细骨料对喷射混凝土的力学性能影响研究

方浩然,张士萍,牛龙龙

(1. 安徽建筑大学土木工程学院, 安徽 合肥 230601;2. 南京工程学院建筑工程学院, 江苏 南京 211167)

喷射混凝土技术是利用喷射机以压缩气体或其他能量为动力将按配合比要求拌合均匀的胶结料、粗骨料、细骨料、外加剂、纤维及掺料等通过喷射口快速喷射至作业面上,并且在短时间内凝结硬化形成强度的一种技术[1].喷射混凝土能有效填补作业面上存在的裂缝、凹坑等缺陷,具有施工简单、降低劳动力和材料成本、安全性好等优点[2],广泛应用于隧道工程、山区道路、市政轨道工程及跨河、海工程中[3].近年来,随着我国“西部开发”和“一带一路”计划的不断推进,西部基础设施建设项目中的隧道工程越来越多,这直接增加了我国对喷射混凝土的需求,且需求量仍有上升趋势.对喷射混凝土的性能和耐久性要求越来越高,而喷射混凝土的配比设计对其性能有着直接影响[4].在混凝土需求量不断增加的同时,在现有工程中常用的中河砂的产量却越来越低,如何以及是否可以使用细河砂、粗河砂或机制砂来代替中河砂成为了一个新的研究方向.在实际工程中,以方解石为主要成分的机制砂已成功应用于老尖山隧道中[5],但至今鲜有使用细、粗河砂的案例.已有不少学者研究细骨料对混凝土和砂浆的影响,并取得了一定成果,但少有人研究细骨料对加入速凝剂的喷射混凝土的力学性能影响.本文通过设计不同掺量速凝剂、不同砂胶比、不同细度模数的砂进行对照试验,以探究细骨料对喷射混凝土力学性能的影响,探索在喷射混凝土中使用细河砂或粗河砂的可行性.

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

1.1.1 水泥

考虑到速凝剂对不同水泥的适应性问题,此次试验采用检验混凝土外加剂所用的的基准水泥,产品型号为P·Ⅰ42.5硅酸盐水泥(旋窑),等级强度为42.5,其物理性能及水泥熟料化学分析结果及矿物组成分别见表1和表2.

表1 基准水泥的物理性能

表2 水泥熟料化学分析结果及矿物组成 %

1.1.2 速凝剂

本试验采用的速凝剂是市面上常见的硫酸铝盐类的无碱液体速凝剂,其固含量为53%,不同掺量对应的具体凝结时间见表3.

表3 不同掺量速凝剂所对应的凝结时间

1.1.3 细骨料

本试验采用的细骨料为天然河砂,将天然河砂按不同的粒径筛分后按不同比例重新配置,得到细度模数为2.3的细砂、细度模数为2.6的中砂以及细度模数为3.0的粗砂.不同细度模数的砂的筛分数据见表4.天然河砂的表观密度≥2 500 kg/m3,符合《建筑用砂》(GB/T 14684—2022)标准,其物理性质见表5.

表4 天然河砂筛分和配比数据

表5 天然河砂的物理性质

1.2 配合比设计

本试验主要研究细骨料对喷射混凝土的影响,为避免粗骨料对试验的影响,此次试验全部制作砂浆试块用于测试和研究.为使速凝剂对砂浆的影响更为明显,将砂浆的水泥用量明显提高.

由表3可见,当速凝剂掺量为水泥质量的7%～10%时,水泥的初凝时间和终凝时间随掺量的增加而减少.速凝剂掺量为6%、7%时,不满足国家规范《喷射混凝土用速凝剂》(GB/T 35159—2017)中初凝时间小于5 min、终凝时间小于12 min的要求;速凝剂掺量为8%时接近但依然不满足规范要求;当掺量为10%时,在160 s时便已经初凝,但考虑后续试验中振捣时间的要求,不采用此掺量;最终本试验决定采用的速凝剂掺量为9%.具体的砂浆配合比见表6(其中水泥含量为900 g、速凝剂含量为81 g、水含量为450 g).

表6 砂浆配合比

1.3 试块制作

1) 净浆试块按照《喷射混凝土用速凝剂》(GB/T 35159—2017)中附录D进行制作.

2) 砂浆试块按照《喷射混凝土用速凝剂》中附录E进行制作.JS-1.5-2.3组的配合比制作振捣时间为20、30、40 s的试块各5组,用于测试其1、3、7、28 d强度和28 d孔隙率.再按以上各配合比制作4组试块,用于测试1、3、28 d强度和孔隙率.砂浆试块制作完成后放入温度为(20±2) ℃、湿度大于95%的恒温恒湿养护箱中进行养护.

3) 测试孔隙率试块时,先用切割机将砂浆试块分割成片状,再对待测面进行打磨和抛光,用黑色马克笔将试块表面全部涂黑后放入烘箱内55 ℃烘干30 min,再将含有40%氧化锌的凡士林涂在待测面,将多余凡士林去除后放在仪器上进行测试.

1.4 试验仪器

试验仪器包括维卡仪、筛分机、砂浆搅拌机、混凝土压力试验机、混凝土气孔结构分析器.

2 试验结果与讨论

2.1 速凝剂掺量的影响

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

图1 速凝剂掺量对水泥浆体凝结时间的影响

2.2 振捣时间的影响

混凝土的强度和混凝土的孔隙率有着直接的关系,灰浆的强度是孔隙含量的直接函数.试块制作的搅拌过程和振捣过程是控制水泥浆体中气孔数量的重要部分,本试验在保证搅拌步骤一致的情况下,通过设置不同的振捣时间,观察其对混凝土强度和孔隙率的影响.由图2和图3可见,不同振捣时间对砂浆试块的抗压强度和孔隙率的影响较小,可忽略不计.

图2 不同振捣时间对试块抗压强度的影响

图3 不同振捣时间对应孔隙率柱状图

2.3 砂胶比和细度模数对试块力学性能的影响

不同砂胶比和细度模数的砂对试块抗压强度的影响见图4.由图4可见,粗砂组的1 d抗压强度明显小于其他两组,分析认为,水泥浆体中的砂较粗时,颗粒与颗粒直接接触点减少,孔隙相对较大,水泥水化后生成的胶结物质和针棒状的钙矾石晶体不易填充其孔隙,使其早期强度低于其他两组.随着胶砂比的增大,颗粒之间的直接接触点越来越少,孔隙也随之增大,导致其强度差值不断增大.

图4 不同砂胶比和细度模数的砂对试块 抗压强度的影响

在相同的砂胶比时,随着砂细度模数的增大,试块抗压强度呈现出先减小后增大的趋势,由图5可见,在砂胶比不变的情况下,随着砂细度模数的增大,孔隙率总体上服从先变大后变小的趋势,故可认为试块抗压强度的变化是由其孔隙率的变化所导致.

图5 不同砂胶比和细度模数的砂对应孔隙率柱状图

当砂胶比增大时,孔隙率也会随之一起增大,且其增大速率与加入砂的细度模数大小成正相关.这可能是因为在搅拌的过程中,骨料周围会形成类似浇筑混凝土表面的墙体效应,水泥颗粒无法填充在体积相对较大的骨料周围[10].随着砂占水泥浆体体积的增加,孔隙率也越来越大,对强度发展有不利影响.

当砂的细度模数为2.3时,抗压强度随着砂胶比的增大而增大.文献[10]研究表明,在水泥浆体质量不变情况下,当骨料体积占总体积的40%～80%时,抗压强度会随骨料体积占比的增大而增大,并且在不同水灰比条件下,也有相同的规律.提高砂胶比的同时虽然提高了孔隙率,但砂胶比从1.2提高到1.8后,其孔隙率仅提高了4.7%,可认为其增长量较低,未对强度变化起决定性因素.当砂的细度模数为2.6时,当砂胶比从1.2提高到1.8后,孔隙率提高了7.9%,虽提高了骨料的体积占比,但其强度增长相对较慢,几乎没有太大变化.当砂的细度模数为3.0时,孔隙率增长较快,虽提高了骨料的体积占比,但其强度开始随砂胶比的增加而降低.

3 结论

1) 速凝剂可以明显加快水泥的凝结速度,速凝剂掺量为7%～10%时,凝结时间随着速凝剂掺量的增大而减小,但考虑到实际用法及操作,凝结速度最快的并不一定是速凝剂的最佳掺量;

2) 对于加入速凝剂后的水泥浆体,振捣时间对其强度和孔隙率的影响较小,可忽略不计;

3) 加入速凝剂后,在细骨料质量占比不变的情况下,即砂胶比不变时,随着砂细度模数的增大,抗压强度先变小再变大,孔隙率总体服从先变大后变小的趋势,推测是因为孔隙率的不同导致其强度发生变化;

4) 当砂细度模数为2.3时,28 d抗压强度随砂胶比增大而增大,力学性能总体表现较好,但若要实际应用,仍需加入粗骨料、改善配合比并进行进一步试验与探索;

5) 当砂的细度模数为3.0时,随着砂胶比的增大,其28 d抗压强度连续小幅度降低且孔隙率明显变大,考虑到实际工程中的砂胶比较大,故不宜使用粗砂.