低水胶比湿喷混凝土的可喷性能研究

2018-07-31王巧王祖琦宋普涛周永祥杨长辉

新型建筑材料 2018年6期

王巧，王祖琦，宋普涛，周永祥，杨长辉

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045；3.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013）

0 引言

喷射混凝土是喷射机输料管在空气压缩机提供风压作用下，将新拌混凝土由喷头喷射至施工面的一种施工技术，具有施工方便、快捷等特点，广泛应用于受损混凝土表面修复、隧道衬砌和地下工程建设[1]。隧道单层永久衬砌和重要交通结构的修复工程大量用到喷射混凝土，这对喷射混凝土强度和性能提出了更高的要求[2-4]。在高压作用下混凝土的稳定性和流动性一直是喷射混凝土技术待解决的关键问题，即可输送性与可喷性，为喷射混凝土的一对重要指标。与C30混凝土相比，高强湿喷混凝土低水胶比、粘度大，喷射施工难度更大。对于低水胶比喷射混凝土，可输送性与可喷性之间存在矛盾，即大流动性对输送有利，但不利于喷射，可能出现脱落和流浆；另一方面，混凝土粘度大有利于与基体粘结，降低回弹和增大喷射厚度，但泵送过程中可能出现堵管等现象[5]。

可喷性最早是在1994年由Beaupré[5]首次提出。混凝土能一次喷射到较大厚度且不流浆和脱落即被认为可喷性较好。对高强喷射混凝土研究来讲，找到可喷性与可输送性之间的平衡是获得喷射质量较好的混凝土的必要条件，也是研究高强喷射混凝土其它性能与工程应用的基础。近年来，已有一些文献报道高强喷射混凝土的研究与应用[6-8]，但大多研究混凝土的抗压强度均低于50 MPa，且未对低水胶比喷射混凝土的可喷性能这一重要指标展开研究与讨论。Kyong-Ku Yun[9]对喷射混凝土的可喷性进行了研究，分析了混凝土的流变性能与可输送性和可喷性的关系，但水胶比仍然偏高（W/B=0.43）。

关于低水胶比湿喷混凝土的可喷射性能研究鲜有文献报道，故本文就其展开试验研究，将材料的流变性能与可输送性和可喷性相关联来表征低水胶比湿喷混凝土的可喷射性。选取C30混凝土与C50混凝土作对比，从配比设计到喷射试验，预期对高强喷射混凝土的研究难点以及今后的应用提供基本思路，并对试验过程中出现的问题进行分析。

1 试验

1.1 原材料

水泥：北京金隅P·O42.5水泥，比表面积377 m2/kg，28 d抗压强度54.6 MPa，主要化学成分见表1；粉煤灰：Ⅰ级，比表面积366 m2/kg，主要化学成分见表1；硅灰：SiO2含量≥95%，比表面积20 900 m2/kg；降粘增强剂（CABR-J1）：中国建筑科学研究院研制的功能型复合掺合料，比表面积1159 m2/kg，需水量比88%,28 d活性指数123%；细骨料：天然河砂，细度模数2.7；粗骨料：碎石，粒径5～15 mm，压碎指标6.22%，堆积密度1425 kg/m3；减水剂：天津悦明外加剂厂生产的聚羧酸高性能减水剂，固含量39%；引气剂：脂肪醇磺酸盐类，市售；速凝剂：苏博特新材料公司生产的无碱液体速凝剂和山西佳维生产的有碱液体速凝剂，主要性能指标见表2；镀铜钢纤维：长25 mm，直径0.55 mm。

表1 水泥和粉煤灰的主要化学成分 %

表2 2种速凝剂的主要性能指标

1.2 配合比及试验方法

1.2.1 配合比

按照JGJ/T 372—2016《喷射混凝土应用技术规程》中的配合比设计方法，计算强度等级为C50的高强喷射混凝土的水胶比：

式中：αa、αb——回归系数，αa取0.53，αb取0.2；

k1——混凝土密实度系数，取值范围1.05～1.25；

k2——速凝剂强度影响系数，取值范围1.00～1.10；

fb——胶砂试件的28 d抗压强度，fb=γfγsfce，其中 γf、γs为粉煤灰、矿渣粉的影响系数，分别取0.85、1.00，fce为水泥的实际强度，取 54.6 MPa，则 fb=46.4 MPa；

fcu，0——混凝土配制强度，按式（2）计算。

式中：σ=5 MPa，fcu，k=50 MPa

按照 k1=1.25、k2=1.10、W/B=0.28、其余参数按 JGJ/T 372—2016要求选取，混凝土配合比见表3。

表3 喷射混凝土的试验配比

1.2.2 试验方法

（1）净浆流变性能试验：使用上海昌吉地质仪器有限公司生产的NDJ-8S旋转粘度计测试水泥浆体的塑性粘度。根据表3中JZ、JN、YQ组的配比，去除骨料及速凝剂制备对应的净浆，在5个不同剪切速率下测试其瞬时粘度，计算出剪切应力，然后线性拟合得出屈服应力τ（拟合直线的截距）和塑性粘度η（拟合直线的斜率）。

（2）回弹率试验：喷射试验所用小型湿喷机型号为耿力机械GSP-D，生产能力7 m3/h，工作压力0.4～0.6 MPa，速凝剂添加量0～180 L/h；所用柴油空气压缩机最大风压2.4 MPa，最大出风量24 m3/min。

回弹率可表征喷射混凝土自身粘聚性和与喷射面的粘结性，按式（3）计算。回弹率测试方法依据日本标准JSCE-F563—2005《喷射混凝土回弹率试验方法》的规定，如图1（a）所示。

式中：R——回弹率，%；

Wr——回弹料的质量，kg；

Ww——粘结在回弹测试模具上混凝土的质量，kg。

（3）一次喷射厚度试验：由于目前暂无相关标准试验方法测试一次喷射厚度，参考研究多用的方法：喷射面为1 m×1 m的平板，对准某一基点连续喷射混凝土直至混凝土在自重作用下脱落，停止喷射测试其厚度。喷射厚度测试如图1（b）所示。

图1 回弹率和喷射厚度测试

（4）倒筒时间、坍落度及扩展度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。

（5）混凝土抗压强度参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 混凝土工作性及抗压强度

实验室内振动成型方法：在塑料桶内用电钻将混凝土和速凝剂搅拌均匀，快速入模（100 mm×100 mm×100 mm）后移至振动台振动密实。喷射成型试验方法：空压机提供风压，湿喷机喷头处添加速凝剂，将混凝土喷到大板模具（350 mm×450 mm×150 mm）成型养护至 7 d，切割成 100 mm×100 mm×100 mm立方体试块进行抗压强度测试。新拌混凝土工作性及喷射混凝土抗压强度见表4，实验室振动成型混凝土抗压强度见表5。

表4 新拌混凝土的工作性及喷射混凝土的抗压强度

表5 实验室振动成型混凝土的抗压强度

由表4、表5可以看出，由于低水胶比混凝土喷射难度大，且缺乏经验，喷射成型的C50混凝土抗压强度未满足设计要求，混凝土的强度发展异常。与实验室振动成型相比，C30喷射混凝土早期强度发展较为正常，但后期强度产生倒缩，这与掺有碱速凝剂相关。

2.2 净浆的流变性能

采用表3中对应的配比，测试基准组、引气组和降粘组在不掺加速凝剂时水泥净浆的剪切应力随剪切速率变化的关系见图2，由图2线性拟合得出水泥浆体的屈服应力和塑性粘度见表6。

图2 水泥净浆的剪切应力随剪切速率的变化

表6 水泥浆体的流变性参数

由表6可以看出，与基准组相比，加入引气剂明显增大了水泥浆体的屈服应力值，塑性粘度略有降低；降粘增强剂的使用使得水泥浆体的屈服应力大幅度降低至24 mPa，塑性粘度降低至 1056 mPa·s。

2.3 混凝土的可输送性

混凝土的可输送性即指混凝土拌合物在泵送压力或气流作用下，具有顺利通过管道、摩阻力小、不离析、不堵塞和粘聚性良好的性质。可输送性能性增强（例如增大坍落度），可喷性减弱（更小的喷射厚度）；当可输送性减弱时，可喷性则增强，寻找它们之间的平衡是解决问题的关键[5，10]。

采用Kim等[11]在研究喷射ECC中介绍的混凝土变形能力值参数Γ，如式（4）所示：

式中：Γ——可变形能力值；

D1、D2——混凝土垂直方向的扩展度，mm；

D0——坍落度筒的下底直径，取200 mm。

湿喷机的工作压力可以反映喷射过程中混凝土在湿喷机内的输送难易程度。湿喷机工作压力与5组喷射混凝土倒筒时间和Γ的关系如表7所示。

表7 湿喷机工作压力与喷射混凝土倒筒时间和Γ的关系

由表7可以看出，各组混凝土对应的湿喷机工作压力均在0.10～0.30 MPa内，基准组对应的湿喷机工作压力最大、倒筒时间略长，但变形能力值最小，最不易于泵送，且实验过程中容易发生堵管的现象；对于不掺加钢纤维的混凝土，可变形能力值越大，对应的湿喷机工作压力越小，说明混凝土越易输送；对于不使用引气剂的混凝土，倒筒时间越短，对应的湿喷机工作压力越小，混凝土越易输送；掺加钢纤维会降低混凝土的可变形能力、延长倒筒时间，增大对应的湿喷机工作压力，影响混凝土的可输送性；使用引气剂会延长混凝土的倒筒时间，但并不增加对应的湿喷机工作压力；使用降粘增强剂可显著提高混凝土的可变形能力，缩短倒筒时间，降低对应的湿喷机工作压力，提高混凝土的可输送性。Γ值越接近7，可喷性越理想。

2.4 混凝土的可喷性能

用混凝土的喷射回弹率及一次喷射厚度表征混凝土的可喷性能。混凝土倒筒时间、净浆屈服应力、塑性粘度与一次喷射厚度和回弹率的关系如表8所示。

由表8可以看出：

（1）各组混凝土一次喷射厚度在160～205 mm，钢纤维降粘组的一次喷射厚度最大，可能是因为钢纤维的加入使得喷射混凝土层间有纤维的拉应力，提高了混凝土的粘聚性和抗自重脱落能力；降粘组的一次喷射厚度较小，但仍达到160 mm。

表8 混凝土倒筒时间、净浆屈服应力、塑性粘度与一次喷射厚度和回弹率的关系

（2）降粘组回弹率最低为6.5%，其余组回弹率在23.8%～44.8%变化。基准组由于其本身粘度大、快速水化导致弹性模量大等特点，喷射时形成不连续的“脉冲”，粗骨料与砂浆更易被吹散，粗骨料大量回弹，混凝土喷射质量差；降粘组混凝土在喷浆管中供料连续，不存在“脉冲”情况，混凝土以砂浆包裹粗骨料整体喷出，回弹率最小，证明降粘增强剂在低水胶比喷射混凝土中可有效提高混凝土的可喷性，保证喷射质量。

（3）对于基准组、引气组和降粘组，随着倒筒时间的延长，一次喷射厚度及回弹率增大；随着净浆屈服应力的增大，一次喷射厚度及回弹率增大；塑性粘度与一次喷射厚度和回弹率无显著关系。

（4）引气组混凝土的塑性粘度显著降低，但混凝土一次喷射厚度及回弹率与基准组差别不大，对喷射混凝土可喷性能的影响不大。这可能是由于喷射之前，含气量的增加影响净浆及混凝土的工作性，但是引气组混凝土含气量仅为4%，在喷射过程中，由于风压的作用，含气量难以稳定，喷射到基体表面时含气量已与基准组含气量相近，故一次喷射厚度与回弹率与基准组相差不大。使用降粘增强剂降低回弹率的效果最为明显，回弹率降低至6.5%；一次喷射厚度较基准组低，但仍能达到160 mm，可喷射性能较基准组有较大改善。