低温养护下矿物掺合料湿喷混凝土力学性能及配比优化研究

杨 帆，张友锋，余 姚

(1.赣南科技学院建设工程系,赣州 341000；2.赣州市智能建造重点实验室,赣州 341000；3.江西省矿业工程重点实验室， 赣州 341000；4.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；5.江西理工大学理学院，赣州 341000)

0 引 言

湿喷混凝土具有粉尘量低、施工简便高效、浆体回弹量少及支护效果好等诸多优势，被广泛应用到隧道工程、水利工程中，由于其应用效果俱佳也逐渐被应用到地下采矿工程中[1-2]。我国高寒地区国土面积占总国土面积的30%左右，矿产资源储量丰富，这些地区的平均温度均较低[3]，而在这些地区采用湿喷混凝土技术后，混凝土的力学性能不可避免受到低温环境的作用，进而影响混凝土质量及支护效果。喷射混凝土的强度过低不能达到稳定支护的目的，强度过高则会增加喷射混凝土的制备成本，因此有必要对低温条件下湿喷混凝土力学性能及配比参数的优化进行研究。

目前，诸多矿山科技工作者针对湿喷混凝土力学性能及配比参数开展了大量研究工作，Velay-lizancos等[4]研究了不同类型和配比的混凝土抗压强度受温度的影响，得出了低温使混凝土凝结时间变慢的结论；Pichler等[5]发现C-S-H凝胶等水化产物会受养护温度影响，使混凝土早期强度与水化反应呈幂指数关系；Cui等[6]通过模拟干热环境，分析了含纤维材料对混凝土力学性能、孔隙结构的影响，并建立两者间数学模型；李克庆等[7]对不同养护温度的湿喷混凝土开展抗压强度试验，得出湿喷混凝土的抗压强度增速随着养护温度的增加呈现出先快后缓直至基本稳定趋势。此外，秉持着可持续发展理念，学者们逐渐关注绿色混凝土制备技术，将粉煤灰、硅灰及矿渣等活性矿物掺合料替代部分水泥，该技术不仅降低混凝土的制备成本，也减少了对环境的污染[8-9]。张一帆等[10]通过开展活性粉末混凝土的抗压强度试验，得出添加一定量的硅灰能够提高混凝土的抗压强度，但对其抗折强度没有显著影响；胡亚飞等[11]得出了矿渣粉-粉煤灰掺量交互作用对混凝体强度影响大于硅粉-粉煤灰掺量交互作用；王辉等[12]开展了高性能自密实混凝土单轴抗压试验，得出自密实混凝土抗压强度与粉煤灰掺量负相关；何淅淅等[13]通过开展混凝土棱柱抗压性能的试验研究，得出在低温养护条件下添加一定量粉煤灰有利于混凝土抗压强度增长的结论。

综上可知，国内外学者在低温养护、矿物掺合料对混凝土力学性能影响方面取得了诸多有益的成果，能够为混凝土的力学性能研究及配比参数设计提供一定的理论指导。但目前关于低温养护条件下复掺矿物掺合料对湿喷混凝土力学性能的研究仍不多见，有必要开展进一步的研究工作。基于此，本文为系统探究低温养护条件下复掺矿物掺合料对湿喷混凝土力学性能的影响规律，以湿喷混凝土抗压强度为考察目标，通过正交设计试验，探明养护温度、矿物掺合料掺量对湿喷混凝土抗压强度的影响，并通过极差与方差分析，得出作用于湿喷混凝土抗压强度的显著性影响因素，最后运用多元非线性回归建立多因素耦合作用下的抗压强预测模型。研究结果不仅为湿喷混凝土的参数设计提供指导，也能够推动湿喷混凝土技术在高寒地区矿山的广泛应用。

1 实 验

图1 废石颗粒的级配曲线Fig.1 Gradation curve of waste rock particles

1.1 试验材料

本次试验采用的废石颗粒为普朗铜矿废石破碎而成，颗粒粒径最大为12 mm，其级配分布曲线如图1所示，其中砂石颗粒粒径分布范围为：d10=0.3 mm，d50=7.0 mm，d80=10.0 mm(其中，d10，d50和d80分别为砂石质量分数10%、50%及80%时对应的粒径)。水泥为P·O 42.5硅酸盐水泥，粉煤灰为二级粉煤灰，硅灰型号为Elkem 920U硅微粉(粉煤灰、硅灰均来自成都凯斯博建材公司)。为改善混凝土的抗变形性能，在混凝土中添加一定量波浪型钢纤维。粉煤灰和硅灰的化学组成见表1，废石和水泥的化学组成见表2，钢纤维的基本物理性质见表3所示。

表1 粉煤灰和硅灰的化学组成Table 1 Chemical composition of fly ash and silica fume

表2 废石和水泥的化学组成Table 2 Chemical composition of waste rock and cement

表3 钢纤维的物理性质Table 3 Physical properties of steel fiber

1.2 分析与测试

单轴抗压试验采用RMT-150C岩石力学试验系统进行，该设备由中国科学院武汉岩土力学研究所研制，试验过程由系统自动控制，试验加载采用位移控制模式，压力机垂直液压缸的垂直出力选择1 000 kN级别。废石和水泥的化学成分采用Empyrean锐影X射线衍射仪，该检测系统是由荷兰帕纳科公司研发，主要参数为：靶材Cu靶，管电压40 kV，管电流40 mA。试块微观测试采用MLA 650F扫描电镜，首先对试块进行喷金处理，将喷金处理的试块用导电胶连接到金属托盘上，放置到扫描电镜腔内的载物台上。合拢腔体并抽真空，15 min左右达到真空环境后，调整镜头位置和参数，对试块的表面形貌进行观测拍摄，观察试块的表面形态。

1.3 试验方案

基于探索试验，固定水泥掺量为480 kg/m3，钢纤维掺量为50 kg/m3，粉煤灰、硅灰以内掺方式进行添加，料浆水灰比为0.42，灰砂比为1 ∶4。通过文献[14]可知，粉煤灰和硅灰复掺量达到30%(质量分数，下同)时，对混凝土强度的提升效果最显著。因此，试验中粉煤灰和硅灰的最大复掺量设计为30%。考虑到本次试验考察目标较多，选用正交试验分析养护温度、硅灰、粉煤灰对湿喷混凝土力学性能的影响规律。试验设计方案见表4。

表4 正交试验方案的因素及水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test scheme

1.4 试验过程

按照试验设计方案称取所需要的物料，并将物料放置在搅拌桶中，采用手持式搅拌机将物料搅拌均匀制备成料浆，随后快速将料浆倒入清理好的模具中(模具长宽高均为70.7 cm)。将浇筑好的模具放置在实验室内常温静置24 h后进行脱模处理，随后将试样放置在设计好温度的养护箱内养护到指定龄期(养护箱温度、湿度分别控制为20 ℃、90%)。试样在设计温度内达到指定龄期后，采用压力机对试样进行压缩试验，每组试验取3个样品进行测试，取其均值作为试验数据。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

湿喷混凝土试样不同养护龄期抗压强度如表5所示，标准差如表6所示。为考察硅灰掺量(A)、粉煤灰掺量(B)、养护温度(C)对湿喷混凝土力学性能的影响程度和显著性影响因素，采用统计分析软件 SPSS 进行极差分析和方差分析，结果见表7、表8。

表5 湿喷混凝土抗压强度Table 5 Compressive strength of wet shotcrete

表6 湿喷混凝土抗压强度标准差Table 6 Standard deviation of compressive strength of wet shotcrete

表7 极差分析结果Table 7 Results of range analysis

Notes:Kiis the average of the test results of various factors at leveli；Rrepresents range value.

表8 方差分析结果Table 8 Results of variance analysis

2.2 湿喷混凝土试样抗压强度的变化特征

图2 不同养护龄期湿喷混凝土抗压强度Fig.2 Compressive strength of wet shotcrete at different curing ages

图2为湿喷混凝土试样在不同养护龄期下的抗压强度变化特征。由图2可知，不同养护龄期湿喷混凝土试样的抗压强度均随养护时间的增加而增大，这说明延长养护龄期能够有效提升湿喷混凝土试样的抗压强度，有利于改善喷射混凝土的抗变形性能及承载性能。整体来看，不同养护龄期湿喷混凝土的抗压强度增幅并不相同。当养护龄期从7 d增加至28 d时，湿喷混凝土的抗压强度增幅显著，说明在该养护区间湿喷混凝土内部水泥水化反应程度强烈；当养护龄期从28 d增加至56 d时，湿喷混凝土试样的抗压强度仅有小幅增长，说明在该龄期范围内，水泥水化反应趋于完全，侧面反映了湿喷混凝土在养护后期的抗压强度逐渐趋于稳定。

2.3 矿物掺合料及温度对湿喷混凝土强度的影响规律

图3为湿喷混凝土抗压强度与三因素间的关系曲线。由图3(a)可知，不同养护龄期湿喷混凝土试样的抗压强度均随硅灰掺量的增加而增大，说明添加一定量硅灰能有效改善湿喷混凝土力学性能。当养护龄期为7 d时，硅灰掺量的增加对湿喷混凝土试样抗压强度的影响最为显著，而对湿喷混凝土后期抗压强度影响程度有所减弱。硅灰中的活性物质不仅可以参与水化反应生成一定量C-S-H凝胶，并且硅灰与砂石颗粒相比属于细颗粒，添加硅灰能够填充孔隙，进而提高了湿喷混凝土的力学性能[15]。由图3(b)可知，添加一定量粉煤灰也能够有效提高湿喷混凝土的抗压强度，但不同养护龄期则具有一定差异性。养护龄期7 d的湿喷混凝土抗压强度随粉煤灰含量的增加而显著提高，这归功于粉煤灰的“火山灰效应”及细颗粒的填隙作用[16]，粉煤灰掺量超过10%，养护后期湿喷混凝土抗压强度基本无显著变化。由图3(c)可知，不同养护龄期的湿喷混凝土抗压强度均随养护温度的增加而不断增大，且增幅各不相同；养护龄期为7 d、28 d及56 d时，养护温度从3 ℃增加至10 ℃，湿喷混凝土试样的抗压强度分别增大了16.13%、13.16%及12.62%，可以看出湿喷混凝土强度增幅随养护龄期的增大而减小。湿喷混凝土本质上仍属于水泥基复合材料，养护温度的增加能够促进水泥的水化反应及矿物掺合料中的活性物质参与水化反应，使得大量C-S-H凝胶填充到固体颗粒间，形成致密的网络支撑结构，因此湿喷混凝土试样强度随着养护温度的增加而增大[17]。

图3 湿喷混凝土抗压强度与三因素关系Fig.3 Relationship between compressive strength of wet shotcrete and three factors

2.4 湿喷混凝土强度对三因素的敏感性分析

通过对湿喷混凝土试样抗压强度的极差与方差进行分析，得到了三因素对抗压强度的敏感程度。由表7湿喷混凝土试样7 d抗压强度的极差分析可知，在试验设计范围内，三因素对湿喷混凝土抗压强度的影响程度顺序为硅灰掺量(4.62)>养护温度(2.04)>粉煤灰掺量(1.66)；由表8湿喷混凝土试样7 d抗压强度的方差分析可知，粉煤灰掺量及养护温度的显著性水平p值均大于0.05，说明粉煤灰掺量及养护温度均不是湿喷混凝土试样7 d抗压强度的显著性影响因素，而硅灰掺量的显著性水平p值小于0.05，说明硅灰掺量为试样7 d抗压强度的显著性影响因素。此外，根据试验组每一水平的平均强度可知，在本次试验范围内湿喷混凝土试样7 d抗压强度达到最大值的配比参数：硅灰掺量(15%)、粉煤灰掺量(15%)及养护温度(10 ℃)。对于28 d湿喷混凝土抗压强度在试验设计范围内，三种因素对混凝土试样抗压强度的影响程度顺序为硅灰掺量(3.27)>养护温度(2.81)>粉煤灰掺量(1.86)；根据表8的方差分析结果可知，硅灰掺量、粉煤灰掺量及养护温度的显著性水平p值均小于0.05，说明三因素均为试样28 d抗压强度的显著性影响因素。此外，根据试验组每一水平的平均强度可知，在本次试验范围内湿喷混凝土试样28 d抗压强度达到最大值的配比参数：硅灰掺量(15%)、粉煤灰掺量(15%)及养护温度(10 ℃)。对于56 d湿喷混凝土抗压强度在试验设计范围内，三种因素对湿喷混凝土试样抗压强度的影响程度顺序为硅灰掺量(2.74)>养护温度(2.27)>粉煤灰掺量(0.94)；根据表8的方差分析结果可知，硅灰掺量、粉煤灰掺量及养护温度的显著性水平p值均大于0.05，说明三因素均不是试样56 d抗压强度的显著性影响因素。此外，根据试验组每一水平的平均强度可知，在本次试验范围内的湿喷混凝土试样56 d抗压强度达到最大值的配比参数：硅灰掺量(15%)、粉煤灰掺量(15%)及养护温度(10 ℃)。

2.5 湿喷混凝土强度的多因素耦合预测模型

为定量分析硅灰掺量、粉煤灰掺量及养护温度与湿喷混凝土抗压强度间的关系，建立考虑因素交互作用的多因素非线性回归模型，模型的表达式如(1)所示：

(1)

式中：y为湿喷混凝土抗压强度，MPa；x1为硅灰掺量，%；x2为粉煤灰掺量，%；x3为养护温度，℃；bk为模型的回归系数，其中k=(0,1,2,3,…,6)。

结合湿喷混凝土试样在7 d、28 d及56 d的抗压强度数据，利用统计分析(SPSS)软件自定义模型板块功能，自主构建多因素回归模型，并依据正交试验数据求解出方程的回归系数，从而建立湿喷混凝土试样的抗压强度回归模型如式(2)～式(4)所示：

湿喷混凝土试样7 d抗压强度回归模型：

(2)

湿喷混凝土试样28 d抗压强度回归模型：

(3)

湿喷混凝土试样56 d抗压强度回归模型：

(4)

结合建立的湿喷混凝土试样抗压强度回归模型，将正交试验测试得到的数据带入到回归模型中。由图4的实测值与预测值的变化规律可以看出，湿喷混凝土试样的7 d、28 d及56 d的抗压强度的最大误差分别为1.82%、8.12%及4.21%，可以看出预测模型能够较为准确地预测试样的抗压强度，能够现场工程实践设计提供一定的理论指导。此外，结合正交试验结果可知，在本次试验范围内的混凝土在硅灰掺量为15%、粉煤灰掺量为15%及养护温度为10 ℃时，湿喷混凝土试样的抗压强度不仅达到最大值，而且也达到了该矿山井巷工程对喷射混凝土的技术参数要求，试验得到的研究结果能够为同类型高寒矿山地区的喷射混凝土的参数设计提供一定的参考。

图4 湿喷混凝土抗压强度实测值与预测值曲线Fig.4 Curves between measured value and predicted value of wet shorcrete compressive strength

2.6 因素间的交互作用对湿喷混凝土抗压强度的影响规律

本文以养护龄期28 d时的湿喷混凝土抗压强度为例，构建混凝土试样抗压强度的3D可视化模型，以分析因素间交互作用对湿喷混凝土力学性能影响规律。图5(a)为养护温度为10 ℃时，硅灰掺量和粉煤灰掺量的交互作用对湿喷混凝土试样抗压强度的影响；图5(b)为粉煤灰掺量为10%时，硅灰掺量和养护温度的交互作用对湿喷混凝土试样抗压强度的影响；图5(c)为硅灰掺量为10%时，粉煤灰掺量和养护温度的交互作用对湿喷混凝土试样抗压强度的影响。

由图5(a)可知:当粉煤灰掺量为5%时，随着硅灰掺量从5%增加至15%，湿喷混凝土抗压强度增加了51.0%；当粉煤灰掺量为15%时，随着硅灰掺量从5%增加至15%，湿喷混凝土抗压强度增加了22.3%，可看出抗压强度对硅灰掺量的敏感性与粉煤灰掺量负相关。因此，当添加硅灰和粉煤灰来改善湿喷混凝土力学性能时，为充分提高硅灰对湿喷混凝土抗压强度的改善效果，粉煤灰含量不宜设计为较高的比例。由图5(b)可知：当养护温度为3 ℃时，随着硅灰掺量从5%增加至15%时，湿喷混凝土试样的抗压强度分别增加了22.2%；当养护温度为10 ℃，随着硅灰掺量从5%增加至15%时，抗压强度分别增加了32.1%，可以湿喷看出抗压强度对硅灰掺量的敏感性与养护温度正相关。由图5(c)可知：当养护温度为3℃时，随着粉煤灰掺量从5%增加至15%时，湿喷混凝土试样的抗压强度分别增加了7.6%；当养护温度为10 ℃，随着硅灰掺量从5%增加至15%时，抗压强度分别增加了22.3%，可以看出抗压强度对粉煤灰掺量的敏感性也与养护温度正相关。此外，通过对比粉煤灰和硅灰掺量对湿喷混凝土抗压强度的改善效果可知，当养护温度处于较低范围时，硅灰对湿喷混凝土抗压强度提升效果要明显优于粉煤灰对湿喷混凝土抗压强度的提升效果，因此在高寒地区设计湿喷混凝土性能参数时，可以优先提高硅灰的添加量。

图5 因素交互作用对湿喷混凝土抗压强度影响Fig.5 Influence of factor interaction on compressive strength of wet shotcrete

2.7 养护温度对湿喷混凝土微观结构的影响

湿喷混凝土宏观抗压强度的变化其本质上是内部成分和微观结构变化的结果。图6为粉煤灰掺量、硅灰掺量均为15%时，湿喷混凝土在不同养护温度下的内部微观结构SEM照片。由图6(a)可知，当养护温度为3 ℃时，湿喷混凝土内部生成了针状钙矾石晶体及C-S-H凝胶，并且湿喷混凝土内部存有明显的孔隙结构，微观结构的致密性较差；由图6(b)可知，当养护温度为6 ℃时，湿喷混凝土内部也生成了大量的针状钙矾石晶体及C-S-H凝胶，并且湿喷混凝土内部也存在一些孔隙结构，但与养护温度为3 ℃的试样相比，微观结构的致密性有所改善；由图6(c)可知，当养护温度为10 ℃时，湿喷混凝土内部也生成了少量的针状钙矾石晶体，但絮团状的C-S-H凝胶则大量覆盖在湿喷混凝土试样表面，并且与养护温度为3 ℃和6 ℃的试样相比可知养护温度的增加使得团絮状胶凝物质大量生成，此时水化产物黏结得相当密实，抗压强度得到进一步的增强。因此，随着养护温度的提高，水化程度和水化产物的结晶程度越来越高湿喷混凝土内部缺陷逐渐减少，结构变得更为致密，从而提高了湿喷混凝土的承载能力，宏观上表现为抗压强度的增加。

图6 不同养护温度下湿喷混凝土的微观结构Fig.6 Microstructure of wet shotcrete at different curing temperatures

3 结 论

本文采用正交试验设计方法对湿喷混凝土的力学性能开展了研究，系统揭示了硅灰掺量、养护温度及粉煤灰掺量对湿喷混凝土抗压强度的影响规律，并结合SEM阐明了养护温度对混凝土力学性能的影响机理，得到相关结论如下：

(1)不同养护龄期的湿喷混凝土抗压强度增幅不同:养护龄期从7 d增至28 d时，增幅显著；28 d增至56 d时，则小幅增长。硅灰掺量的增加能够显著提高湿喷混凝土试样的抗压强度，并且对早期强度的提升效果最为明显；增加粉煤灰掺量也能显著提升湿喷混凝土早期强度，但掺量超过10%后，湿喷混凝土抗压强度基本不受粉煤灰掺量影响。

(2)由湿喷混凝土抗压强度极差与方差分析可知，养护龄期为3 d、7 d及28 d时，三因素对湿喷混凝土抗压强度影响程度顺序为：硅灰掺量>养护温度>粉煤灰掺量。此外，硅灰掺量为试样7 d抗压强度的显著性影响因素，而在养护龄期为28 d时，三因素均为湿喷混凝土试样抗压强度的显著性影响因素。

(3)构建的抗压强度多元非线性回归模型能够很好地预测湿喷混凝土抗压强度，为高寒地区的现场工程应用提供一定指导。此外，依据正交实验结果，湿喷混凝土试样7 d、28 d及56 d抗压强度达到最大值时硅灰掺量为15%，粉煤灰掺量为15%，养护温度为10 ℃。

(5)养护温度不变时，湿喷混凝土抗压强度对硅灰掺量的敏感性与粉煤灰掺量负相关；湿喷混凝土抗压强度对矿物掺合料的敏感性则与养护温度正相关，说明养护温度的增加能够提高矿物掺合料对湿喷混凝土抗压强度的改善效果。

(6)结合湿喷混凝土试样的微观结构分析可知，随着养护温度的提高，湿喷混凝土内部缺陷逐渐减少，结构变得更为致密，从而提高了湿喷混凝土的承载能力，宏观上表现为抗压强度的增加。