方浩然,張士萍,牛龍龍

(1. 安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601;2. 南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

噴射混凝土技術(shù)是利用噴射機以壓縮氣體或其他能量為動力將按配合比要求拌合均勻的膠結(jié)料、粗骨料、細(xì)骨料、外加劑、纖維及摻料等通過噴射口快速噴射至作業(yè)面上,并且在短時間內(nèi)凝結(jié)硬化形成強度的一種技術(shù)[1].噴射混凝土能有效填補作業(yè)面上存在的裂縫、凹坑等缺陷,具有施工簡單、降低勞動力和材料成本、安全性好等優(yōu)點[2],廣泛應(yīng)用于隧道工程、山區(qū)道路、市政軌道工程及跨河、海工程中[3].近年來,隨著我國“西部開發(fā)”和“一帶一路”計劃的不斷推進,西部基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目中的隧道工程越來越多,這直接增加了我國對噴射混凝土的需求,且需求量仍有上升趨勢.對噴射混凝土的性能和耐久性要求越來越高,而噴射混凝土的配比設(shè)計對其性能有著直接影響[4].在混凝土需求量不斷增加的同時,在現(xiàn)有工程中常用的中河砂的產(chǎn)量卻越來越低,如何以及是否可以使用細(xì)河砂、粗河砂或機制砂來代替中河砂成為了一個新的研究方向.在實際工程中,以方解石為主要成分的機制砂已成功應(yīng)用于老尖山隧道中[5],但至今鮮有使用細(xì)、粗河砂的案例.已有不少學(xué)者研究細(xì)骨料對混凝土和砂漿的影響,并取得了一定成果,但少有人研究細(xì)骨料對加入速凝劑的噴射混凝土的力學(xué)性能影響.本文通過設(shè)計不同摻量速凝劑、不同砂膠比、不同細(xì)度模數(shù)的砂進行對照試驗,以探究細(xì)骨料對噴射混凝土力學(xué)性能的影響,探索在噴射混凝土中使用細(xì)河砂或粗河砂的可行性.

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 水泥

考慮到速凝劑對不同水泥的適應(yīng)性問題,此次試驗采用檢驗混凝土外加劑所用的的基準(zhǔn)水泥,產(chǎn)品型號為P·Ⅰ42.5硅酸鹽水泥(旋窯),等級強度為42.5,其物理性能及水泥熟料化學(xué)分析結(jié)果及礦物組成分別見表1和表2.

表1 基準(zhǔn)水泥的物理性能

表2 水泥熟料化學(xué)分析結(jié)果及礦物組成 %

1.1.2 速凝劑

本試驗采用的速凝劑是市面上常見的硫酸鋁鹽類的無堿液體速凝劑,其固含量為53%,不同摻量對應(yīng)的具體凝結(jié)時間見表3.

表3 不同摻量速凝劑所對應(yīng)的凝結(jié)時間

1.1.3 細(xì)骨料

本試驗采用的細(xì)骨料為天然河砂,將天然河砂按不同的粒徑篩分后按不同比例重新配置,得到細(xì)度模數(shù)為2.3的細(xì)砂、細(xì)度模數(shù)為2.6的中砂以及細(xì)度模數(shù)為3.0的粗砂.不同細(xì)度模數(shù)的砂的篩分?jǐn)?shù)據(jù)見表4.天然河砂的表觀密度≥2 500 kg/m3,符合《建筑用砂》(GB/T 14684—2022)標(biāo)準(zhǔn),其物理性質(zhì)見表5.

表4 天然河砂篩分和配比數(shù)據(jù)

表5 天然河砂的物理性質(zhì)

1.2 配合比設(shè)計

本試驗主要研究細(xì)骨料對噴射混凝土的影響,為避免粗骨料對試驗的影響,此次試驗全部制作砂漿試塊用于測試和研究.為使速凝劑對砂漿的影響更為明顯,將砂漿的水泥用量明顯提高.

由表3可見,當(dāng)速凝劑摻量為水泥質(zhì)量的7%～10%時,水泥的初凝時間和終凝時間隨摻量的增加而減少.速凝劑摻量為6%、7%時,不滿足國家規(guī)范《噴射混凝土用速凝劑》(GB/T 35159—2017)中初凝時間小于5 min、終凝時間小于12 min的要求;速凝劑摻量為8%時接近但依然不滿足規(guī)范要求;當(dāng)摻量為10%時,在160 s時便已經(jīng)初凝,但考慮后續(xù)試驗中振搗時間的要求,不采用此摻量;最終本試驗決定采用的速凝劑摻量為9%.具體的砂漿配合比見表6(其中水泥含量為900 g、速凝劑含量為81 g、水含量為450 g).

表6 砂漿配合比

1.3 試塊制作

1) 凈漿試塊按照《噴射混凝土用速凝劑》(GB/T 35159—2017)中附錄D進行制作.

2) 砂漿試塊按照《噴射混凝土用速凝劑》中附錄E進行制作.JS-1.5-2.3組的配合比制作振搗時間為20、30、40 s的試塊各5組,用于測試其1、3、7、28 d強度和28 d孔隙率.再按以上各配合比制作4組試塊,用于測試1、3、28 d強度和孔隙率.砂漿試塊制作完成后放入溫度為(20±2) ℃、濕度大于95%的恒溫恒濕養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護.

3) 測試孔隙率試塊時,先用切割機將砂漿試塊分割成片狀,再對待測面進行打磨和拋光,用黑色馬克筆將試塊表面全部涂黑后放入烘箱內(nèi)55 ℃烘干30 min,再將含有40%氧化鋅的凡士林涂在待測面,將多余凡士林去除后放在儀器上進行測試.

1.4 試驗儀器

試驗儀器包括維卡儀、篩分機、砂漿攪拌機、混凝土壓力試驗機、混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析器.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 速凝劑摻量的影響

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

圖1 速凝劑摻量對水泥漿體凝結(jié)時間的影響

2.2 振搗時間的影響

混凝土的強度和混凝土的孔隙率有著直接的關(guān)系,灰漿的強度是孔隙含量的直接函數(shù).試塊制作的攪拌過程和振搗過程是控制水泥漿體中氣孔數(shù)量的重要部分,本試驗在保證攪拌步驟一致的情況下,通過設(shè)置不同的振搗時間,觀察其對混凝土強度和孔隙率的影響.由圖2和圖3可見,不同振搗時間對砂漿試塊的抗壓強度和孔隙率的影響較小,可忽略不計.

圖2 不同振搗時間對試塊抗壓強度的影響

圖3 不同振搗時間對應(yīng)孔隙率柱狀圖

2.3 砂膠比和細(xì)度模數(shù)對試塊力學(xué)性能的影響

不同砂膠比和細(xì)度模數(shù)的砂對試塊抗壓強度的影響見圖4.由圖4可見,粗砂組的1 d抗壓強度明顯小于其他兩組,分析認(rèn)為,水泥漿體中的砂較粗時,顆粒與顆粒直接接觸點減少,孔隙相對較大,水泥水化后生成的膠結(jié)物質(zhì)和針棒狀的鈣礬石晶體不易填充其孔隙,使其早期強度低于其他兩組.隨著膠砂比的增大,顆粒之間的直接接觸點越來越少,孔隙也隨之增大,導(dǎo)致其強度差值不斷增大.

圖4 不同砂膠比和細(xì)度模數(shù)的砂對試塊 抗壓強度的影響

在相同的砂膠比時,隨著砂細(xì)度模數(shù)的增大,試塊抗壓強度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,由圖5可見,在砂膠比不變的情況下,隨著砂細(xì)度模數(shù)的增大,孔隙率總體上服從先變大后變小的趨勢,故可認(rèn)為試塊抗壓強度的變化是由其孔隙率的變化所導(dǎo)致.

圖5 不同砂膠比和細(xì)度模數(shù)的砂對應(yīng)孔隙率柱狀圖

當(dāng)砂膠比增大時,孔隙率也會隨之一起增大,且其增大速率與加入砂的細(xì)度模數(shù)大小成正相關(guān).這可能是因為在攪拌的過程中,骨料周圍會形成類似澆筑混凝土表面的墻體效應(yīng),水泥顆粒無法填充在體積相對較大的骨料周圍[10].隨著砂占水泥漿體體積的增加,孔隙率也越來越大,對強度發(fā)展有不利影響.

當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)為2.3時,抗壓強度隨著砂膠比的增大而增大.文獻[10]研究表明,在水泥漿體質(zhì)量不變情況下,當(dāng)骨料體積占總體積的40%～80%時,抗壓強度會隨骨料體積占比的增大而增大,并且在不同水灰比條件下,也有相同的規(guī)律.提高砂膠比的同時雖然提高了孔隙率,但砂膠比從1.2提高到1.8后,其孔隙率僅提高了4.7%,可認(rèn)為其增長量較低,未對強度變化起決定性因素.當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)為2.6時,當(dāng)砂膠比從1.2提高到1.8后,孔隙率提高了7.9%,雖提高了骨料的體積占比,但其強度增長相對較慢,幾乎沒有太大變化.當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)為3.0時,孔隙率增長較快,雖提高了骨料的體積占比,但其強度開始隨砂膠比的增加而降低.

3 結(jié)論

1) 速凝劑可以明顯加快水泥的凝結(jié)速度,速凝劑摻量為7%～10%時,凝結(jié)時間隨著速凝劑摻量的增大而減小,但考慮到實際用法及操作,凝結(jié)速度最快的并不一定是速凝劑的最佳摻量;

2) 對于加入速凝劑后的水泥漿體,振搗時間對其強度和孔隙率的影響較小,可忽略不計;

3) 加入速凝劑后,在細(xì)骨料質(zhì)量占比不變的情況下,即砂膠比不變時,隨著砂細(xì)度模數(shù)的增大,抗壓強度先變小再變大,孔隙率總體服從先變大后變小的趨勢,推測是因為孔隙率的不同導(dǎo)致其強度發(fā)生變化;

4) 當(dāng)砂細(xì)度模數(shù)為2.3時,28 d抗壓強度隨砂膠比增大而增大,力學(xué)性能總體表現(xiàn)較好,但若要實際應(yīng)用,仍需加入粗骨料、改善配合比并進行進一步試驗與探索;

5) 當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)為3.0時,隨著砂膠比的增大,其28 d抗壓強度連續(xù)小幅度降低且孔隙率明顯變大,考慮到實際工程中的砂膠比較大,故不宜使用粗砂.