新型轻烧氧化镁膨胀剂对纤维喷射混凝土性能的影响

2024-01-03郭海荣

水利科学与寒区工程 2023年11期

关键词：膨胀剂抗渗渗透系数

郭海荣

(辽宁葠窝水力发电有限责任公司，辽宁辽阳 111000)

1 材料与方法

1.1 试验材料

此次试验采用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，其强度等级为P.O42.5，其各项技术指标均符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的相关要求，可以用于此次试验研究。

硅灰是此次试验中的矿物掺合料，其二氧化硅含量为86.5%，平均粒径为0.31 μm，表观密度为2.23 g/cm3，比表面积为20 m2/g，主要技术指标均满足《砂浆和混凝土用硅灰》(GB/T 27690—2023)的相关要求。

试验用粗骨料为粒径5～10 mm的连续级配人工石灰岩碎石，试验用细骨料为细度模数2.5的石灰岩质机制砂，其技术指标符合《喷射混凝土应用技术规程》(JGJ/T 372—2016)等相关技术规范的具体要求。

试验用纤维为聚丙烯纤维，其长度为19 mm，直径15～40 μm，其各项技术指标均满足标准JGJ/T 372—2016要求。试验用膨胀剂为武汉三源特种建材有限公司提供，其氧化镁含量为79.2%。

试验用减水剂为高效聚羧酸减水剂；速凝剂为AF液体无碱速凝剂，其pH值为3.5，含碱量为0.69%，含固量为48.6%，各项性能指标符合《喷射混凝土用速凝剂》(GB/T 35159—2017)规范要求。

1.2 试验方案

由于聚丙烯纤维喷射混凝土目前已经是较为成熟的技术。结合相关技术规范以及工程施工经验，确定纤维掺量水平为1.5%。试验中选择水工隧洞建设中常用的C45等级喷射混凝土，坍落度要求为160～200 mm，最终计算获取的单方配合比为：水泥430.00 kg、硅灰34.00 kg、机制砂869.00 kg、碎石835.00 kg、水172.00 kg、减水剂4.64 kg、聚丙烯纤维为3.85 kg。

对于膨胀剂的掺量，设计0%、1%、2%、3%、4%和5%等6种不同的掺量水平进行试验，根据对试验结果的分析，获取膨胀剂对纤维喷射混凝土性能的影响。

1.3 试件制作

在试件制作过程中首先按照试验方案的配合比计算称量好试验材料，然后将机制砂、粗骨料和聚丙烯纤维加入搅拌机搅拌3 min，然后加入水泥和硅灰再搅拌2 min，最后加入其余材料继续搅拌3 min。

湿喷作业采用550 mm×450 mm×120 mm的喷射大模板、TK700湿喷机以及柴油螺杆空压机。将拌制好的喷射混凝土材料加入湿喷机料斗，开动湿喷机并将进风阀门风压调整在0.5 MPa，喷嘴距离模具0.5 m左右。在喷射作业过程中要保证喷射的均匀性。制作完毕的试件在静置1 d后脱模，然后在标准条件下养护至试验规定龄期。将养护完毕的大试件切割成试验需要的标准尺寸。

1.4 试验方法

针对水工喷射混凝土应用环境和实际需要，研究中选择抗压强度、劈裂抗拉强度以及抗渗性作为评价指标[1-4]。抗压强度和劈裂抗拉强度测试采用的试验仪器为NYL-600型压力试验机。其中，抗压强度采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，试验中的加荷速度为0.2 MPa/s。劈裂抗拉强度采用100 mm×100 mm×400 mm的长方体试件，试验中的加荷速度为0.02 MPa/s。抗渗性试验选用的是英国北爱尔兰法斯特女王大学研制的Autoclam渗透测试系统[5]，整个装置包括仪器主机和电子控制仪两部分，具有操作方便，适应性强的特点，可以自动测定与计算混凝土和其他多孔材料的透气性、吸水性和透水性，从而得到空气渗透性试验中的气压衰减率及恒压下混凝土的吸水性和透水性。其试件尺寸为直径100 mm，高150 mm的圆柱。考虑水工隧洞的应用环境和需求，此次试验中仅测试试件的抗渗性质，并利用达西定律计算得到其水渗透系数。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

根据试验中获得数据，整理计算出不同膨胀剂掺量水平下喷射混凝土在3 d、7 d和28 d龄期的抗压强度，结果如表1、图1所示。从试验结果可以看出，各个龄期喷射混凝土的抗压强度均随着膨胀剂掺量的增加而先增加后减小。由此可见，在纤维喷射混凝土中掺入一定量的膨胀剂可以有效提升抗压强度，从具体的试验数据来看，当膨胀剂掺量<3%时，试件的抗压强度随着膨胀剂掺量的增大而增大，当膨胀剂掺量>3%时，试件的抗压强度随着膨胀剂掺量的增加而减小，特别是膨胀剂掺量为5%时的抗压强度甚至低于未掺加膨胀剂方案。究其原因，主要是在纤维喷射混凝土中掺入一定量的膨胀剂可以减少混凝土内部的孔隙和微裂隙结构，有效提升纤维喷射混凝土的结构密实性，因此表现为抗压强度的增加。随着膨胀剂掺量的进一步增大，其膨胀性能不足以弥补自身水化后的结构强度降低，且掺量越大该问题越显著，因此导致纤维喷射混凝土强度的迅速降低。

图1 抗压强度变化

表1 抗压强度试验结果

2.2 劈裂抗拉强度

根据试验中获得数据，整理计算出不同膨胀剂掺量水平下喷射混凝土在3 d、7 d和28 d龄期的劈裂抗拉强度，结果如表2、图2所示。从试验结果可以看出，各个龄期喷射混凝土的劈裂抗拉强度的变化规律与抗压强度类似，均随着膨胀剂掺量的增加而先增加后减小。从具体的试验数据来看，当膨胀剂掺量<3%时，试件的劈裂抗拉强度随着膨胀剂掺量的增大而增大，当膨胀剂掺量>3%时，试件的劈裂抗拉强度随着膨胀剂掺量的增加而减小，其原因和抗压强度类似。总体来看，在纤维喷射混凝土中掺入一定量的膨胀剂可以有效提高其强度，膨胀剂的最佳掺量水平为3%。

图2 劈裂抗拉强度变化

表2 劈裂抗拉强度试验结果

2.3 抗渗性

根据抗渗性的试验数据，计算获取不同膨胀剂掺加方案试件的水渗透系数，结果如表3所示，水渗透系数随膨胀剂掺量变化曲线如图3所示。由试验结果可以看出，随着膨胀剂掺量的增加，纤维喷射混凝土的水渗透系数呈现出不断减小的变化特点，且均处于“很好”的保护质量等级，说明喷射混凝土本身具有良好的抗渗性。具体来看，当膨胀剂的掺量<3%时，随着膨胀剂掺量的增加，纤维喷射混凝土的水渗透系数下降幅度较大；当膨胀剂的掺量>3%时，随着膨胀剂掺量的增加，纤维喷射混凝土的水渗透系数下降幅度十分有限。由此可见，在纤维喷射混凝土中掺入一定量的膨胀剂可以有效提升其抗渗性，但是，当膨胀剂掺量>3%时的提升效果十分有限。