无机纳米材料在喷射钢纤维混凝土中的应用

李德民，徐文龙（葛洲坝集团试验检测有限公司 湖北 宜昌 443002）

0 引言

国内某大型水电站，其中右岸引水发电系统由进水口、压力管道、主副厂房洞、主变洞、尾水调压室及尾水管检修闸门室、尾水隧洞、尾水隧洞检修闸门室、尾水出口等建筑物组成。右岸地下厂房位于坝肩上游山体内，地表为倾向南的斜坡。地下厂房洞室水平埋深480～800m，垂直埋深420～540m。围岩主要为隐晶质玄武岩、斜斑玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩等组成，以Ⅲ1类、Ⅱ类围岩为主，层间错动带沿凝灰岩层发育，均交切厂房。长大裂隙共揭露4条，主要为陡倾角的硬性结构面。主副厂房洞的开挖尺寸为438.00m×31.00m（34.00m）×88.70m（长×宽×高），其地应力相对偏高。为满足工程后期开挖施工进度和锚喷支护的需要，设计要求采用一次喷射混凝土厚度即达到设计厚度为35cm以上的锚喷支护工艺，且混凝土力学性能指标普遍高于一般喷射混凝土。通过参照国内已有施工技术，在喷射钢纤维混凝土中掺加无机纳米材料可使喷射混凝土的一次性可喷厚度和混凝土的力学指标达到设计要求。本文结合工程实践介绍了无机纳米材料在喷射钢纤维混凝土中的应用及其效果。

1 无机纳米材料简介

无机纳米材料是纳米材料从物质的类别来划分出的一种纳米材料，其组成的主体是无机物质，该材料是指至少一维尺寸在1~100nm区域的纳米结构按一定方式堆积或一定基体中分散形成的宏观材料[1]。

本文中提到的无机纳米材料是一种无机高分子气化微粒通过萃取得到的纳米级微粉。大部分结晶的或非结晶的纳米微粉颗粒在1～100nm之间，它是介于分子和宏观固体之间的亚稳中间态物质。当纳米微粉颗粒尺寸进入纳米数量级时，由于纳米微粉的表面原子与体相总原子数之比随粒径尺寸的减少而急剧增大，从而显示出强烈的体积效应、量子效应、表面效应和宏观量子隧道效应[2]。

该无机纳米材料中同时还掺有一定量的减水剂成分，使其同样具有减水的作用和效果。该减水剂是一种表面活性剂，它溶于水并吸附于水泥颗粒表面，能使带相同电荷的水泥颗粒因相互排斥而被分散，进而释放出水泥颗粒间多余的水分，从而产生减水作用。此外，在混凝土中加入该纳米材料，其中的减水成分在水泥颗粒表面形成吸附膜，能减缓水泥的水化速度，使水泥石中的晶体生长更为完善，达到填充毛细空隙，提高水泥石硬度和结构的密实性，最终提高混凝土的各项强度和耐久性等。

2 无机纳米材料理化性能指标

本工程中采用的是巩义宏超建材有限公司生产的跨越2000HCNM无机纳米材料，该材料的理化性能指标见表1。

表1 无机纳米材料理化性能指标

3 无机纳米材料在喷射钢纤维混凝土中的应用效果

3.1 改善喷射钢纤维混凝土拌合物和易性

众所周知，混凝土中掺入一定量的活性掺合料可改善混凝土拌合物的和易性。例如：混凝土中掺加粉煤灰等量替代水泥时，由于粉煤灰密度大约是水泥密度的2/3，所以其体积增量将超过所替代水泥体积的30%左右，这样就增加了灰浆的体积。足量的灰浆填充混凝土孔隙空间，覆盖和润滑骨料颗粒，减少拌合物的内摩擦，增加拌合物的粘聚力、流动性和可塑性，改善混凝土的和易性。另外，粉煤灰中的球形微颗粒多，即可弥补混凝土中细骨料细颗粒的不足，又可阻塞砂浆的泌水通道，降低泌水性和提高拌合物的稳定性[3]。对于粒径处于准纳米级别的纳米材料来说，其对拌合物产生的效果则更加突出。由表2可知，掺10%纳米材料的喷射钢纤维混凝土的和易性要优于不掺或掺20%粉煤灰混凝土的和易性。

表2 不同掺合料对喷射钢纤维混凝土拌合物和易性的影响

3.2 提高喷射钢纤维混凝土的力学性能

纳米材料中的纳米级金属氧化物可促进水泥水化产物的二次水化反应，生成更加稳定的水化产物，其将会填充和阻断水泥石中的毛细空隙，改善其微观孔隙结构，提高混凝土的密实性；同时还可改善混凝土中水泥石与集料过渡区的界面结构，提高接触区的密度，进而提高混凝土的各项强度指标以及耐久性。有研究报道，当水泥中掺加1%～3%的纳米材料时，其7d和28d龄期的纳米水泥结构材料强度要比未掺加纳米材料的提高约50%，而且其韧性和耐久性也有较大地提高[4]。由表3中的试验数据可知，在胶凝材料用量和水胶比基本一致的情况下，掺加10%纳米材料的喷射钢纤维混凝土，其现场喷射大板7d和28d龄期的抗压强度、28d龄期的劈裂抗拉强度较未掺或掺20%粉煤灰的混凝土强度均增长80%左右，而且其弯折强度和与围岩的粘结强度较未掺或掺20%粉煤灰的混凝土强度均有所提高（详见图1、图2）。

表3 不同掺合料对现场喷射钢纤维混凝土力学性能的影响

图1 不同掺合料喷射钢纤维混凝土抗压强度对比

图2 不同掺合料喷射钢纤维混凝土其它力学性能对比

3.3 改善湿喷钢纤维混凝土的可泵性和提高一次性可喷厚度

有试验数据显示[3]，喷射钢纤维混凝土中掺加粉煤灰可提高混凝土中钢纤维的分散性以及混凝土的可泵性和可喷性。通过表4数据亦可知，喷射纳米钢纤维混凝土同样具有较低的坍落度损失和较好的可泵性及可喷性；其中喷射纳米钢纤维混凝土的回弹率及一次性可喷厚度均优于喷射粉煤灰钢纤维混凝土，且早期强度增长迅速，这对于围岩应力和变形较大的部位来说，能较早地发挥喷射混凝土的支护作用是极为关键的，它能更好地确保高应力、大变形围岩部位的施工安全性。

表4 不同掺合料对现场喷射钢纤维混凝施工性能的影响

4 结语

无机纳米材料做为一种新兴功能性材料应用于混凝土领域，它将积极带动新材料在混凝土方面的应用研究，将其应用于喷射钢纤维混凝土中会出现各种显著效果。一方面无机纳米材料的小尺寸效应可改善喷射钢纤维混凝土拌合物的和易性，提高流动性、增加粘聚性和降低泌水率，进一步改善湿喷射钢纤维混凝土的可泵性，提高一次性可喷厚度，降低回弹量，从而表现出优良的施工性能。另一方面无机纳米材料中的纳米级微粒活性物质可激化混凝土中胶凝材料的水化产物，大幅度提高喷射钢纤维混凝土各龄期抗压强度、抗拉强度、弯折强度、与围岩的粘结强度以及耐久性等。