C30喷射混凝土力学与耐久性能研究

杨博凯，叶汉青，陈学义

(南京市长江河道管理处，江苏 南京 210016)

0 引言

喷射混凝土技术是由20世纪初的喷浆技术发展而来，与普通混凝土相比，喷射混凝土具有施工作业灵活、工艺简单、凝结硬化迅速等优点。近年来，随着我国基础设施建设的不断推进及发展，喷射混凝土作为初期支护的核心材料被广泛应用于水工隧洞工程、水利工程等重大地下工程[1-3]。水工隧洞工程地质与水文条件复杂多变，喷射混凝土存在一定侵蚀破坏风险，直接影响水工隧洞整体结构的稳定性及使用寿命。因此，研究喷射混凝土实际服役过程中的力学性能与耐久性能具有重要意义。

国内外学者已对喷射混凝土的力学与耐久性能进行了初步研究。张俊儒等[4]研究了粉煤灰掺量对C25喷射混凝土抗压强度和耐久性的影响，试验结果表明内掺20%的粉煤灰可以满足C25喷射混凝土的力学要求，同时明显提升喷射混凝土的抗渗性和抗硫酸盐侵蚀性。CHEN等[5]研究了C25喷射混凝土的抗冻性，试验结果表明C25喷射混凝土在400次冻融循环后质量损失率为3.1%，相对动弹性模量下降了22.5%～37.1%；300次冻融循环后平均抗压强度仅有23.3 MPa。宁逢伟等[6]通过复掺膨胀剂和硅灰改善了C50喷射混凝土的抗渗性，渗水高度降低75%～87%、电通量降低20%～34%。王家滨等[7]通过掺入钢纤维提高了喷射混凝土的抗碳化性能并建立了碳化深度预测模型。SALVADOR等[8]研究速凝剂种类和掺量对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀性的影响，研究结果表明有碱速凝剂掺入下的喷射混凝土更易遭受外界硫酸盐的侵蚀，且速凝剂掺量越高破坏程度越明显。

在以往大多数水工隧洞工程中喷射混凝土的设计强度等级普遍较低，通常为C20或C25，主要关注喷射混凝土在速凝剂的作用下快速形成早期强度从而控制围岩变形，并未深入考虑喷射混凝土在服役过程中的力学强度变化以及耐久性能劣化程度。其次，随着川藏铁路、武九高速等国家重点工程的推进，对喷射混凝土性能的要求日益提升，在永久性支护结构中喷射混凝土常按C30强度等级设计。然而，C30喷射混凝土相比C25喷射混凝土的性能提升程度如何，以及是否能够满足实际工程需求，仍缺乏系统性的研究。因此，本文以C30喷射混凝土为研究对象，分析不同水灰比和速凝剂种类对其力学与耐久性能的影响，并与同配比模筑混凝土和C25喷射混凝土进行对比，为C30喷射混凝土的发展提供理论依据。

1 实验

1.1 原材料

水泥：采用鹤林牌P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1。

表1 水泥物理性能

骨料：粗骨料为5 mm～10 mm单粒级配石灰岩质碎石，表观密度2 980 kg/m3。细骨料为Ⅱ区中型河砂，细度模数2.7，表观密度2 630 kg/m3，含泥量0.8%，泥块含量0.5%。

外加剂：减水剂采用聚羧酸类高性能减水剂，减水率25%。速凝剂分为液体无碱速凝剂和液体有碱速凝剂，主要成分分别为硫酸铝和铝酸钠，性能均符合GB/T 35159—2017喷射混凝土用速凝剂规定。

1.2 配合比参数设计

参考喷射混凝土相关标准[9-11]并结合实际工程设计经验，确定C25/C30喷射混凝土的配合比。在C30喷射混凝土配合比的基础上，研究不同水灰比(质量比)(0.38，0.40，0.42，0.45)和不同速凝剂种类(无碱速凝剂，有碱速凝剂)对喷射混凝土力学性能与耐久性能的影响，具体配合比见表2，表3。其中，掺无碱速凝剂的C30喷射混凝土记为“AFC30”、掺有碱速凝剂的C30喷射混凝土记为“AKC30”,C30模筑混凝土记为“CMC30”,C25喷射混凝土记为“AFC25”。

表2 C25喷射混凝土配合比 kg/m3

表3 C30喷射混凝土配合比 kg/m3

1.3 实验方法

力学性能按照GB/T 50081—2019混凝土物理力学性能试验方法标准进行，测试硬化混凝土1 d，7 d，28 d，56 d立方体抗压强度。耐久性能按照GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准进行，主要测试内容为抗水渗透性能、抗氯离子渗透性能和抗碳化性能，其中抗水渗透性能采用渗水高度法，抗氯离子渗透性能采用电通量法和RCM法。喷射混凝土试件成型采用湿喷法工艺进行，具体制备方法参考JGJ/T 372—2016喷射混凝土应用技术规程附录B。模筑混凝土试件制备方法为：拌合物搅拌均匀后置于相应试模振动成型，在温度(20±2)℃、相对湿度大于50%的室内静置1 d后脱模并标准养护至相应龄期。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

不同水灰比与速凝剂种类对C30喷射混凝土力学性能的影响如图1所示。由图1(a)可知，在成型工艺方面，喷射混凝土体系(AFC30,AKC30)相比模筑混凝土体系CMC30强度低，且后期强度发展缓慢。湿法喷射工艺导致喷射混凝土内部截留大量小孔径气泡降低了结构致密性，同时在速凝剂的作用下水化产物生成过快，覆盖在未水化的水泥颗粒表面从而影响喷射混凝土后期强度发展[12-13]。

在强度等级方面，AFC30与AFC25均为掺无碱速凝剂的喷射混凝土体系，其中AFC30的28 d抗压强度为40.7 MPa，AFC25的28 d抗压强度为33.7 MPa，均大于理论配制强度，C30喷射混凝土的强度相比C25喷射混凝土提高幅度在10.9%～24.0%范围内。

由图1(b)可知，C30喷射混凝土的抗压强度随着水灰比的增大逐渐减小，其中0.38水灰比(质量比)和0.40水灰比(质量比)的抗压强度相差不大，当水灰比(质量比)提升至0.42和0.45时，强度明显下降，例如0.45水灰比(质量比)时的56 d抗压强度仅为0.40水灰比(质量比)的77.9%。对于起结构性支护作用的喷射混凝土而言，其早期强度和28 d强度通常要求较高，早期强度一般取1 d强度为标准，我国GB 50086—2015岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范要求1 d强度不小于8 MPa，而TB 10753—2010高速铁路水工隧洞工程施工质量验收标准更是要求1 d强度不小于10 MPa。然而在施工现场中经常存在混凝土“加水”现象，加水会导致喷射混凝土的实际水灰比偏高从而影响强度[17]。根据实验结果，当C30喷射混凝土的水灰比由0.40提高至0.45时，1 d强度低于10 MPa；当水灰比(质量比)为0.42或0.45时，28 d强度均无法满足C30的理论配制强度，因此在混凝土喷射施工前严禁加水。

2.2 耐久性能

2.2.1 抗水渗透性能

已建和在建的水工隧洞工程调研结果表明，存在开裂渗水问题的水工隧洞数量达到了70%，其中严重渗漏的水工隧洞数量达到了1/3左右，素有“十隧九漏”的说法，因此研究喷射混凝土的抗水渗透性能具有重要的工程意义。图2为不同混凝土在1.2 MPa恒压24 h后的渗水高度情况，在成型工艺与速凝剂种类方面，试件的抗渗性由高到低依次为模筑混凝土体系CMC30(16.3 mm)、无碱速凝剂喷射混凝土体系AFC30(22.6 mm)、无碱速凝剂喷射混凝土体系AFC25(28.5 mm)、有碱速凝剂喷射混凝土体系AKC30(36.7 mm)。喷射混凝土体系的整体强度及致密性不如模筑混凝土体系导致其抗水渗透性能较差，AFC30的渗水高度为模筑混凝土的1.39倍。有碱速凝剂对C30喷射混凝土抗渗性的不利影响更加明显，其渗水高度相比无碱体系AFC30增加62.4%，有研究[18]表明有碱速凝剂会使水泥水化产物结构疏松、微裂纹增加、有害孔含量更多，因此降低了强度及耐久性能，相对而言无碱速凝剂影响程度较小。在强度等级方面，C30喷射混凝土的渗水高度相比C25喷射混凝土降低20.7%。

如图2(b)所示，C30喷射混凝土的抗水渗透性能随着水灰比的增加逐渐下降，与强度规律类似，当水灰比较小时(0.38,0.40)抗渗性相差不大，当水灰比继续提高，抗渗性下降明显，例如在0.45水灰比时试件的渗水高度已经达到了51.2 mm，约为0.40水灰比的2.3倍。水灰比增加会导致喷射混凝土内部的孔隙率增加，因而对外界水起到的阻力更小。

2.2.2 抗氯离子渗透性能

近年来，在我国一些发达沿海地区逐渐兴起海底水工隧洞建设，例如青岛胶州湾海底水工隧洞、厦门翔安海底水工隧洞等。海洋环境复杂多变，尤其是高浓度的氯离子侵蚀对喷射混凝土的耐久性是一个巨大的考验[19]，因此有必要对喷射混凝土的抗氯离子渗透性能进行全面的评价。

由图3(a)可知，在成型工艺方面，模筑混凝土体系的抗氯离子渗透性能优于喷射混凝土体系，AFC30试件的56 d电通量和氯离子迁移系数(DRCM)分别为同配比模筑混凝土的1.13倍和1.07倍。在速凝剂种类方面，有碱体系AKC30的抗氯离子渗透性能略差于无碱体系AFC30, 其56 d电通量和氯离子迁移系数相对无碱体系分别增加13.5%和4.5%，主要原因还是在于有碱速凝剂后期对混凝土自身微结构的破坏从而加快了Cl-的侵蚀速度。在强度等级方面，C30喷射混凝土的抗氯离子渗透性能相比C25喷射混凝土有明显提升，56 d电通量和氯离子迁移系数分别下降20.6%和19.8%。TB 10005—2010铁路混凝土结构耐久性设计规范要求对于设计使用年限为100年(例如水工隧洞等主体结构)的C30混凝土，其56 d电通量应小于1 200 C，56 d DRCM应不大于7×10-12m2/s，由图3(a)可知C30喷射混凝土的抗氯离子渗透性能处于中等水平，无法满足标准的要求。如图3(b)所示，喷射混凝土的抗氯离子渗透性能随着水灰比的增大逐渐下降，相比C30基准组(0.40水灰比(质量比))，0.45水灰比(质量比)时的56 d电通量和氯离子迁移系数分别为基准组的1.37倍和1.30倍。当水灰比降低至0.38时，试件的抗氯离子渗透性能提升并不明显，这表明单一提升喷射混凝土的强度不能有效解决抗氯离子渗透性能较差的问题，大量研究表明在喷射混凝土中掺入适量的粉煤灰或硅灰，能够显著提升喷射混凝土抗氯离子渗透性能[20-21]。因此，建议在氯盐侵蚀环境较为严重的水工隧洞工程中复掺一定比例的矿物掺合料如粉煤灰、硅灰等。

2.2.3 抗碳化性能

由于水工隧洞内部环境相对封闭，空气中二氧化碳浓度及温湿度较高，喷射混凝土发生碳化的程度更高，碳化使得混凝土内部碱性下降易引起钢筋锈蚀，因而影响水工隧洞整体结构的稳定性。

由图4(a)可知，不同试件在碳化前期碳化速度较快，碳化后期速度减缓。在成型工艺方面，模筑混凝土由于自身密实程度高，抗碳化性能明显优于喷射混凝土体系，其中无碱体系AFC30与有碱体系AKC30在28 d碳化龄期时的碳化深度分别为12.4 mm和13.3 mm，相对模筑混凝土分别增加24%和33%。有碱体系AKC30的抗碳化性能相比无碱体系AFC30略差，28 d碳化深度提高7.3%，一方面归因于自身强度及致密性不足导致CO2早期扩散速度较快，另一方面有碱速凝剂的有效成分在水化过程中生成了大量碱性化合物如氢氧化钙等，使得可碳化物质含量增加，同时碳化过程中不断生成CaCO3等物质充填在孔隙中从而缓解CO2进一步侵入。同为无碱体系，C30喷射混凝土的抗碳化性能优于C25喷射混凝土，其28 d碳化深度降低21.5%。

由图4(b)可知，C30喷射混凝土的抗碳化性能随着水灰比的增加而下降，0.45水灰比(质量比)时的28 d碳化深度相比0.40水灰比(质量比)提高29.8%。碳化前期四种不同水灰比试件的碳化深度差距不大，随着碳化时间的延长差距愈加明显。水灰比增加，混凝土的孔隙率增大，密实性下降，有利于CO2的扩散，同时水泥用量相对减少，可碳化物质的生成量降低，碳化速度因此加快[22]。当水灰比(质量比)降低至0.38时，C30喷射混凝土的28 d碳化深度相比水灰比(质量比)0.40时下降24.2%，说明控制水灰比是提升喷射混凝土抗碳化性能的有效措施。

3 结论

试验以C30喷射混凝土为研究对象，分析不同成型工艺(湿喷法、模筑法)、水灰比(质量比)(0.38,0.40,0.42,0.45)和速凝剂种类(无碱速凝剂、有碱速凝剂)对C30喷射混凝土力学及耐久性能的影响，并与C25喷射混凝土进行对比，主要结论如下：

1)成型工艺方面，由于喷射混凝土特殊的施工工艺以及速凝剂的影响，喷射混凝土的力学及耐久性能均不如同配比模筑混凝土。无碱体系C30喷射混凝土的56 d强度为同龄期模筑混凝土的82.4%，渗水高度为模筑混凝土的1.39倍，56 d电通量和氯离子迁移系数分别为模筑混凝土的1.13倍和1.07倍，28 d碳化深度相比模筑混凝土增加24%。

2)水灰比因素方面，在水泥用量一定的情况下，随着水灰比的增大，喷射混凝土的力学及耐久性能均有所下降。以0.45水灰比(质量比)为例，相比C30喷射混凝土基准组(水灰比(质量比)为0.40)，其56 d强度为基准组的77.9%，渗水高度为基准组的2.3倍，56 d电通量和氯离子迁移系数分别为基准组的1.37倍和1.30倍，28 d碳化深度相比基准组提高29.8%，建议在C30喷射混凝土配合比设计中将水灰比(质量比)控制在0.40以内，同时严禁在喷射作业前加水。

3)速凝剂种类方面，有碱速凝剂对喷射混凝土的不利影响高于无碱速凝剂。相比无碱体系C30喷射混凝土，有碱体系的56 d强度下降10.9%，渗水高度增加62.4%，56 d电通量和氯离子迁移系数分别增加13.5%和4.5%，28 d碳化深度提高7.3%，建议在重大工程中优先选用无碱速凝剂。

4)强度等级方面，C30喷射混凝土相比C25喷射混凝土性能提升显著。同为无碱体系，C30的56 d强度相比C25提高10.9%，渗水高度下降20.7%，56 d电通量和氯离子迁移系数分别下降20.6%和19.8%，28 d碳化深度下降21.5%。普通C30喷射混凝土的强度可以满足配制要求，但耐久性能依然处于相对较低的水平，尤其是抗氯离子渗透性能难以满足规范要求，建议在C30喷射混凝土中复掺适量的矿物掺合料等改性材料以综合提升服役水平。