王子明，蔡揚揚，李文秀，王 莊，劉 瑋

（1.北京工業(yè)大學材料科學與工程學院，北京 100124；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所，北京 100081；3.云南凱威特新材料股份有限公司，云南昆明 652100）

1 概述

噴射混凝土是將膠凝材料、骨料等按一定比例拌制的混凝土拌和物送入噴射設(shè)備，借助壓縮空氣或其他動力，高速噴射至受噴面所成型的一種混凝土［1］。不同于澆筑成型的混凝土，噴射混凝土具有快速凝結(jié)硬化特點，不需要模具，是一種理想的結(jié)構(gòu)防護和支護材料。噴射混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于隧道和礦山工程。近年來，噴射混凝土在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中起到越來越重要的作用，用量呈不斷上升趨勢。特別是隨著我國“西部開發(fā)”和“一帶一路”倡議的不斷推進，西部地區(qū)高速鐵路、公路建設(shè)過程中隧道越來越多，對噴射混凝土的力學性能、耐久性等提出了很高要求。除隧道工程之外，噴射混凝土還在水利水電、邊坡支護、礦山、地下工程等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

噴射混凝土配制與施工需要各種化學外加劑，一般包括速凝劑、黏度調(diào)節(jié)劑和界面黏結(jié)劑［2］，其中最重要的是速凝劑。噴射混凝土用速凝劑是指能使混凝土快速由塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛不癄顟B(tài)的化學外加劑。一般情況下，噴射混凝土用速凝劑應(yīng)兼具速凝和早強作用。速凝劑的品種和摻量選擇是以滿足噴射混凝土的凝結(jié)時間和早期強度為主要依據(jù)。噴射混凝土快速凝結(jié)硬化能保證混凝土一次性達到噴射厚度而不會滑移或者脫落，從而加快噴射施工進度。隨著噴射混凝土性能要求的逐步提高，特別是噴射環(huán)境的清潔安全和資源節(jié)約要求，噴射混凝土工藝逐步由干法噴射向濕法噴射發(fā)展，相應(yīng)地無堿液體速凝劑將逐步取代堿性粉狀速凝劑。

雖然噴射混凝土已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，但是對于噴射混凝土用速凝劑的檢測和性能評價方法還有許多爭議。常用吉爾摩針或者維卡儀測定摻加速凝劑漿體的凝結(jié)時間來評價速凝劑的快速凝結(jié)性能［3-4］，采用摻加速凝劑砂漿的1 d 抗壓強度評價速凝劑促進水泥混凝土硬化性能，有時也采用6 h 或者12 h 的強度，性能指標評價標準不夠統(tǒng)一。

2 速凝劑檢測方法和性能指標評價分析

噴射混凝土用速凝劑性能指標測試結(jié)果與檢測條件和檢測方法有關(guān)，而各個國家和行業(yè)對速凝劑凝結(jié)時間的檢驗方法各有不同，對評價指標要求也不盡相同。因此，如何采用適當?shù)脑囼灧椒ㄔu價速凝劑的性能變得越來越重要。

2.1 凝結(jié)時間的檢測和評價方法

摻加速凝劑凈漿或砂漿的凝結(jié)時間一般在10 min之內(nèi)，其攪拌、成型和測定流程與普通水泥凈漿或砂漿有明顯區(qū)別［5-6］。不同標準規(guī)定的測試儀器也不相同。除美國（ASTM C1398—07）規(guī)定采用吉爾摩針之外，歐洲標準和中國標準都規(guī)定采用維卡儀。此外，有些標準（GB/T 35159—2017，ASTM C1102—94 和JT/T 1088—2016）規(guī)定采用摻加速凝劑凈漿樣品檢測凝結(jié)時間，也有標準（BS EN 480-2—2006和JSCE-D 102—2005）規(guī)定采用砂漿樣品檢測凝結(jié)時間。

用摻加速凝劑的砂漿樣品檢測凝結(jié)時間能更好地反映噴射混凝土的凝結(jié)性能，但是由于細骨料的存在檢測結(jié)果波動性會更大。不同標準規(guī)定的操作過程也有差異，導致最終檢測結(jié)果存在波動。不同標準中規(guī)定的摻加速凝劑凈漿、砂漿的凝結(jié)時間檢測方法分別見表 1 和表 2。其中：W/C為水灰比；S/C為砂灰比。

表1 不同標準規(guī)定的摻加速凝劑凈漿凝結(jié)時間的檢測方法及要求

表2 不同標準規(guī)定的摻加速凝劑砂漿凝結(jié)時間的檢測方法及要求

采用摻加速凝劑水泥凈漿檢測凝結(jié)時間的各種方法中，ASTM C1102—94 中規(guī)定凈漿的水灰比在0.24～0.30，且其中水量不扣除液體速凝劑中的用水量。在其他條件不變情況下，水灰比越大，測得的摻加速凝劑水泥凈漿凝結(jié)時間越長。中國國家標準GB/T 35159—2017和公路工程標準JT/T 1088—2016都規(guī)定采用水灰比0.35 的水泥凈漿，但是JT/T 1088—2016 中規(guī)定凝結(jié)時間檢測時摻入了減水劑，檢測出的凝結(jié)時間實際上受到了速凝劑和減水劑共同影響，問題是沒有規(guī)定檢測用的標準減水劑，而不同類型減水劑對摻加速凝劑凈漿凝結(jié)時間的影響不同。煤炭行業(yè)標準MT/T 780—1998 中規(guī)定采用水灰比0.40 的凈漿檢測凝結(jié)時間，主要檢測對象是粉體速凝劑，且固定摻量為4%（16 g）。

不同摻加方法和水泥溫度對凝結(jié)時間和強度發(fā)展有顯著影響［16］。Kim 等［17］研究了水灰比對凝結(jié)時間的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 水灰比對凝結(jié)時間的影響

由圖1可見：無論是初凝時間還是終凝時間，同摻法比后摻法明顯縮短。其中水灰比每增加0.01，初凝時間延長約30 s；水灰比從0.31 增至0.37，初凝時間相差約180 s，因此給摻加速凝劑凈漿凝結(jié)時間評價帶來困難。

噴射混凝土現(xiàn)場施工條件與實驗室標準試驗條件有較大區(qū)別，實際施工時并不能獲得與標準試驗條件相同的效果。此外，即使同一品種水泥也可能存在不同批次間的差異（組成、細度及活性）。因此，使用速凝劑前必須進行原材料相容性試驗［18］。液體速凝劑產(chǎn)品又分為懸浮型和溶液型，一般含固量比較高（40%～60%）、黏度大。如果采用燒杯直接加入，粘壁部分很難快速全部加入攪拌容器內(nèi)，即使預留部分拌和水也很難沖洗干凈粘壁部分，對檢測結(jié)果也有直接影響，所以GB/T 35159—2017 中規(guī)定采用塑料醫(yī)用注射器注入，避免了粘壁殘留影響摻量。

2.2 摻加速凝劑砂漿抗壓強度檢測方法

GB/T 35159—2017 中要求摻加速凝劑砂漿1 d 抗壓強度不小于7.0 MPa，摻加速凝劑砂漿28 d 抗壓強度與未摻速凝劑砂漿的抗壓強度之比不小于70%，并且規(guī)定摻加速凝劑砂漿90 d 的抗壓強度（R90 d）不低于未摻速凝劑砂漿28 d 抗壓強度（R028 d）。摻加速凝劑砂漿強度的測試方法，不同標準規(guī)定也不盡相同，見表3。表中：f為抗壓強度比。

表3 摻加速凝劑砂漿抗壓強度的攪拌工藝及指標要求

中國國家標準和行業(yè)標準中，測定摻加速凝劑砂漿抗壓強度時砂漿W/C為0.5，S/C為1.5，而國外大多數(shù)標準中規(guī)定砂漿的W/C為0.5，S/C為3.0。中國公路工程標準JT/T 1088—2016 中規(guī)定砂漿W/C為0.5，S/C為2.0，并摻加減水劑。

日本行業(yè)標準JSCE-D102—2005 中，要求摻加速凝劑砂漿12 h 抗壓強度大于1.0 MPa，1 d 抗壓強度大于9.0 MPa，中國國家標準GB/T 35159—2017 中對于12 h抗壓強度沒有要求，對1 d抗壓強度要求也相對較低（7.0 MPa）。在歐洲和美國標準中對1 d 抗壓強度未作規(guī)定。中國煤炭行業(yè)標準MT/T 780—1998 中未規(guī)定1 d 抗壓強度絕對值，只是要求1 d 抗壓強度比不小于105%。

對于噴射混凝土而言，噴射到受噴面后混凝土強度能夠快速增長是一次性達到噴射厚度和后續(xù)施工的保證。所以日本行業(yè)標準JSCE-D 102—2005 中規(guī)定了12 h 抗壓強度指標，甚至要求噴射后6 h 噴射砂漿抗壓強度大于1.0 MPa。

歐洲標準EN 14487-1：2005 將噴射后24 h 之內(nèi)的混凝土抗壓強度定義為幼齡期噴射混凝土抗壓強度，其等級劃分見圖 2［19］。

圖2 幼齡期噴射混凝土抗壓強度等級劃分

由圖2可知：幼齡期噴射混凝土抗壓強度可分為3個等級（J1，J2和J3）。至少 3 個點落在A線和B線之間定義為J1等級；至少3個點落在B線和C線之間定義為J2等級；至少3個點落在C線之上定義為J3等級。幼齡期噴射混凝土抗壓強度的測定方法按照歐洲標準BS EN 14488-2—2006［20］中幼齡期噴射混凝土抗壓強度試驗進行。幼齡期噴射混凝土抗壓強度在0.2～1.2 MPa時按照方法A測定；抗壓強度在2～16 MPa時按照方法B測定［20］。

美國標準對噴射混凝土強度的檢測方法沒有規(guī)定，但在ACI 506.2—2013 中提出，噴射混凝土的最低強度應(yīng)滿足ACI 301—2010中所規(guī)定的，即28 d抗壓強度不低于28 MPa，28 d抗彎強度不低于2.8 MPa。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段不同國家和行業(yè)標準中摻加速凝劑漿體凝結(jié)時間和強度檢測方法不統(tǒng)一，造成了速凝劑性能檢測結(jié)果和評價的不確定性。在試驗室檢測過程中，應(yīng)嚴格按照國家標準GB 35159—2017 中規(guī)定的攪拌時間和操作規(guī)程進行，過度攪拌會導致?lián)郊铀倌齽{體的凝結(jié)時間異常延長。

實驗室標準的環(huán)境及原材料條件下評價的速凝劑產(chǎn)品自身性能，并不能反映現(xiàn)場噴射混凝土的噴射效果和工藝參數(shù)的合理性。原材料、溫度、是否同時摻加其他化學外加劑、環(huán)境溫度等都會對摻加速凝劑凈漿或砂漿的凝結(jié)時間和強度發(fā)展產(chǎn)生顯著影響。噴射混凝土在摻加速凝劑前須進行原材料相容性試驗，以確定速凝劑的合理摻量，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境（溫度、濕度等）的變化隨時調(diào)整，保證噴射混凝土的質(zhì)量和噴射效果。噴射混凝土施工是一項復雜的系統(tǒng)工程，除了控制材料之外，噴射設(shè)備類型、噴射操作技術(shù)、環(huán)境條件等綜合匹配才能確保達到噴射混凝土的力學性能和耐久性要求。