北方寒区水利工程喷射混凝土速凝剂性能试验分析

李 莹

(盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘锦 124010)

速凝剂通过搅拌机与水工混凝土原料经过输送管道采用喷射方式对水工混凝土表层进行快速凝结支护[1]。按施工机械的不同，可分为干法喷射混凝土和湿法喷射混凝土。在进行水工混凝土搅拌骨料运输过程中对采用干法喷射混凝土进行速凝剂的添加，这种传统方式对于水工混凝土喷射施工时由于回弹影响产生较多的粉尘，使得施工环境被破坏[2-4]。而采用湿法进行混凝土喷射时速凝剂主要通过喷枪管路进行压送，这种方式混凝土喷射回弹率较低，喷射粉尘得到明显降低，有效改善施工环境[5]。对于两种混凝土喷射方式而言，速凝剂都需要在混凝土喷射过程中进行添加，尤其对于北方较为寒冷的地区而言，添加速凝剂可以提高混凝土的喷射质量，提升其耐久性。当前对于水工混凝土喷射速凝材料的分析试验国内已经开展不少研究，但对于其低温性能的影响试验研究还相对较少，为提高北方寒冷地区水工混凝土喷射质量，文章针对三种常用速凝剂进行性能比测试验，研究成果对于北方寒冷地区水工混凝土施工具有借鉴和推广应用价值[6-8]。

1 速凝剂主要性能试验

在水利工程喷射混凝土过程中速凝剂作为外加剂可使得混凝土硬化凝结较为快速。按产品的形态，速凝剂可分为粉状速凝剂和液体速凝剂。其中，粉状速凝剂可分为铝氧熟料-碳酸盐类和铝氧熟料-明矾石系；液体速凝剂可分为以水玻璃(硅酸钠)为主的碱性液体速凝剂、以硫酸铝为主的无碱液体速凝剂和其它类型液体速凝剂。铝氧熟料的粉状速凝剂、碱性及无碱性液体速凝剂是当前国内水利工程混凝土喷射主要选用的3种速凝剂材料，在3种速凝剂材料中，碱性速凝剂可相对降低混凝土的强度和渗透性能，而无碱性速凝剂可一定程度提高其性能指标，且对施工人员健康影响相对较低，因此国内施工中应用相对较多，三类速凝剂主要性能对比如表1所示。

表1 3种速凝剂性能试验结果

从3种速凝剂抗压强度以及回弹率基本性能试验结果可看出，当各速凝剂具有相同的的凝结时间时，无碱液体速凝剂的掺量最高，为7%，其次为粉体碱性速凝剂，有碱液体速凝剂的速凝剂的掺量最低为4%。1d抗压强度对于三种速凝剂而言基本相同，粉状速凝剂约偏高于其他两种速凝剂。无碱液体速凝剂的28d抗压强度比最大，其次为有碱液体速凝剂，粉体碱性速凝剂最低为76%，粉状速凝剂的回弹率明显高于液体速凝剂的回弹率。无碱液体速凝剂的总碱量最低，为0.35%，其次为有碱液体速凝剂，总碱量最高的为粉体碱性速凝剂。当混凝土骨料中存在碱性时应采用无碱液体速凝剂当混凝土喷射施工时进行添加，因此对于北方寒区喷射水工混凝土时要首选无碱液体速凝剂进行添加，可以有效提升混凝土喷射施工质量并降低喷射回弹率，提供水利工程的生命周期[9-11]。

2 喷射混凝土回弹率变化影响

速凝剂的初凝时间按照《喷射混凝土用速凝剂》(JC477)进行两种喷射方式的设定，并对不同方式下的混凝土喷射回弹率进行测定，检测结果分别如表2和表3所示。

表2 速凝剂初凝时间对回弹率的影响

从表2和表3 干、湿喷射混凝土回弹率受速凝剂初凝时间影响试验结果可看出，喷射混凝土在两种喷射方式下其混凝土初凝时间分别控制在4min以内，且均可具有较低的回弹率，因此在进行喷射混凝土施工时，要严格按照干喷方式下2min-3min和湿喷3min-4min严格控制混凝土初凝时间。

3 粉煤灰掺量对喷射混凝土的影响

3.1 粉煤灰掺量对凝结时间的影响

速凝剂初凝时间受粉煤灰掺量影响程度较高，为此对粉煤灰不同掺量下粉体及无碱液体两种速凝剂的初凝时间进行试验，如表3所示。

表3 粉煤灰掺量对水泥净浆的凝结时间的影响

从试验结果可看出，随着粉煤灰掺量的增多其速凝剂的凝结时间也逐步增加，初凝时间当粉煤灰掺量在25%-35%之间时其不能满足混凝土喷射施工的质量规范要求。而对于无碱液体而言当加入25%的粉煤灰掺量其初凝时间也低于5min，不能满足混凝土喷射施工的质量规范的凝结时间高于5min的规范要求。因此对于粉体碱性和无碱液体速凝剂而言其粉煤灰掺量最高值25%和20%[12-15]。

3.2 粉煤灰掺量对喷射混凝土强度的影响

对混凝土喷射强度受不同粉煤灰掺量影响进行试验，试验结果如表4所示。

表4 干喷混凝土强度随粉煤灰掺量变化分析

从试验结果可看出，喷射混凝土的抗压强度随着粉煤灰掺量增加而先增后减变化。当粉煤灰在干喷混凝土的掺量为10%时，抗压强度达到最优值。粉煤灰掺量在干喷混凝土的含量为20%时，其粉煤灰掺加前后的抗压强度基本接近。当粉煤灰掺量在干喷混凝土的含量高于20%时，掺加粉煤灰混凝土的抗压强度高于粉煤灰掺入前的抗压强度。湿喷混凝土抗压强度峰值出现在15%的粉煤灰掺量。当粉煤灰在湿喷混凝土的掺量达到25%时，粉煤灰掺加后和掺入前抗压强度基本接近，当粉煤灰在湿喷混凝土的掺量高于25%时，不掺加粉煤灰混凝土的抗压强度高于掺加粉煤灰的混凝土抗压强度。

表5 湿喷混凝土强度随粉煤灰掺量变化分析

4 硅灰对喷射混凝土性能的影响

硅灰是一种二氧化硅为主要成分的高性能矿物外加剂，其主要用于提高水利工程喷射混凝土的稳定程度，具体试验指标性能如表6所示。

表6 硅灰对干喷和湿喷混凝土性能的影响

喷射混凝土性能指标通过掺加硅灰后得到显著提高，主要体现在以下3个方面：①1d和28d抗压强度在掺加硅灰后明显提升；②喷射混凝土的回弹率在掺加硅灰后尤其是干喷混凝土均有显著降低，其中干喷混凝土的回弹率降低了45%左右，从而提高了材料的经济效益；③喷射混凝土渗透高度掺加硅灰后显著减小，其中干喷、湿喷混凝土的渗透高度分别降低50%和45%以上。综合混凝土的抗渗性在掺用硅灰后显著提高，喷射混凝土耐久也显著增强。

试验结论：

1)当混凝土骨料中存在碱性时应采用无碱液体速凝剂当混凝土喷射施工时进行添加，因此对于北方寒区喷射水工混凝土时要首选无碱液体速凝剂进行添加，可以有效提升混凝土喷射施工质量并降低喷射回弹率，提供水利工程的生命周期。就速凝剂总碱量而言，其排序分别为粉体碱性>有碱液体>粉体碱性

2)喷射混凝土凝结时间随着粉煤灰掺量的增加而连续递增，粉煤灰在粉体碱性速凝剂和无碱液体速凝剂的最大掺量建议分别为25%和20%。

3)掺加硅灰后喷射混凝土的回弹率减少，特别是干喷混凝土的回弹率降低了45%左右，从而提高了材料的经济效益，此外掺加硅灰后喷射混凝土渗透高度明显降低。