王巧 ，王祖琦 ，宋普濤 ，周永祥 ，楊長(zhǎng)輝

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045；3.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

0 引言

噴射混凝土是噴射機(jī)輸料管在空氣壓縮機(jī)提供風(fēng)壓作用下，將新拌混凝土由噴頭噴射至施工面的一種施工技術(shù)，具有施工方便、快捷等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于受損混凝土表面修復(fù)、隧道襯砌和地下工程建設(shè)[1]。隧道單層永久襯砌和重要交通結(jié)構(gòu)的修復(fù)工程大量用到噴射混凝土，這對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度和性能提出了更高的要求[2-4]。在高壓作用下混凝土的穩(wěn)定性和流動(dòng)性一直是噴射混凝土技術(shù)待解決的關(guān)鍵問題，即可輸送性與可噴性，為噴射混凝土的一對(duì)重要指標(biāo)。與C30混凝土相比，高強(qiáng)濕噴混凝土低水膠比、粘度大，噴射施工難度更大。對(duì)于低水膠比噴射混凝土，可輸送性與可噴性之間存在矛盾，即大流動(dòng)性對(duì)輸送有利，但不利于噴射，可能出現(xiàn)脫落和流漿；另一方面，混凝土粘度大有利于與基體粘結(jié)，降低回彈和增大噴射厚度，但泵送過程中可能出現(xiàn)堵管等現(xiàn)象[5]。

可噴性最早是在1994年由Beaupré[5]首次提出。混凝土能一次噴射到較大厚度且不流漿和脫落即被認(rèn)為可噴性較好。對(duì)高強(qiáng)噴射混凝土研究來講，找到可噴性與可輸送性之間的平衡是獲得噴射質(zhì)量較好的混凝土的必要條件，也是研究高強(qiáng)噴射混凝土其它性能與工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。近年來，已有一些文獻(xiàn)報(bào)道高強(qiáng)噴射混凝土的研究與應(yīng)用[6-8]，但大多研究混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于50 MPa，且未對(duì)低水膠比噴射混凝土的可噴性能這一重要指標(biāo)展開研究與討論。Kyong-Ku Yun[9]對(duì)噴射混凝土的可噴性進(jìn)行了研究，分析了混凝土的流變性能與可輸送性和可噴性的關(guān)系，但水膠比仍然偏高（W/B=0.43）。

關(guān)于低水膠比濕噴混凝土的可噴射性能研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，故本文就其展開試驗(yàn)研究，將材料的流變性能與可輸送性和可噴性相關(guān)聯(lián)來表征低水膠比濕噴混凝土的可噴射性。選取C30混凝土與C50混凝土作對(duì)比，從配比設(shè)計(jì)到噴射試驗(yàn)，預(yù)期對(duì)高強(qiáng)噴射混凝土的研究難點(diǎn)以及今后的應(yīng)用提供基本思路，并對(duì)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：北京金隅P·O42.5水泥，比表面積377 m2/kg，28 d抗壓強(qiáng)度54.6 MPa，主要化學(xué)成分見表1；粉煤灰：Ⅰ級(jí)，比表面積366 m2/kg，主要化學(xué)成分見表1；硅灰：SiO2含量≥95%，比表面積20 900 m2/kg；降粘增強(qiáng)劑（CABR-J1）：中國建筑科學(xué)研究院研制的功能型復(fù)合摻合料，比表面積1159 m2/kg，需水量比88%,28 d活性指數(shù)123%；細(xì)骨料：天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.7；粗骨料：碎石，粒徑5～15 mm，壓碎指標(biāo)6.22%，堆積密度1425 kg/m3；減水劑：天津悅明外加劑廠生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，固含量39%；引氣劑：脂肪醇磺酸鹽類，市售；速凝劑：蘇博特新材料公司生產(chǎn)的無堿液體速凝劑和山西佳維生產(chǎn)的有堿液體速凝劑，主要性能指標(biāo)見表2；鍍銅鋼纖維：長(zhǎng)25 mm，直徑0.55 mm。

表1 水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

表2 2種速凝劑的主要性能指標(biāo)

1.2 配合比及試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比

按照J(rèn)GJ/T 372—2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的配合比設(shè)計(jì)方法，計(jì)算強(qiáng)度等級(jí)為C50的高強(qiáng)噴射混凝土的水膠比：

式中：αa、αb——回歸系數(shù)，αa取0.53，αb取0.2；

k1——混凝土密實(shí)度系數(shù)，取值范圍1.05～1.25；

k2——速凝劑強(qiáng)度影響系數(shù)，取值范圍1.00～1.10；

fb——膠砂試件的28 d抗壓強(qiáng)度，fb=γfγsfce，其中 γf、γs為粉煤灰、礦渣粉的影響系數(shù)，分別取0.85、1.00，fce為水泥的實(shí)際強(qiáng)度，取 54.6 MPa，則 fb=46.4 MPa；

fcu，0——混凝土配制強(qiáng)度，按式（2）計(jì)算。

式中：σ=5 MPa，fcu，k=50 MPa

按照 k1=1.25、k2=1.10、W/B=0.28、其余參數(shù)按 JGJ/T 372—2016要求選取，混凝土配合比見表3。

表3 噴射混凝土的試驗(yàn)配比

1.2.2 試驗(yàn)方法

（1）凈漿流變性能試驗(yàn)：使用上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的NDJ-8S旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試水泥漿體的塑性粘度。根據(jù)表3中JZ、JN、YQ組的配比，去除骨料及速凝劑制備對(duì)應(yīng)的凈漿，在5個(gè)不同剪切速率下測(cè)試其瞬時(shí)粘度，計(jì)算出剪切應(yīng)力，然后線性擬合得出屈服應(yīng)力τ（擬合直線的截距）和塑性粘度η（擬合直線的斜率）。

（2）回彈率試驗(yàn)：噴射試驗(yàn)所用小型濕噴機(jī)型號(hào)為耿力機(jī)械GSP-D，生產(chǎn)能力7 m3/h，工作壓力0.4～0.6 MPa，速凝劑添加量0～180 L/h；所用柴油空氣壓縮機(jī)最大風(fēng)壓2.4 MPa，最大出風(fēng)量24 m3/min。

回彈率可表征噴射混凝土自身粘聚性和與噴射面的粘結(jié)性，按式（3）計(jì)算?；貜椔蕼y(cè)試方法依據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)JSCE-F563—2005《噴射混凝土回彈率試驗(yàn)方法》的規(guī)定，如圖1（a）所示。

式中：R——回彈率，%；

Wr——回彈料的質(zhì)量，kg；

Ww——粘結(jié)在回彈測(cè)試模具上混凝土的質(zhì)量，kg。

（3）一次噴射厚度試驗(yàn)：由于目前暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)試一次噴射厚度，參考研究多用的方法：噴射面為1 m×1 m的平板，對(duì)準(zhǔn)某一基點(diǎn)連續(xù)噴射混凝土直至混凝土在自重作用下脫落，停止噴射測(cè)試其厚度。噴射厚度測(cè)試如圖1（b）所示。

圖1 回彈率和噴射厚度測(cè)試

（4）倒筒時(shí)間、坍落度及擴(kuò)展度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

（5）混凝土抗壓強(qiáng)度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)振動(dòng)成型方法：在塑料桶內(nèi)用電鉆將混凝土和速凝劑攪拌均勻，快速入模（100 mm×100 mm×100 mm）后移至振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)密實(shí)。噴射成型試驗(yàn)方法：空壓機(jī)提供風(fēng)壓，濕噴機(jī)噴頭處添加速凝劑，將混凝土噴到大板模具（350 mm×450 mm×150 mm）成型養(yǎng)護(hù)至 7 d，切割成 100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。新拌混凝土工作性及噴射混凝土抗壓強(qiáng)度見表4，實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)成型混凝土抗壓強(qiáng)度見表5。

表4 新拌混凝土的工作性及噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度

表5 實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)成型混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表4、表5可以看出，由于低水膠比混凝土噴射難度大，且缺乏經(jīng)驗(yàn)，噴射成型的C50混凝土抗壓強(qiáng)度未滿足設(shè)計(jì)要求，混凝土的強(qiáng)度發(fā)展異常。與實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)成型相比，C30噴射混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較為正常，但后期強(qiáng)度產(chǎn)生倒縮，這與摻有堿速凝劑相關(guān)。

2.2 凈漿的流變性能

采用表3中對(duì)應(yīng)的配比，測(cè)試基準(zhǔn)組、引氣組和降粘組在不摻加速凝劑時(shí)水泥凈漿的剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的關(guān)系見圖2，由圖2線性擬合得出水泥漿體的屈服應(yīng)力和塑性粘度見表6。

圖2 水泥凈漿的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化

表6 水泥漿體的流變性參數(shù)

由表6可以看出，與基準(zhǔn)組相比，加入引氣劑明顯增大了水泥漿體的屈服應(yīng)力值，塑性粘度略有降低；降粘增強(qiáng)劑的使用使得水泥漿體的屈服應(yīng)力大幅度降低至24 mPa，塑性粘度降低至 1056 mPa·s。

2.3 混凝土的可輸送性

混凝土的可輸送性即指混凝土拌合物在泵送壓力或氣流作用下，具有順利通過管道、摩阻力小、不離析、不堵塞和粘聚性良好的性質(zhì)?？奢斔托阅苄栽鰪?qiáng)（例如增大坍落度），可噴性減弱（更小的噴射厚度）；當(dāng)可輸送性減弱時(shí)，可噴性則增強(qiáng)，尋找它們之間的平衡是解決問題的關(guān)鍵[5，10]。

采用Kim等[11]在研究噴射ECC中介紹的混凝土變形能力值參數(shù)Γ，如式（4）所示：

式中：?！勺冃文芰χ?；

D1、D2——混凝土垂直方向的擴(kuò)展度，mm；

D0——坍落度筒的下底直徑，取200 mm。

濕噴機(jī)的工作壓力可以反映噴射過程中混凝土在濕噴機(jī)內(nèi)的輸送難易程度。濕噴機(jī)工作壓力與5組噴射混凝土倒筒時(shí)間和Γ的關(guān)系如表7所示。

表7 濕噴機(jī)工作壓力與噴射混凝土倒筒時(shí)間和Γ的關(guān)系

由表7可以看出，各組混凝土對(duì)應(yīng)的濕噴機(jī)工作壓力均在0.10～0.30 MPa內(nèi)，基準(zhǔn)組對(duì)應(yīng)的濕噴機(jī)工作壓力最大、倒筒時(shí)間略長(zhǎng)，但變形能力值最小，最不易于泵送，且實(shí)驗(yàn)過程中容易發(fā)生堵管的現(xiàn)象；對(duì)于不摻加鋼纖維的混凝土，可變形能力值越大，對(duì)應(yīng)的濕噴機(jī)工作壓力越小，說明混凝土越易輸送；對(duì)于不使用引氣劑的混凝土，倒筒時(shí)間越短，對(duì)應(yīng)的濕噴機(jī)工作壓力越小，混凝土越易輸送；摻加鋼纖維會(huì)降低混凝土的可變形能力、延長(zhǎng)倒筒時(shí)間，增大對(duì)應(yīng)的濕噴機(jī)工作壓力，影響混凝土的可輸送性；使用引氣劑會(huì)延長(zhǎng)混凝土的倒筒時(shí)間，但并不增加對(duì)應(yīng)的濕噴機(jī)工作壓力；使用降粘增強(qiáng)劑可顯著提高混凝土的可變形能力，縮短倒筒時(shí)間，降低對(duì)應(yīng)的濕噴機(jī)工作壓力，提高混凝土的可輸送性。Γ值越接近7，可噴性越理想。

2.4 混凝土的可噴性能

用混凝土的噴射回彈率及一次噴射厚度表征混凝土的可噴性能。混凝土倒筒時(shí)間、凈漿屈服應(yīng)力、塑性粘度與一次噴射厚度和回彈率的關(guān)系如表8所示。

由表8可以看出：

（1）各組混凝土一次噴射厚度在160～205 mm，鋼纖維降粘組的一次噴射厚度最大，可能是因?yàn)殇摾w維的加入使得噴射混凝土層間有纖維的拉應(yīng)力，提高了混凝土的粘聚性和抗自重脫落能力；降粘組的一次噴射厚度較小，但仍達(dá)到160 mm。

表8 混凝土倒筒時(shí)間、凈漿屈服應(yīng)力、塑性粘度與一次噴射厚度和回彈率的關(guān)系

（2）降粘組回彈率最低為6.5%，其余組回彈率在23.8%～44.8%變化。基準(zhǔn)組由于其本身粘度大、快速水化導(dǎo)致彈性模量大等特點(diǎn)，噴射時(shí)形成不連續(xù)的“脈沖”，粗骨料與砂漿更易被吹散，粗骨料大量回彈，混凝土噴射質(zhì)量差；降粘組混凝土在噴漿管中供料連續(xù)，不存在“脈沖”情況，混凝土以砂漿包裹粗骨料整體噴出，回彈率最小，證明降粘增強(qiáng)劑在低水膠比噴射混凝土中可有效提高混凝土的可噴性，保證噴射質(zhì)量。

（3）對(duì)于基準(zhǔn)組、引氣組和降粘組，隨著倒筒時(shí)間的延長(zhǎng)，一次噴射厚度及回彈率增大；隨著凈漿屈服應(yīng)力的增大，一次噴射厚度及回彈率增大；塑性粘度與一次噴射厚度和回彈率無顯著關(guān)系。

（4）引氣組混凝土的塑性粘度顯著降低，但混凝土一次噴射厚度及回彈率與基準(zhǔn)組差別不大，對(duì)噴射混凝土可噴性能的影響不大。這可能是由于噴射之前，含氣量的增加影響凈漿及混凝土的工作性，但是引氣組混凝土含氣量?jī)H為4%，在噴射過程中，由于風(fēng)壓的作用，含氣量難以穩(wěn)定，噴射到基體表面時(shí)含氣量已與基準(zhǔn)組含氣量相近，故一次噴射厚度與回彈率與基準(zhǔn)組相差不大。使用降粘增強(qiáng)劑降低回彈率的效果最為明顯，回彈率降低至6.5%；一次噴射厚度較基準(zhǔn)組低，但仍能達(dá)到160 mm，可噴射性能較基準(zhǔn)組有較大改善。

3 結(jié)論

（1）低水膠比混凝土變形性能越大，越容易泵送，即可輸送性好，但不是越大越好；Γ值越接近7，可噴性越理想，且與C30可噴性相比，證明低水膠比噴射混凝土流動(dòng)性較好是重要指標(biāo)。

（2）在一定范圍內(nèi)，混凝土的一次噴射厚度和回彈率隨著屈服應(yīng)力的增大而增大；混凝土的塑性粘度大小與一次噴射厚度和回彈率無顯著關(guān)系。

（3）使用降粘增強(qiáng)劑可明顯提高低水膠比噴射混凝土的可噴性，特別是回彈率明顯降低。