土，并且在合理范围内，喷射混凝土的水胶比越小，其抗渗性也就越好；祝云华[13]采用了多种测试方法研究了喷射混凝土的抗渗性，得出了通过复掺硅粉和钢纤维可使其抗渗性得到一定程度改善的结论；A.Tagnit-Hamou[14]通过将聚丙烯纤维添加到喷射混凝土中的试验研究，发现添加聚丙烯纤维可以改善混凝土的孔结构；Kayali. O、Haque M.[15]等人的研究表明了双掺膨胀剂、钢纤维可在一定范围内提高了混凝土的抗渗性。

抗冻性能：现有文献对喷射混凝土的抗冻性有一定的了解和研究，其中 Ann Lamontagn[16]在1996发现喷射混凝土的抗冻性能与气孔分布等因素有一定的关系；赵喜忠[17]的试验得出引气剂加入到喷射混凝土中后，可以使其抗冻性得到改善的结论；Narayanan Neithalath、H. S. Wong[18]的研究表明混凝土的抗冻性能与孔隙的分布状况、及其微观结构存在很大的关系；Mohammad Iqbal Khana[19]的研究充分说明了粉煤灰加入到喷射混凝土中后，可以改善其抗冻性。

3 喷射混凝土用新型速凝剂研究进展

喷射混凝土的发展始于美国，至今已超过了一个世纪。经过瑞士研制的转子式混凝土喷射机、奥地利采用的喷射混凝土支护技术等相关国家的发展研究，喷射混凝土技术在国外已经得到了长足的发展。在我们国家，喷射混凝土技术及其喷射机的发展始于二十世纪六十年代初，干式喷射混凝土也是在此时期发展起来的，而湿式的发展则相对滞后了二十年左右。目前，喷射混凝土的新研究主要集中在新型促凝剂上，促凝剂可分为粉状促凝剂和液体促凝剂。

3.1 粉状速凝剂的研究

该类型的速凝剂始于瑞士的 SIKA 公司，距今已有大半个世纪的研究史。具体研究情况：Park H G、Sung S K、Park C G[20]等人的研究表明，含一定碱性的促凝剂加入到混凝土中后，不利于其后期强度的增长，可使其仅达到原有强度的 50%～80%。针对以上碱性促凝剂存在的缺点，由美国所研制出的粉状无碱性促凝剂应运而生，但因为氯离子的腐蚀作用，限制了该类型速凝剂的应用范围。

3.2 液体速凝剂的研究

相比于粉状促凝剂，液体促凝剂的研究则要滞后四十年左右，此后二十年，液体无碱促凝剂才开始被相关的人员进行研究。具体研究情况有：根据国外文献可知，液体碱性速凝剂始于瑞典，且加入此类速凝剂后，混凝土的后期强度会有较大的削弱；蔡熠[21]等人的试验研究表明，硅酸钠速凝剂的凝结性能与温度有较大的关系；由相关文献可知，Snyder、Angelskaar、Buegre[22]分别成功研发出了低碱、无碱、复合无碱方面的液体速凝剂；李龙浩[23]等人的研究表明，将 EDTA、L—抗坏血酸等物质加入到无碱液体速凝剂中后，可使其具有较高的稳定性；Helmboldt[24]研制出了硫酸铝基低碱促凝剂，该类型促凝剂可在一定范围内提高喷射混凝土的强度；Burge[22]通过试验研究，研制出可使混凝土强度损失甚微的无碱型的液体促凝剂；有学者研制出了可存放时间较长的硫铝酸钙—铝酸钠基低碱速凝剂。

4 喷射混凝土应用问题防治及优化研究进展

魏耀宇[25]的喷射混凝土的高耐久性试验研究指出，喷射混凝土在施工时可能存在的问题有：（1）喷射混凝土的耐久性会受到配合比设计、施工质量等一些因素的影响，导致其耐久性不能满足设计的要求；（2）施工时会出现较多的粉尘，回弹率高；（3）混凝土会出现后期强度较低的现象；（4）喷射混凝土倾向于收缩和开裂。其他学者通过现有的模型，同样得出了喷射混凝土的早期收缩开裂要比普通混凝土更加严重的结论。

由相关文献以及研究人员的试验研究表明，为了确保喷射混凝土的耐久性能，在施工中需注意的事项主要有：（1）喷嘴处有风压和水压两种压力，在进行喷射混凝土施工时，风压一定要低于水压才可顺利施工；（2）施工时注意喷射混凝土的喷射顺序；（3）喷嘴与受喷面的距离最好介于 0.8～1m 之间；（4）操作人员应该随时注意机器设备的生产、运转情况；（5）为了确保喷射混凝土的密实性，可使喷射出的混凝土与受喷面成 90°的夹角；（6）喷射混凝土施工时会进行分层喷射，每一混凝土层的薄厚要适中，并且必须要在该层终凝后再进行下一层的施工；（7）当喷射混凝土的面积过大时，应提前做样板；（8）用锤击听声的方法来对喷射混凝土的强度进行检查，并对检查出的问题进行及时的处理。迟一恒对湿喷法的研究表明，湿喷法可以削弱粉尘的浓度、减少粉尘的回弹量；并且可以使湿法喷射混凝土的回弹率控制在 10% 之下，解决了干法喷射混凝土的粉尘多、回弹率高的问题。国外学者以直径为 5cm 的管为研究对象，探究了其弯曲性能，通过研究分析得出了加入钢纤维的混凝土管的抗弯强度有了较大幅度的上涨，和普通混凝土相比，其抗弯强度提高了 80% 以上。丁鹏[26]通过对分别在混凝土中添加硅灰、粉煤灰的试验分析表明：硅灰的加入使混凝土的初期强度有了一定的提升，而粉煤灰的加入则可使喷射混凝土的初期强度、后期强度分别有所减小和提升；N.De Belie[27]对含碱型、铝酸盐型、无碱型与水泥浆体硬化的关系进行试验研究，得出碱性速凝剂可以更好地使其凝结硬化，尤其龄期在 1.5h 以内时，其凝结硬化效果更加显著，但碱型速凝剂的加入会使其抗压强度有较大幅度的下降，因此为解决喷射混凝土强度较低的现象，可合理采用无碱速凝剂或加入一定量的纤维和外掺料。

陈科[28]研究探索了粉煤灰对喷射混凝土初期开裂的影响情况，得出了粉煤灰的占比介于 10%～20% 之间时，抑制其早期开裂的效果最好；学者通过研究喷射混凝土的早期收缩性能，发现粉煤灰加入到混凝土中以后，可以更好地抵抗由于收缩带来的早期开裂，确保了混凝土的安全稳定性。