王家濱，牛荻濤，馬 蕊，關(guān) 虓

（西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

噴射混凝土是借助噴射機(jī)械，利用壓縮空氣將混凝土或一定比例的水泥、砂、石拌合料，通過軟管以高速噴射到受噴面上并快速凝結(jié)硬化的一種混凝土[1].與模筑混凝土相比，噴射混凝土因速凝劑的摻入而具有極短的終凝時(shí)間和高早齡期強(qiáng)度，故其廣泛應(yīng)用于隧道初期及永久支護(hù)、礦山巷道支護(hù)、道路邊坡以及結(jié)構(gòu)加固及維修等領(lǐng)域[2-3].在現(xiàn)代隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，以噴射混凝土為主體的單層襯砌成為未來發(fā)展趨勢[4].而在隧道運(yùn)營過程中，隧道尤其是海底隧道，因其內(nèi)部環(huán)境相對封閉，空氣中二氧化碳濃度及溫濕度較高，使襯砌結(jié)構(gòu)抗碳化性能減弱，最終導(dǎo)致鋼筋的銹蝕及結(jié)構(gòu)承載力及可靠度下降，威脅隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性、使用壽命及安全運(yùn)營[5].

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對噴射混凝土抗碳化性能進(jìn)行了部分研究.SangPilLee[6]對無堿速凝劑噴射混凝土進(jìn)行了快速碳化試驗(yàn)，56 d后碳化深度為7 mm；SangJoon Ma[7]采取室外暴露試驗(yàn)方法對噴射混凝土抗碳化性能進(jìn)行了研究，認(rèn)為硅灰的摻入對噴射混凝土長期抗碳化性能有利；JongPilWin[8]等對高性能噴射混凝土進(jìn)行了研究，伴隨著硅灰的加入，噴射混凝土抗碳化性能減弱.王志杰[9]等對纖維噴射混凝土耐久性進(jìn)行了研究，認(rèn)為鋼纖維的加入可以改善噴射混凝土抗碳化性能，減小碳化速率；歐陽幼玲[10]等對鋼纖維和仿鋼纖維噴射混凝土抗碳化性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明仿鋼纖維噴射混凝土長期抗碳化性能好.以上文獻(xiàn)雖對噴射混凝土抗碳化性能進(jìn)行了研究，但未對碳化后噴射混凝土力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.

本文通過快速碳化試驗(yàn)，對噴射混凝土抗碳化性能進(jìn)行研究，并與同配合比模筑混凝土進(jìn)行對比，并引入施工工藝影響系數(shù)及鋼纖維影響系數(shù)，建立噴射混凝土碳化深度預(yù)測模型.同時(shí)，對碳化后噴射混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，分析微觀結(jié)構(gòu)變化對其力學(xué)性能的影響，為進(jìn)一步研究噴射混凝土耐久性提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及配合比

水泥為陜西寶雞海螺牌P O 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為陜西寶源集團(tuán)II級(jí)粉煤灰，細(xì)集料為細(xì)度模數(shù)3.4的河砂，粗集料為連續(xù)級(jí)配瓜米石，最大粒徑10mm.速凝劑為山西桑穆斯建材化工生產(chǎn)無堿速凝劑；減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，減水率為27%.試驗(yàn)原材料化學(xué)組成示于表1.試驗(yàn)噴射混凝土水膠比為0.43，砂率50%，減水劑摻量為1%，速凝劑摻量為4%，其配合比示于表2.

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)組成 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Tab.1 The chem istry composition of raw materials

表2 噴射混凝土配合比 kg/m3Tab.2 M ix proportion of sprayed concrete

1.2 試件制作

噴射混凝土試件取自寶雞至蘭州客運(yùn)專線麥積山隧道施工現(xiàn)場，采用噴大板法進(jìn)行制作，大板尺寸為1 000×500×120mm.大板成型3 h后拆模，放入隧道中自然養(yǎng)護(hù)7 d，而后使用巖石切割機(jī)將噴射混凝土大板切割成標(biāo)準(zhǔn)試件并將其置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d，最后將試件置于室外自然養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期.

1.3 試驗(yàn)方法

噴射混凝土碳化試驗(yàn)按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）中規(guī)定進(jìn)行，首先將試件置于鼓風(fēng)干燥箱中60℃烘干48h，然后采用環(huán)氧樹脂將試件進(jìn)行密封，只保留一組100mm×300mm對面作為碳化面，而后在碳化箱中進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境為：CO2濃度為（20%±3%），濕度（70%±5%），溫度（20%±2%）.快速碳化試驗(yàn)共進(jìn)行5個(gè)齡期，分別為7 d、14 d、28 d、42 d和56 d.到達(dá)齡期后將試件置于壓力機(jī)上劈開，將1%酒精酚酞溶液均勻噴在清掃干凈的斷面上，待酚酞顯色后測量試件的碳化深度.同時(shí)，測量試件劈裂抗拉強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度.而后，從試件碳化區(qū)中隨機(jī)取樣并剔除骨料，采用掃描電鏡對碳化后噴射混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

快速碳化試驗(yàn)采用北京數(shù)智意隆 CCB-70W 型混凝土碳化試驗(yàn)箱；試件抗壓強(qiáng)度測定采用無錫建儀TYA-2000型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)，精度0.1 kN，量程2 000 kN；劈裂抗拉強(qiáng)度測定采用濟(jì)南天辰Y(jié)ES-600型數(shù)顯式液壓壓力試驗(yàn)機(jī)，精度0.01 kN，量程600 kN；碳化后試件微觀結(jié)構(gòu)采用日本日立產(chǎn)S4800型冷場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行觀察.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 碳化深度

試件碳化深度及相對增長率示于圖1.從圖1可以看出，試件碳化深度均隨碳化齡期的增長而增大.碳化齡期56 d時(shí)試件碳化深度相對于7 d分別增大1.89倍、2.11倍與3.23倍.與同齡期模筑混凝土相比，噴射混凝土各齡期碳化深度均較小：碳化齡期7 d時(shí)普通噴射混凝土碳化深度僅為模筑混凝土的53.5%，且隨著碳化齡期的增長，兩者之間差值增大，當(dāng)碳化至56 d時(shí)，普通噴射混凝土僅為模筑混凝土的57.4%.其原因?yàn)椋耗Ｖ炷猎诔尚瓦^程中，試件表面因振搗而產(chǎn)生浮漿.在膠凝材料水化過程中，其內(nèi)部產(chǎn)生大量干縮裂縫且密實(shí)度小，這為二氧化碳的入侵提供通道.而噴射混凝土在成型過程中，水泥漿體及骨料在空氣壓力作用下受到連續(xù)沖擊得以壓實(shí)，混凝土密實(shí)度顯著提高，阻礙二氧化碳的進(jìn)入，使得噴射混凝土具有較好的抗碳化性能.

此外，通過對比試件S及SFRS可以發(fā)現(xiàn)，鋼纖維噴射混凝土各齡期碳化深度遠(yuǎn)小于普通噴射混凝土，碳化56 d時(shí)試件SFRS碳化深度為試件S的64.77%，為試件OC的37.2%.其原因?yàn)殇摾w維的摻入可有效抑制噴射混凝土早期干縮裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，同時(shí)緩解因碳化造成的碳化收縮裂縫的產(chǎn)生，阻礙二氧化碳的侵入，從而提高試件的碳化性能.

2.2 碳化后力學(xué)性能

試件力學(xué)性能與碳化深度變化規(guī)律示于圖2.從圖2可看出，試件力學(xué)性能隨著碳化深度的增加呈線性增大.與模筑混凝土相比，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度增長幅度較大.碳化56 d時(shí)，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度增長率為模筑混凝土的2.89倍，而劈裂抗拉強(qiáng)度僅為1.25倍.對于鋼纖維噴射混凝土，劈裂抗拉強(qiáng)度增長規(guī)律較為明顯.這是因?yàn)榛炷猎谔蓟^程中，碳化產(chǎn)物填充于內(nèi)部毛細(xì)連通孔及界面過渡區(qū)中，使混凝土密實(shí)度增大.與模筑混凝土相比，噴射混凝土本身密實(shí)度較高，少量碳化產(chǎn)物填充后就可獲得較高的強(qiáng)度增長率.對于鋼纖維噴射混凝土，劈裂抗拉強(qiáng)度主要取決于纖維-基體界面粘結(jié)應(yīng)力，碳化后產(chǎn)物填充于界面中，使界面粘結(jié)應(yīng)力增大，斷裂能提高，劈裂抗拉強(qiáng)度相應(yīng)增大.

2.3 碳化深度預(yù)測模型

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對混凝土碳化深度提出多種預(yù)測模型[11]，雖然它們表達(dá)形式不一，但都可統(tǒng)一表達(dá)為

圖1 試件碳化深度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律Fig.1 Theongoing changeof specimensunder carbonation

圖2 試件力學(xué)性能與碳化深度變化規(guī)律Fig.2 The change law of specimensbetweenmechanicalproperties and carbonation depth

式中： 為碳化深度； 為碳化影響系數(shù)； 為碳化時(shí)間.

根據(jù)圖1數(shù)據(jù)，得出噴射混凝土碳化深度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律.噴射混凝土碳化經(jīng)時(shí)變化規(guī)律與模筑混凝土相似，及碳化初期增長速率較大、后期碳化速率較小.

對不同碳化齡期試件碳化深度進(jìn)行擬合，得出

模筑混凝土：

噴射混凝土：

鋼纖維噴射混凝土：

在模筑混凝土碳化模型基礎(chǔ)上，考慮施工工藝影響系數(shù)和鋼纖維影響系數(shù)，式 ( 2)可以改寫為

式中： 為施工工藝影響系數(shù)； 為鋼纖維影響系數(shù).

將式 (5)與式 (3)和式 (4)進(jìn)行對比，可以得出： =0.57， =0.67（鋼纖維摻量按50 kg/m3加入）.從 及 可以看出，噴射施工工藝可提高混凝土抗碳化性能，而鋼纖維的加入可顯著提高噴射混凝土的抗碳化性能.

2.4 碳化后噴射混凝土微觀結(jié)構(gòu)

2.4.1 微觀結(jié)構(gòu)變化

噴射混凝土碳化后掃描電鏡照片示于圖3.從圖3中可以看出，未腐蝕的噴射混凝土內(nèi)部存在長度50 m左右微裂縫，而大量鈣礬石晶體均勻穿插分布在裂縫的水化程度較差的層狀CSH凝膠體中，而這些晶體存在即為CaCO3的成核提供有利場所，且此處碳化反應(yīng)速率相對較快；碳化7 d時(shí)，試件內(nèi)部氣孔孔壁明顯光滑，且從孔壁邊緣出現(xiàn)呈絲狀的碳化產(chǎn)物；碳化齡期14 d時(shí)，試件內(nèi)部鈣礬石晶體逐漸消失，碳化產(chǎn)物CaCO3以鈣礬石晶體為晶核并開始生長為 CaCO3晶須（示于圖4）；隨著碳化繼續(xù)進(jìn)行，CaCO3晶須不斷長大并相互交叉、聚合成為聚合體，并填充于試件內(nèi)部孔洞及微裂縫中；同時(shí)，CSH凝膠與二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)生成碳酸鈣并沉積于氣孔表面，使試件中微氣孔孔壁光滑，但氣孔形貌發(fā)生變化，由未碳化時(shí)近乎圓形截面變?yōu)榻茩E圓形截面；碳化56 d時(shí)，噴射混凝土內(nèi)部大孔徑孔不復(fù)存在，小孔徑孔數(shù)量上升，試件氣孔率減小，密實(shí)度增加，故碳化后試件力學(xué)性能增大.

圖3 噴射混凝土碳化后掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 The SEMsof shotcreteunder carbonation

2.4.2 孔結(jié)構(gòu)變化

不同碳化齡期下噴射混凝土孔結(jié)構(gòu)照片示于圖5.從圖5中可看出，未碳化之前，試件凝膠體中存在大量微小且形狀均勻的微氣孔，隨著碳化的進(jìn)行，試件孔中出現(xiàn)團(tuán)狀、層狀堆積的碳化產(chǎn)物，且試件微孔孔壁由粗糙變?yōu)楣饣?；隨著碳化進(jìn)一步發(fā)展，試件中微孔被堆積的腐蝕產(chǎn)物阻塞，試件孔隙率減小，密實(shí)度增加.

噴射混凝土碳化時(shí)，外界CO2擴(kuò)散至混凝土內(nèi)部，并溶解于孔隙液中，與液相中Ca2+發(fā)生反應(yīng)，使得孔隙液中Ca2+濃度不斷減小，而固相Ca OH2不斷溶解并補(bǔ)充Ca2+的不足；碳化7 d時(shí)，噴射混凝土內(nèi)原本形貌規(guī)則的Ca OH2已不復(fù)存在；另一方面，碳化生成的溶解度極低的CaCO3，這些CaCO3微晶有選擇的在試件毛細(xì)孔壁粗糙的部位選擇成核、結(jié)晶并不斷長大；碳化28 d大量不規(guī)則球形CaCO3聚合體沉積于混凝土孔隙中且出現(xiàn)節(jié)理較為明顯的碳化產(chǎn)物CaCO3；碳化齡期大于42 d時(shí)，毛細(xì)孔隙內(nèi)CaCO3相互連接并形成密實(shí)度較高的團(tuán)狀填充物，直徑達(dá)10 m以上，此時(shí)噴射混凝土中部分大孔已被填實(shí)；同時(shí)由于Ca OH2、鈣礬石及CSH等碳化物質(zhì)不斷消耗，使得噴射混凝土內(nèi)部孔徑1 m孔徑微孔的數(shù)量有所增加.

圖5 噴射混凝土碳化后孔結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.5 The poresstructure SEMsof specimen under carbonation

綜上所述，由于噴射混凝土中孔洞、裂縫等內(nèi)部缺陷的存在，使得噴射混凝土的局部碳化速率較快，其宏觀表現(xiàn)為混凝土局部的碳化深度較大，碳化深度的離散性較大.此外，隨著碳化不斷進(jìn)行，CaCO3填充于混凝土孔洞及裂縫中，有效改善了噴射混凝土的內(nèi)部缺陷，其密實(shí)度有所提高，宏觀表現(xiàn)為隨著碳化齡期的增加，噴射混凝土的力學(xué)性能顯著提高.

3 結(jié)論

試驗(yàn)采用快速碳化法，對同配合比模筑混凝土、噴射混凝土及鋼纖維噴射混凝土碳化深度及碳化后力學(xué)性能進(jìn)行研究，同時(shí)對碳化后噴射混凝土微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，得出結(jié)論.

1）施工方式對混凝土的密實(shí)度影響很大，是影響混凝土碳化深度的重要影響因素之一.隨著碳化齡期增加，試件碳化深度逐漸增大且噴射混凝土各齡期碳化深度顯著低于模筑混凝土；同時(shí)，噴射混凝土力學(xué)性能隨碳化深度的增加呈線性增長.

2）鋼纖維的摻入能有效提高噴射混凝土的抗碳化性能，與未摻鋼纖維混凝土相比，其碳化速率明顯減小，且力學(xué)性能隨著碳化齡期增長而增大，劈拉強(qiáng)度增長率更大.

3）噴射混凝土碳化深度隨時(shí)間單調(diào)增長，其增長速率早期快、后期較慢.同時(shí)，為了建立噴射混凝土碳化深度模型，引入施工工藝影響系數(shù)及鋼纖維影響系數(shù)，其與試驗(yàn)實(shí)測值吻合較好.

4）通過對碳化后噴射混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后表明：噴射混凝土中原始微氣孔及裂縫等缺陷的存在，為CO2的進(jìn)入提供通道；同時(shí)，缺陷內(nèi)部的鈣礬石晶體為CaCO3晶體的成核及生長提供有利的場所，使其局部區(qū)域的碳化反應(yīng)速度加快.在碳化過程中，隨著Ca OH2等可碳化物質(zhì)的消耗，碳化產(chǎn)物CaCO3的不斷積累，將毛細(xì)孔堵塞，噴射混凝土的孔結(jié)構(gòu)及微觀形貌發(fā)生變化；碳化后期，噴射混凝土中小孔徑孔數(shù)量增加，大孔徑孔消失，密實(shí)度提高.

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