高性能噴射混凝土技術研究

摘　要　高性能噴射混凝土是具有高工作性、高耐久性等諸多優(yōu)越性能的噴射混凝土。為配制這種混凝土，提出了如降低用水量等6項具體措施，提高了混凝土強度等；回彈率降到10%以下；粉塵率降到20mg/m3以下，并有顯著的經(jīng)濟效益。

關鍵詞　高工作性　高耐久性　噴射混凝土

1　高性能噴射混凝土研究目標

高性能噴射混凝土是指具有高工作性(低回彈率和低粉塵)、高耐久性(高強度、高抗?jié)B、高抗碳化、高耐腐蝕)諸多優(yōu)越性能的優(yōu)質噴射混凝土。高性能噴射混凝土的設計思想是，不以強度為唯一的指標，而以耐久性為主要指標。這是它與傳統(tǒng)噴射混凝土設計的主要區(qū)別。

經(jīng)過調查，在我國過去的噴射混凝土支護中，達到設計要求而后期破環(huán)的屢見不鮮。堿―骨料反應導致的強度降低、表面開裂、剝落、甚至坍塌，錨桿銹蝕外露、滲水漏水等問題，足以說明在噴射混凝土設計中，應將耐久性指標放在第一位。噴射混凝土強度一般為C15和C20，為了達到設計強度，巷道挖掘斷面大，噴射混凝土數(shù)量大；同時，干法施工的噴射混凝土回彈率高，粉塵大，材料浪費嚴重，施工效率低，施工質量差，距離高性能噴射混凝土的要求甚遠。如把噴射混凝土施工工藝分為3個階段，即噴射階段、硬化早期和硬化后期，則高性能噴射混凝土在各階段的性能特點要求如下：

(1)噴射階段。具有高粘聚性、附著性，回彈率低、粉塵??；

(2)硬化早期。早凝、早強，化學縮減小，干縮??；

(3)硬化后期。強度適應，高抗?jié)B、高抗碳化、高耐腐蝕。

按質量控制系統(tǒng)的要求，通過采取各種措施,、叉車，使其達到各個階段的性能指標，最終用耐久性指標：滲透系數(shù)、碳化系數(shù)、腐蝕系數(shù)、干縮系數(shù)、長期強度來衡量。當然，在施工時還要測定回彈率和粉塵率。

2　達到高性能的具體技術措施

為了達到高工作性和高耐久性的目標，我們采取以下技術措施。

2.1　降低用水量，降低孔隙率

密實的混凝土明顯具有較高的強度。研究表明，硅酸鹽水泥在水化過程中所需的水灰比僅為0.22。因此，用水量大導致后期水分蒸發(fā)后孔隙率加大，將會降低混凝土強度?；炷粱w的孔隙率每減少1%，其強度幾乎可以增長10%；基體的孔隙主要來自拌和水過多而產生的凝膠孔與毛細孔。由于在高性能噴射混凝土中要使用許多活性摻和料和多種外加劑，用水量要增加，僅用水泥水化的水灰比是不夠的，要根據(jù)水泥用量和摻和料的品種、數(shù)量確定合適的用水量。在實驗中，水灰比為0.45左右。

2.2　選擇適宜的骨料

(1)骨料的強度。采用高強度巖石碎粒做骨料，無疑是高性能噴射混凝土的首要選擇。但是，混凝土的強度除了取決于骨料本身的強度外，還取決于水泥漿與骨料的粘結強度,二手裝載機。骨料表面粗糙，界面粘結強度高，因而碎石比卵石要好。

(2)骨料的粒徑。試驗表明，混凝土的強度隨著骨料粒徑的減小而提高。骨料最大粒徑減小，不僅增加了骨料與水泥漿的粘結面積，而且容易拌和均勻，骨料周圍有害氣體減少，水膜減薄，從而提高了混凝土強度。因此，使用小粒徑的骨料較好。根據(jù)研究，大粒徑骨料產生的回彈率也高。我們選用粒徑5～10mm的碎石做粗骨料。

(3)骨料與水泥漿的相容性。要想獲得較好的界面結構，骨料與水泥漿在化學性質和結構上應是相容的。只有這樣，水泥水化形成的產物才能與骨料表面物質互相接觸連生而形成一個整體。試驗表明，硅酸鹽水泥與硅質骨料相容較好。

(4)粗、細骨料的比例。粗、細骨料的比例通常取決于骨料的級配與形狀。根據(jù)研究，高性能混凝土中骨料體積的最佳比例為65%，其中細骨料占骨料總量的40%，因此，粗、細骨料的體積比為3∶2。

2.3　提高膠結料與骨料界面的強度

從骨料與膠結料之間的界面結構看，界面過渡層厚約在20μm范圍內，Ca(OH)2富集并定向排列，與其它部分的水泥石相比是一種多孔質的結構，強度低。為了改善其界面結構，采取以下措施：

(1)采用水泥裹砂工藝。即將處理過的砂(有一定含水率，雜質少)與水泥預先拌和，在砂子的吸附作用下，水泥在砂粒表面形成1個外殼。噴敷時，表面水增加，稀砂漿中水的移動受到約束，從而顯著減少泌水，稠料漿殼體同時阻止了粗骨料沉降，使離析現(xiàn)象大為減少，也使回彈率降低。通過試驗，水泥裹砂法可提高強度10%以上。

(2)采用水泥裹石工藝。與水泥裹砂法不同的是，水泥裹石法是控制石子表面的含水量，將一定含水量的石子預先與水泥拌和。由于石子的吸附作用，石子被水泥顆粒所包裹，噴敷時，表面水增加，水的移動受到約束，從而顯著地減少泌水，阻止了骨料的沉降，回彈率大大降低，界面強度大大提高。通過試驗，水泥裹石法可提高強度20%以上。

2.4　摻入活性摻和料

水泥水化是一個逐步發(fā)展的過程。根據(jù)研究，28d齡期時，水泥中各種礦物成分的水化程度約為11%～84%，水泥的實際利用率僅為60%～70%，相當一部分水泥起到填充作用。這部分未水化水泥中的CaO，后期遇水后生成Ca(OH)2，體積膨脹，產生內應力，給后期強度帶來不利影響，已為實驗所證實。摻入活性礦物質摻和料，可以促進水泥水化產物的進一步轉化，提高強度，并可以用來置換一部分水泥。經(jīng)過研究，沸石粉是一種很好的活性摻和料。它是由天然沸石巖經(jīng)過磨細而成的粉狀材料，主要成分為SiO2與Al2O3。它所含的活性成分能與水泥水化產物Ca(OH)2進行二次水化反應，生成含水硅酸鈣凝膠與含水鋁酸鈣凝膠。新生成的水化物使水泥石結構更加致密，從而不僅使噴射混凝土的致密性和抗壓強度提高，而且，耐久性也得到改善。摻入的沸石粉重量占水泥重量的10%。

2.5　選擇適宜的外加劑

為了降低用水量，降低回彈率和粉塵率，使噴射混凝土早凝早強，必須使用外加劑。選用了以下幾種外加劑：

(1)SCR聚合劑。它是一種纖維素類抗分散劑。噴射混凝土拌合物顆粒之間粘結力很小，各組分的密度、粒徑也各不相同，由于水和自重的作用，混凝土極易分散，極易從噴壁上掉落。使用SCR聚合劑有兩種作用：①SCR聚合劑中含有長鏈結構的高分子化合物，它將細微顆粒吸附到分子鏈上，通過細微顆粒之間的縱橫交叉，把許多顆粒連接在一起，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結構；②SCR聚合劑是一種表面活性物質，它改變了顆粒表面的電位，降低了粒子間的排斥作用，增大了粒子間的相吸作用。由于上述兩種作用的結果，在宏觀上表現(xiàn)為凝聚作用，幾乎不泌水，提高了拌合物的粘性，增強了抗分散能力，從而對噴射混凝土降低回彈率、降低粉塵率起到關鍵作用。SCR聚合劑的摻量以0.4%～0.5%為宜，摻量過多有緩凝作用。

(2)膨脹劑?；炷恋脑缙谑湛s嚴重影響后期強度及抗?jié)B能力。要改善這些性能，必須從限制或縮小混凝土的早期收縮入手?；炷僚蛎泟├枚嘞嗟V物的緩釋性膨脹反應，對混凝土的收縮產生明顯的補償作用，從而顯著地提高混凝土的強度及抗?jié)B性能。摻入膨脹劑后，早期膨脹速度較快，后期膨脹速度很慢，這正好適應水泥硬化過程中體積收縮補償?shù)男枰?。硬化后期，部分膨脹轉移到水泥石結構內部的孔隙及裂縫中，從而使水泥石的內部結構更為致密。摻入膨脹劑，使水泥混凝土在硬化過程中持續(xù)地生成較多的針柱狀鈣礬石晶體，這些晶體會隨時間而不斷長大連生，并向阻力較小的空隙生長發(fā)育；這一過程又伴有C―S―H凝膠的大量交織產生，這些都進一步堵塞各種孔洞，從而使混凝土內部結構得到進一步改善，抗?jié)B性能進一步提高。膨脹劑的摻量為5%。

(3)低彈速凝劑。這是我們的研究成果，1995年3月通過河南省煤炭廳鑒定。我們經(jīng)過反復試驗研究，選出合適輔料，制成可降低速凝劑堿性、增加噴射料粘性的復合水泥速凝劑，使用時摻量為水泥重量的4%。

2.6　制訂詳細的操作規(guī)程

工人的操作技術水平極大地影響著噴射混凝土的質量。上述技術措施，與傳統(tǒng)的噴射混凝土作業(yè)又有較大的區(qū)別。在噴射前，需要預先進行水泥裹砂和水泥裹石作業(yè)。另外，摻入了活性摻和料和多種外加劑，工序較以往復雜得多。各個工序有先后次序，否則，將達不到預期效果。所以，必須制訂詳細的操作規(guī)程，對工人進行技術培訓。工人必須嚴格按照技術規(guī)程操作。

3　結　語

(1)采用水泥裹砂和水泥裹石工藝，噴射混凝土骨料與膠結料的界面結構大大改善；摻入活性摻和料,二手平地機，又促進了水泥水化反應，其結構更加致密。它們共同作用的結果使得混凝土的強度、抗?jié)B能力、抗碳化能力、防腐蝕能力等耐久性大大提高。

(2)通過使用多種外加劑，噴射混凝土的回彈率降低到10%以下，粉塵量降低到20mg/m3以下，工作性能大大改善，并有顯著的經(jīng)濟效益。