楊 帆，張友鋒，余 姚

(1.贛南科技學(xué)院建設(shè)工程系,贛州 341000；2.贛州市智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,贛州 341000；3.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 贛州 341000；4.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；5.江西理工大學(xué)理學(xué)院，贛州 341000)

0 引 言

濕噴混凝土具有粉塵量低、施工簡便高效、漿體回彈量少及支護(hù)效果好等諸多優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用到隧道工程、水利工程中，由于其應(yīng)用效果俱佳也逐漸被應(yīng)用到地下采礦工程中[1-2]。我國高寒地區(qū)國土面積占總國土面積的30%左右，礦產(chǎn)資源儲量豐富，這些地區(qū)的平均溫度均較低[3]，而在這些地區(qū)采用濕噴混凝土技術(shù)后，混凝土的力學(xué)性能不可避免受到低溫環(huán)境的作用，進(jìn)而影響混凝土質(zhì)量及支護(hù)效果。噴射混凝土的強(qiáng)度過低不能達(dá)到穩(wěn)定支護(hù)的目的，強(qiáng)度過高則會增加噴射混凝土的制備成本，因此有必要對低溫條件下濕噴混凝土力學(xué)性能及配比參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行研究。

目前，諸多礦山科技工作者針對濕噴混凝土力學(xué)性能及配比參數(shù)開展了大量研究工作，Velay-lizancos等[4]研究了不同類型和配比的混凝土抗壓強(qiáng)度受溫度的影響，得出了低溫使混凝土凝結(jié)時間變慢的結(jié)論；Pichler等[5]發(fā)現(xiàn)C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物會受養(yǎng)護(hù)溫度影響，使混凝土早期強(qiáng)度與水化反應(yīng)呈冪指數(shù)關(guān)系；Cui等[6]通過模擬干熱環(huán)境，分析了含纖維材料對混凝土力學(xué)性能、孔隙結(jié)構(gòu)的影響，并建立兩者間數(shù)學(xué)模型；李克慶等[7]對不同養(yǎng)護(hù)溫度的濕噴混凝土開展抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)度增速隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加呈現(xiàn)出先快后緩直至基本穩(wěn)定趨勢。此外，秉持著可持續(xù)發(fā)展理念，學(xué)者們逐漸關(guān)注綠色混凝土制備技術(shù)，將粉煤灰、硅灰及礦渣等活性礦物摻合料替代部分水泥，該技術(shù)不僅降低混凝土的制備成本，也減少了對環(huán)境的污染[8-9]。張一帆等[10]通過開展活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出添加一定量的硅灰能夠提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但對其抗折強(qiáng)度沒有顯著影響；胡亞飛等[11]得出了礦渣粉-粉煤灰摻量交互作用對混凝體強(qiáng)度影響大于硅粉-粉煤灰摻量交互作用；王輝等[12]開展了高性能自密實(shí)混凝土單軸抗壓試驗(yàn)，得出自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量負(fù)相關(guān)；何淅淅等[13]通過開展混凝土棱柱抗壓性能的試驗(yàn)研究，得出在低溫養(yǎng)護(hù)條件下添加一定量粉煤灰有利于混凝土抗壓強(qiáng)度增長的結(jié)論。

綜上可知，國內(nèi)外學(xué)者在低溫養(yǎng)護(hù)、礦物摻合料對混凝土力學(xué)性能影響方面取得了諸多有益的成果，能夠?yàn)榛炷恋牧W(xué)性能研究及配比參數(shù)設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。但目前關(guān)于低溫養(yǎng)護(hù)條件下復(fù)摻礦物摻合料對濕噴混凝土力學(xué)性能的研究仍不多見，有必要開展進(jìn)一步的研究工作?；诖耍疚臑橄到y(tǒng)探究低溫養(yǎng)護(hù)條件下復(fù)摻礦物摻合料對濕噴混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，以濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度為考察目標(biāo)，通過正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，探明養(yǎng)護(hù)溫度、礦物摻合料摻量對濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，并通過極差與方差分析，得出作用于濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素，最后運(yùn)用多元非線性回歸建立多因素耦合作用下的抗壓強(qiáng)預(yù)測模型。研究結(jié)果不僅為濕噴混凝土的參數(shù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，也能夠推動濕噴混凝土技術(shù)在高寒地區(qū)礦山的廣泛應(yīng)用。

1 實(shí) 驗(yàn)

圖1 廢石顆粒的級配曲線Fig.1 Gradation curve of waste rock particles

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用的廢石顆粒為普朗銅礦廢石破碎而成，顆粒粒徑最大為12 mm，其級配分布曲線如圖1所示，其中砂石顆粒粒徑分布范圍為：d10=0.3 mm，d50=7.0 mm，d80=10.0 mm(其中，d10，d50和d80分別為砂石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、50%及80%時對應(yīng)的粒徑)。水泥為P·O 42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰為二級粉煤灰，硅灰型號為Elkem 920U硅微粉(粉煤灰、硅灰均來自成都凱斯博建材公司)。為改善混凝土的抗變形性能，在混凝土中添加一定量波浪型鋼纖維。粉煤灰和硅灰的化學(xué)組成見表1，廢石和水泥的化學(xué)組成見表2，鋼纖維的基本物理性質(zhì)見表3所示。

表1 粉煤灰和硅灰的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of fly ash and silica fume

表2 廢石和水泥的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of waste rock and cement

表3 鋼纖維的物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of steel fiber

1.2 分析與測試

單軸抗壓試驗(yàn)采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，該設(shè)備由中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制，試驗(yàn)過程由系統(tǒng)自動控制，試驗(yàn)加載采用位移控制模式，壓力機(jī)垂直液壓缸的垂直出力選擇1 000 kN級別。廢石和水泥的化學(xué)成分采用Empyrean銳影X射線衍射儀，該檢測系統(tǒng)是由荷蘭帕納科公司研發(fā)，主要參數(shù)為：靶材Cu靶，管電壓40 kV，管電流40 mA。試塊微觀測試采用MLA 650F掃描電鏡，首先對試塊進(jìn)行噴金處理，將噴金處理的試塊用導(dǎo)電膠連接到金屬托盤上，放置到掃描電鏡腔內(nèi)的載物臺上。合攏腔體并抽真空，15 min左右達(dá)到真空環(huán)境后，調(diào)整鏡頭位置和參數(shù)，對試塊的表面形貌進(jìn)行觀測拍攝，觀察試塊的表面形態(tài)。

1.3 試驗(yàn)方案

基于探索試驗(yàn)，固定水泥摻量為480 kg/m3，鋼纖維摻量為50 kg/m3，粉煤灰、硅灰以內(nèi)摻方式進(jìn)行添加，料漿水灰比為0.42，灰砂比為1 ∶4。通過文獻(xiàn)[14]可知，粉煤灰和硅灰復(fù)摻量達(dá)到30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時，對混凝土強(qiáng)度的提升效果最顯著。因此，試驗(yàn)中粉煤灰和硅灰的最大復(fù)摻量設(shè)計(jì)為30%?？紤]到本次試驗(yàn)考察目標(biāo)較多，選用正交試驗(yàn)分析養(yǎng)護(hù)溫度、硅灰、粉煤灰對濕噴混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表4。

表4 正交試驗(yàn)方案的因素及水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test scheme

1.4 試驗(yàn)過程

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案稱取所需要的物料，并將物料放置在攪拌桶中，采用手持式攪拌機(jī)將物料攪拌均勻制備成料漿，隨后快速將料漿倒入清理好的模具中(模具長寬高均為70.7 cm)。將澆筑好的模具放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常溫靜置24 h后進(jìn)行脫模處理，隨后將試樣放置在設(shè)計(jì)好溫度的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)到指定齡期(養(yǎng)護(hù)箱溫度、濕度分別控制為20 ℃、90%)。試樣在設(shè)計(jì)溫度內(nèi)達(dá)到指定齡期后，采用壓力機(jī)對試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，每組試驗(yàn)取3個樣品進(jìn)行測試，取其均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

濕噴混凝土試樣不同養(yǎng)護(hù)齡期抗壓強(qiáng)度如表5所示，標(biāo)準(zhǔn)差如表6所示。為考察硅灰摻量(A)、粉煤灰摻量(B)、養(yǎng)護(hù)溫度(C)對濕噴混凝土力學(xué)性能的影響程度和顯著性影響因素，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件 SPSS 進(jìn)行極差分析和方差分析，結(jié)果見表7、表8。

表5 濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度Table 5 Compressive strength of wet shotcrete

表6 濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差Table 6 Standard deviation of compressive strength of wet shotcrete

表7 極差分析結(jié)果Table 7 Results of range analysis

Notes:Kiis the average of the test results of various factors at leveli；Rrepresents range value.

表8 方差分析結(jié)果Table 8 Results of variance analysis

2.2 濕噴混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的變化特征

圖2 不同養(yǎng)護(hù)齡期濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of wet shotcrete at different curing ages

圖2為濕噴混凝土試樣在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度變化特征。由圖2可知，不同養(yǎng)護(hù)齡期濕噴混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)時間的增加而增大，這說明延長養(yǎng)護(hù)齡期能夠有效提升濕噴混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度，有利于改善噴射混凝土的抗變形性能及承載性能。整體來看，不同養(yǎng)護(hù)齡期濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)度增幅并不相同。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期從7 d增加至28 d時，濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)度增幅顯著，說明在該養(yǎng)護(hù)區(qū)間濕噴混凝土內(nèi)部水泥水化反應(yīng)程度強(qiáng)烈；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期從28 d增加至56 d時，濕噴混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度僅有小幅增長，說明在該齡期范圍內(nèi)，水泥水化反應(yīng)趨于完全，側(cè)面反映了濕噴混凝土在養(yǎng)護(hù)后期的抗壓強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。

2.3 礦物摻合料及溫度對濕噴混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律

圖3為濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度與三因素間的關(guān)系曲線。由圖3(a)可知，不同養(yǎng)護(hù)齡期濕噴混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度均隨硅灰摻量的增加而增大，說明添加一定量硅灰能有效改善濕噴混凝土力學(xué)性能。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時，硅灰摻量的增加對濕噴混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的影響最為顯著，而對濕噴混凝土后期抗壓強(qiáng)度影響程度有所減弱。硅灰中的活性物質(zhì)不僅可以參與水化反應(yīng)生成一定量C-S-H凝膠，并且硅灰與砂石顆粒相比屬于細(xì)顆粒，添加硅灰能夠填充孔隙，進(jìn)而提高了濕噴混凝土的力學(xué)性能[15]。由圖3(b)可知，添加一定量粉煤灰也能夠有效提高濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)度，但不同養(yǎng)護(hù)齡期則具有一定差異性。養(yǎng)護(hù)齡期7 d的濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰含量的增加而顯著提高，這歸功于粉煤灰的“火山灰效應(yīng)”及細(xì)顆粒的填隙作用[16]，粉煤灰摻量超過10%，養(yǎng)護(hù)后期濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度基本無顯著變化。由圖3(c)可知，不同養(yǎng)護(hù)齡期的濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)溫度的增加而不斷增大，且增幅各不相同；養(yǎng)護(hù)齡期為7 d、28 d及56 d時，養(yǎng)護(hù)溫度從3 ℃增加至10 ℃，濕噴混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度分別增大了16.13%、13.16%及12.62%，可以看出濕噴混凝土強(qiáng)度增幅隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小。濕噴混凝土本質(zhì)上仍屬于水泥基復(fù)合材料，養(yǎng)護(hù)溫度的增加能夠促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)及礦物摻合料中的活性物質(zhì)參與水化反應(yīng)，使得大量C-S-H凝膠填充到固體顆粒間，形成致密的網(wǎng)絡(luò)支撐結(jié)構(gòu)，因此濕噴混凝土試樣強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加而增大[17]。

圖3 濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度與三因素關(guān)系Fig.3 Relationship between compressive strength of wet shotcrete and three factors

2.4 濕噴混凝土強(qiáng)度對三因素的敏感性分析

通過對濕噴混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的極差與方差進(jìn)行分析，得到了三因素對抗壓強(qiáng)度的敏感程度。由表7濕噴混凝土試樣7 d抗壓強(qiáng)度的極差分析可知，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，三因素對濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度順序?yàn)楣杌覔搅?4.62)>養(yǎng)護(hù)溫度(2.04)>粉煤灰摻量(1.66)；由表8濕噴混凝土試樣7 d抗壓強(qiáng)度的方差分析可知，粉煤灰摻量及養(yǎng)護(hù)溫度的顯著性水平p值均大于0.05，說明粉煤灰摻量及養(yǎng)護(hù)溫度均不是濕噴混凝土試樣7 d抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素，而硅灰摻量的顯著性水平p值小于0.05，說明硅灰摻量為試樣7 d抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素。此外，根據(jù)試驗(yàn)組每一水平的平均強(qiáng)度可知，在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)濕噴混凝土試樣7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值的配比參數(shù)：硅灰摻量(15%)、粉煤灰摻量(15%)及養(yǎng)護(hù)溫度(10 ℃)。對于28 d濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，三種因素對混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的影響程度順序?yàn)楣杌覔搅?3.27)>養(yǎng)護(hù)溫度(2.81)>粉煤灰摻量(1.86)；根據(jù)表8的方差分析結(jié)果可知，硅灰摻量、粉煤灰摻量及養(yǎng)護(hù)溫度的顯著性水平p值均小于0.05，說明三因素均為試樣28 d抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素。此外，根據(jù)試驗(yàn)組每一水平的平均強(qiáng)度可知，在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)濕噴混凝土試樣28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值的配比參數(shù)：硅灰摻量(15%)、粉煤灰摻量(15%)及養(yǎng)護(hù)溫度(10 ℃)。對于56 d濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，三種因素對濕噴混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的影響程度順序?yàn)楣杌覔搅?2.74)>養(yǎng)護(hù)溫度(2.27)>粉煤灰摻量(0.94)；根據(jù)表8的方差分析結(jié)果可知，硅灰摻量、粉煤灰摻量及養(yǎng)護(hù)溫度的顯著性水平p值均大于0.05，說明三因素均不是試樣56 d抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素。此外，根據(jù)試驗(yàn)組每一水平的平均強(qiáng)度可知，在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)的濕噴混凝土試樣56 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值的配比參數(shù)：硅灰摻量(15%)、粉煤灰摻量(15%)及養(yǎng)護(hù)溫度(10 ℃)。

2.5 濕噴混凝土強(qiáng)度的多因素耦合預(yù)測模型

為定量分析硅灰摻量、粉煤灰摻量及養(yǎng)護(hù)溫度與濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度間的關(guān)系，建立考慮因素交互作用的多因素非線性回歸模型，模型的表達(dá)式如(1)所示：

(1)

式中：y為濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；x1為硅灰摻量，%；x2為粉煤灰摻量，%；x3為養(yǎng)護(hù)溫度，℃；bk為模型的回歸系數(shù)，其中k=(0,1,2,3,…,6)。

結(jié)合濕噴混凝土試樣在7 d、28 d及56 d的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析(SPSS)軟件自定義模型板塊功能，自主構(gòu)建多因素回歸模型，并依據(jù)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)求解出方程的回歸系數(shù)，從而建立濕噴混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度回歸模型如式(2)～式(4)所示：

濕噴混凝土試樣7 d抗壓強(qiáng)度回歸模型：

(2)

濕噴混凝土試樣28 d抗壓強(qiáng)度回歸模型：

(3)

濕噴混凝土試樣56 d抗壓強(qiáng)度回歸模型：

(4)

結(jié)合建立的濕噴混凝土試樣抗壓強(qiáng)度回歸模型，將正交試驗(yàn)測試得到的數(shù)據(jù)帶入到回歸模型中。由圖4的實(shí)測值與預(yù)測值的變化規(guī)律可以看出，濕噴混凝土試樣的7 d、28 d及56 d的抗壓強(qiáng)度的最大誤差分別為1.82%、8.12%及4.21%，可以看出預(yù)測模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測試樣的抗壓強(qiáng)度，能夠現(xiàn)場工程實(shí)踐設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。此外，結(jié)合正交試驗(yàn)結(jié)果可知，在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)的混凝土在硅灰摻量為15%、粉煤灰摻量為15%及養(yǎng)護(hù)溫度為10 ℃時，濕噴混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度不僅達(dá)到最大值，而且也達(dá)到了該礦山井巷工程對噴射混凝土的技術(shù)參數(shù)要求，試驗(yàn)得到的研究結(jié)果能夠?yàn)橥愋透吆V山地區(qū)的噴射混凝土的參數(shù)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

圖4 濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測值與預(yù)測值曲線Fig.4 Curves between measured value and predicted value of wet shorcrete compressive strength

2.6 因素間的交互作用對濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

本文以養(yǎng)護(hù)齡期28 d時的濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度為例，構(gòu)建混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的3D可視化模型，以分析因素間交互作用對濕噴混凝土力學(xué)性能影響規(guī)律。圖5(a)為養(yǎng)護(hù)溫度為10 ℃時，硅灰摻量和粉煤灰摻量的交互作用對濕噴混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的影響；圖5(b)為粉煤灰摻量為10%時，硅灰摻量和養(yǎng)護(hù)溫度的交互作用對濕噴混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的影響；圖5(c)為硅灰摻量為10%時，粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)溫度的交互作用對濕噴混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖5(a)可知:當(dāng)粉煤灰摻量為5%時，隨著硅灰摻量從5%增加至15%，濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度增加了51.0%；當(dāng)粉煤灰摻量為15%時，隨著硅灰摻量從5%增加至15%，濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度增加了22.3%，可看出抗壓強(qiáng)度對硅灰摻量的敏感性與粉煤灰摻量負(fù)相關(guān)。因此，當(dāng)添加硅灰和粉煤灰來改善濕噴混凝土力學(xué)性能時，為充分提高硅灰對濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度的改善效果，粉煤灰含量不宜設(shè)計(jì)為較高的比例。由圖5(b)可知：當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為3 ℃時，隨著硅灰摻量從5%增加至15%時，濕噴混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度分別增加了22.2%；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為10 ℃，隨著硅灰摻量從5%增加至15%時，抗壓強(qiáng)度分別增加了32.1%，可以濕噴看出抗壓強(qiáng)度對硅灰摻量的敏感性與養(yǎng)護(hù)溫度正相關(guān)。由圖5(c)可知：當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為3℃時，隨著粉煤灰摻量從5%增加至15%時，濕噴混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度分別增加了7.6%；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為10 ℃，隨著硅灰摻量從5%增加至15%時，抗壓強(qiáng)度分別增加了22.3%，可以看出抗壓強(qiáng)度對粉煤灰摻量的敏感性也與養(yǎng)護(hù)溫度正相關(guān)。此外，通過對比粉煤灰和硅灰摻量對濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度的改善效果可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度處于較低范圍時，硅灰對濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度提升效果要明顯優(yōu)于粉煤灰對濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度的提升效果，因此在高寒地區(qū)設(shè)計(jì)濕噴混凝土性能參數(shù)時，可以優(yōu)先提高硅灰的添加量。

圖5 因素交互作用對濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度影響Fig.5 Influence of factor interaction on compressive strength of wet shotcrete

2.7 養(yǎng)護(hù)溫度對濕噴混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響

濕噴混凝土宏觀抗壓強(qiáng)度的變化其本質(zhì)上是內(nèi)部成分和微觀結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果。圖6為粉煤灰摻量、硅灰摻量均為15%時，濕噴混凝土在不同養(yǎng)護(hù)溫度下的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)SEM照片。由圖6(a)可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為3 ℃時，濕噴混凝土內(nèi)部生成了針狀鈣礬石晶體及C-S-H凝膠，并且濕噴混凝土內(nèi)部存有明顯的孔隙結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)的致密性較差；由圖6(b)可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為6 ℃時，濕噴混凝土內(nèi)部也生成了大量的針狀鈣礬石晶體及C-S-H凝膠，并且濕噴混凝土內(nèi)部也存在一些孔隙結(jié)構(gòu)，但與養(yǎng)護(hù)溫度為3 ℃的試樣相比，微觀結(jié)構(gòu)的致密性有所改善；由圖6(c)可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為10 ℃時，濕噴混凝土內(nèi)部也生成了少量的針狀鈣礬石晶體，但絮團(tuán)狀的C-S-H凝膠則大量覆蓋在濕噴混凝土試樣表面，并且與養(yǎng)護(hù)溫度為3 ℃和6 ℃的試樣相比可知養(yǎng)護(hù)溫度的增加使得團(tuán)絮狀膠凝物質(zhì)大量生成，此時水化產(chǎn)物黏結(jié)得相當(dāng)密實(shí)，抗壓強(qiáng)度得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。因此，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高，水化程度和水化產(chǎn)物的結(jié)晶程度越來越高濕噴混凝土內(nèi)部缺陷逐漸減少，結(jié)構(gòu)變得更為致密，從而提高了濕噴混凝土的承載能力，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的增加。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)溫度下濕噴混凝土的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of wet shotcrete at different curing temperatures

3 結(jié) 論

本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對濕噴混凝土的力學(xué)性能開展了研究，系統(tǒng)揭示了硅灰摻量、養(yǎng)護(hù)溫度及粉煤灰摻量對濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，并結(jié)合SEM闡明了養(yǎng)護(hù)溫度對混凝土力學(xué)性能的影響機(jī)理，得到相關(guān)結(jié)論如下：

(1)不同養(yǎng)護(hù)齡期的濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度增幅不同:養(yǎng)護(hù)齡期從7 d增至28 d時，增幅顯著；28 d增至56 d時，則小幅增長。硅灰摻量的增加能夠顯著提高濕噴混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度，并且對早期強(qiáng)度的提升效果最為明顯；增加粉煤灰摻量也能顯著提升濕噴混凝土早期強(qiáng)度，但摻量超過10%后，濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度基本不受粉煤灰摻量影響。

(2)由濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度極差與方差分析可知，養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d及28 d時，三因素對濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度影響程度順序?yàn)椋汗杌覔搅?養(yǎng)護(hù)溫度>粉煤灰摻量。此外，硅灰摻量為試樣7 d抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素，而在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，三因素均為濕噴混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素。

(3)構(gòu)建的抗壓強(qiáng)度多元非線性回歸模型能夠很好地預(yù)測濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度，為高寒地區(qū)的現(xiàn)場工程應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。此外，依據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，濕噴混凝土試樣7 d、28 d及56 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值時硅灰摻量為15%，粉煤灰摻量為15%，養(yǎng)護(hù)溫度為10 ℃。

(5)養(yǎng)護(hù)溫度不變時，濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度對硅灰摻量的敏感性與粉煤灰摻量負(fù)相關(guān)；濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度對礦物摻合料的敏感性則與養(yǎng)護(hù)溫度正相關(guān)，說明養(yǎng)護(hù)溫度的增加能夠提高礦物摻合料對濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度的改善效果。

(6)結(jié)合濕噴混凝土試樣的微觀結(jié)構(gòu)分析可知，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高，濕噴混凝土內(nèi)部缺陷逐漸減少，結(jié)構(gòu)變得更為致密，從而提高了濕噴混凝土的承載能力，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的增加。