高效防腐剂对喷射混凝土的性能影响*

2021-06-07王伟曾鲁平赵爽陈俊松韩斌

建材发展导向 2021年8期

王伟，曾鲁平，赵爽，陈俊松，韩斌

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司江苏南京211103）

（2.江苏省建筑科学研究院有限公司高性能土木工程材料国家重点实验室江苏南京211108）

0 引言

隧道钻爆法施工是目前较为普遍采用的隧道施工方法，喷射混凝土常用于一衬结构，能在液体无碱速凝剂的作用下发生快速硬化并对粗糙围岩表面产生良好粘结效果，达到稳固围岩、快速支护的作用[1-2]。随着中西部高速铁路及川藏铁路等重大基础工程的蓬勃发展，隧道喷射混凝土也面临日益复杂的服役及承载受力环境而产生不同形式的耐久性能下降，如开裂渗漏、冻融破坏、硫酸盐侵蚀等病害[3-4]。

近年来，湿法喷射混凝土因其良好的水灰比控制、喷射粉尘污染小，成为隧道喷射施工工艺的首选，然而部分研究结果表明硬化湿法喷射混凝土中存在较多细小且不规则的气泡存在，造成了喷射混凝土致密性下降及耐久性劣化加剧等[5-6]。高效防腐剂是是一种有机无机复合型改性组分，能通过调节胶凝体系的化学组成、维持体系化学平衡来改善混凝土结构对硫酸盐等盐类侵蚀介质的抵抗能力，但在喷射混凝土材料中的应用相对较少。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥为海螺牌PO 42.5普通硅酸盐水泥，密度3.06 g/cm3，比表面积345m2/kg；细集料为天然河砂，细度模数2.70，表观密度2 550kg/m3，含泥量1.2%；粗集料为5～10mm单粒径石灰岩碎石，表观密度2 680 kg/m3，针片状颗粒含量4.8%；试验用液体外加剂均为江苏苏博特生产，分别为PCAR-Ⅰ系列聚羧酸高性能减水剂，减水率25%，以及SBTR-N(Ⅱ)液体速凝剂（无碱型），pH值2.3；试验用高效防腐剂为淡灰色粉体，比表面积350m2/kg，其他性能指标满足JCT 1011-2006《混凝土抗硫酸盐类侵蚀防腐剂》标准。

1.2 试验配合比

混凝土试验采用湿喷工艺及C25喷射混凝土配合比（见表1），对比空白组，高效防腐剂的掺入形式设置外掺及内掺两种。为进一步探究高效防腐剂与液体速凝剂的相容性，采用水泥净浆及砂浆体系分别测定了掺防腐剂后的水泥净浆凝结时间及砂浆抗压强度等性能。

表1 掺防腐剂的C25喷射混凝土配合比/kg/m3

1.3 试验方法

喷射混凝土试件采用湿法喷射成型大板切割成型，试件经表面抹平处理后置于标准养护环境养护24h切割出相应尺寸规格的试件进行力学性能及耐久性试验，其中碳化试验、硫酸盐侵蚀试验及抗水渗试验按照GB/T 50082-2009标准进行，而抗水渗试验采用喷射圆台试模成型及恒压水渗高度法进行，水渗压力为0.8MPa。水泥净浆及砂浆试件成型方法参照GB/T 35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》标准进行，液体无碱速凝剂掺量为占胶凝材料总量的8%。

2 试验结果与分析

2.1 凝结时间及砂浆强度

快速稳固开挖岩面、初期支护的功能特点要求喷射混凝土具有较快的凝结硬化速率，故本节从防腐剂掺量及掺入形式，探究了高效防腐剂对掺速凝剂净浆及砂浆强度的影响，其结果见表2。

表2 高效防腐剂与液体速凝剂对净浆凝结时间及砂浆强度的影响

由表2结果可知，当高效防腐剂以内掺形式掺入时，掺速凝剂水泥净浆的初终凝时间具有明显延长，其中采用外掺形式的防腐剂对净浆体系的凝结时间影响较小。从砂浆力学强度可知，水泥砂浆体系的1d抗压强度随防腐剂内掺比例的增加而下降，但后期强度对比无防腐剂体系均有所改善，尤其是90d强度保留率。兼顾凝结时间及砂浆强度的角度考虑，高效防腐剂采用外掺形式与液体速凝剂的适应性较好，并能明显改善体系的后期强度。

2.2 混凝土力学强度

对比基准组，探究了8%掺量的高效防腐剂在外掺或内掺形式下对喷射混凝土早后期力学强度的影响规律，其结果见图1。

图1 不同掺入形式下高效防腐剂对喷射混凝土力学强度的影响

与水泥砂浆结果一致，当高效防腐剂掺入后喷射混凝土的1d抗压强度均有所不同程度下降，其中以内掺体系下降较多，但仍在10.0MPa以上。图1结果表明喷射混凝土的后期强度在防腐剂掺入后提升明显，这可能与防腐剂改善混凝土结构致密性与优化水化结构有关，有利于喷射混凝土的后期强度发展，使得体系的28d抗压强度均在40MPa，90d抗压强度更接近50.0MPa。

2.3 混凝土耐久性能

喷射混凝土力学强度结果说明防腐剂的掺入有利于改善其后期强度及水化产物结构，而对混凝土材料而言，其服役环境以水、硫酸根及二氧化碳等侵蚀性介质的存在较为普遍，因此本节从抗侵蚀介质性能方面探究了高效防腐剂对喷射混凝土耐久性能的影响，结果见图2。

从水渗高度-水渗压力结果可知，掺高效防腐剂的喷射混凝土抗渗能力有明显提升，以水渗压力0.8MPa为例，对比空白组，喷射混凝土的水渗高度从88.6mm分别下降至69.2mm与45.3mm，其中以内掺形式下抗水渗性能改善较为明显；碳化深度-碳化龄期结果表明高效防腐剂的掺入能明显提升喷射混凝土抗碳化能力，28d碳化深度≤10.0mm，从碳化作用拟合曲线方向结果可知，体系的碳化系数大小依次为：基准组（1.906）＞防腐剂内掺组（1.202）＞防腐剂外掺组（1.189）；硫酸盐侵蚀干湿循环试验同样表明在掺入防腐剂后，耐蚀系数从K60提升至K90以上，明显优于空白组的K60。