朱賢宇，楊生虎，翟勝田，張?jiān)粕?，田龍?/p>

(1.中交第三航務(wù)工程局有限公司南京分公司，南京 210011；2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189； 3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189)

0 引 言

噴射混凝土是指利用噴射機(jī)械，以壓縮空氣等為動(dòng)力將混凝土拌合物高速噴射到受噴面，并與速凝劑結(jié)合而迅速凝結(jié)的一種混凝土，分干噴混凝土和濕噴混凝土兩種[1-2]。目前較為常見的為干噴混凝土，但其自密性較差，揚(yáng)塵較多，回彈率較高，對(duì)施工人員的身體危害較大，而濕噴混凝土可以改善以上缺點(diǎn)，在作業(yè)面較小和空氣不流動(dòng)的環(huán)境下有較大的應(yīng)用和推廣價(jià)值[3-4]?；炷磷鳛閼?yīng)用最為廣泛的建筑材料，在現(xiàn)代化的建設(shè)中發(fā)揮著巨大的作用，而天然砂作為傳統(tǒng)混凝土的細(xì)骨料，越來越無法滿足日益增長(zhǎng)的混凝土用量的需求，特別是天然砂匱乏的西南地區(qū)，幾乎出現(xiàn)了無砂可用的現(xiàn)象[5-6]。用機(jī)制砂取代天然砂，是解決目前天然砂短缺非常經(jīng)濟(jì)的方法。洞渣作為隧道工程中開挖出來的廢渣，屬于必須廢棄或拋棄的廢石料，經(jīng)過合理的篩選和處理，再經(jīng)機(jī)械破碎制成機(jī)制砂，可作為噴射混凝土的細(xì)骨料使用。洞渣經(jīng)過合理的調(diào)配，資源的優(yōu)化配置，可以充分發(fā)揮其效益，真正做到變廢為寶，這樣既節(jié)約了資源，又有利于環(huán)境保護(hù)[7-8]。

洞渣機(jī)制砂與天然砂相比，石粉含量和泥含量超標(biāo)，粒形較差多呈片狀結(jié)構(gòu)，顆粒級(jí)配不夠理想波動(dòng)較大，極易致使新拌噴射混凝土和易性較差，回彈率較高和強(qiáng)度較低。因此，本研究以隧道開挖過程中的洞渣所制的機(jī)制砂，且根據(jù)工程實(shí)際情況并以普通噴射混凝土的施工經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，配制出性能符合要求的CSWSC。采用粉煤灰和粉煤灰微珠對(duì)CSWSC進(jìn)行改性，通過室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)和小型試噴試驗(yàn)，調(diào)整和確定最佳的配合比方案，并對(duì)噴射混凝土的性能進(jìn)行研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)采用南京小野田水泥廠生產(chǎn)的P·Ⅱ 42.5硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)參數(shù)見表1；礦物摻合料為貴州某電廠生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰及粉煤灰微珠，其中石英9.2%、莫來石15.3%、玻璃相75.5%，粉煤灰的化學(xué)組成見表2，粉煤灰微珠，比表面積1 350 m2/kg,需水量87%，堆積密度660 kg/m3，燒矢量為0.74%；減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸型高效減水劑，固含量30%，減水率40%；速凝劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的KJ-2液體速凝劑，固含量47%，水泥凈漿的初凝時(shí)間4 min，終凝時(shí)間8 min；水為南京市自來水，符合國(guó)家自來水使用標(biāo)準(zhǔn)；細(xì)骨料為貴州高速公路姑兩隧道開挖的洞渣經(jīng)過機(jī)械破碎所得的機(jī)制砂，成分以二氧化硅和白云母為主，洞渣機(jī)制砂各項(xiàng)檢查指標(biāo)見表3，其石粉含量大于15%，采用風(fēng)選法處理后為13%，粗骨料采用5～10 mm的連續(xù)級(jí)配的玄武巖碎石，最大粒徑不大于10 mm。

表1 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of cement

表2 粉煤灰化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of fly ash /wt%

表3 機(jī)制砂檢查指標(biāo)表Table 3 Performance index of machine-made sand

1.2 試驗(yàn)方法

洞渣機(jī)制砂提前經(jīng)過晾曬、過篩和風(fēng)選處理，且在飽和面干狀態(tài)下堆積存放。CSWSC的制備過程：首先將洞渣機(jī)制砂和膠凝材料干拌均勻，再加入80%(總用水量)的水和減水劑，待拌合物漿體具有一定流動(dòng)度后加入剩余的水。所有試驗(yàn)中速凝劑都在坍落度及擴(kuò)展度測(cè)試之后添加，濕噴試驗(yàn)時(shí)由濕噴機(jī)器控制與拌合物一起噴出。

噴射混凝土的拌合物性能、干表觀密度測(cè)試按照標(biāo)準(zhǔn)JGJT 372—2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行?；炷亮W(xué)性能根據(jù)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，抗壓試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。小型濕噴試驗(yàn)采用產(chǎn)能為5 m3/h的小型施工用濕噴機(jī)(TK500型濕噴機(jī))進(jìn)行試件噴射成型，檢驗(yàn)混凝土優(yōu)化配合比后拌合物的工作性能。試件成型后，到測(cè)試齡期時(shí)，將試塊按規(guī)定尺寸進(jìn)行切割，并進(jìn)行性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 洞渣機(jī)制砂噴射混凝土初始配合比設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

噴射混凝土作為一種施工工藝特殊的混凝土,應(yīng)根據(jù)多種因素來考慮,不但要滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求,又要兼顧施工工藝的要求,并通過試噴來確定。因此按照J(rèn)GJ 55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范和工程要求對(duì)噴射混凝土的性能指標(biāo)進(jìn)行基準(zhǔn)配合比的設(shè)計(jì)。最終經(jīng)計(jì)算確定基準(zhǔn)配合比，水泥∶機(jī)制砂∶碎石∶水∶減水劑∶速凝劑=423∶847∶847∶182∶4.23∶29.6。

按基準(zhǔn)配合比進(jìn)行試配，坍落度、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、強(qiáng)度值等性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)值如表4所示，它們都滿足配合比設(shè)計(jì)規(guī)程的規(guī)范要求。但按基準(zhǔn)配合比配制的拌合物工作性能、黏附性能較差，狀態(tài)松散，石子裸露，且回彈率高達(dá)29%。這主要是因?yàn)槎丛鼨C(jī)制砂石粉含量和泥含量超標(biāo)，粒形較差多呈片狀結(jié)構(gòu)，顆粒級(jí)配不夠理想波動(dòng)較大所造成的。因此，需要在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善CSWSC的性能，使其滿足噴射混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范和工程施工的要求。

表4 基準(zhǔn)配合比性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of concrete base mix ratio

2.2 洞渣機(jī)制砂噴射混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 單方用水量

通過基準(zhǔn)配合比的試驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，混凝土拌合物工作性能很差，主要因?yàn)闄C(jī)制砂多棱角且片狀粒形較多，表面積較大，石粉含量較高，需水量較大，混凝土拌合物黏聚性較大，流動(dòng)性較差。因此，在基準(zhǔn)配合比的條件下，采用不同單方用水量來改善混凝土拌合物的工作性，所以設(shè)計(jì)W-1～W-3組試驗(yàn)。噴射混凝土配合比各材料單位用量如表5所示。

表5 不同單方用水量的噴射混凝土配合比Table 5 Mix design of shotcrete of different unilateral water consumption

圖1所示為不同單方用水量的CSWSC工作性能和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，W-1～W-3組是在基準(zhǔn)配合比的條件下，逐漸增大單方用水量，隨著單方用水量的增加，能夠明顯降低混凝土拌合物的塑性黏度和增加流動(dòng)性。圖1(a)和(b)可以看出，CSWSC的坍落度和擴(kuò)展度隨著單方用水量的增大而逐漸增大。當(dāng)水膠比為0.45時(shí)，噴射混凝土拌合物的坍落度/擴(kuò)展度達(dá)到165 mm/192 mm，此時(shí)拌合物表面出現(xiàn)輕微泌水現(xiàn)象，黏聚性明顯下降，水泥漿體增多，拌合物中石子裸露情況亦有所改善。當(dāng)繼續(xù)增加水膠比為0.47時(shí)，拌合物的坍落度/擴(kuò)展度繼續(xù)增大到185 mm/223 mm，此時(shí)拌合物黏聚性變小，流動(dòng)性變大，有泌水現(xiàn)象發(fā)生。繼續(xù)增大水膠比為0.50，拌合物坍落度/擴(kuò)展度達(dá)到200 mm/256 mm，此時(shí)拌合物的工作性能較差，黏聚性和保水性較差，出現(xiàn)嚴(yán)重泌水現(xiàn)象。由圖1(c)可以得到，隨著單方用水量的增大，W-1～W-3組噴射混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，分別為37.8 MPa、36.9 MPa、35.7 MPa，降低幅度較小，且滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20混凝土和工程施工的要求。

通過以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出，增加單方用水量可以改善混凝土拌合物的工作性能，但是當(dāng)單方用水量過大時(shí)會(huì)造成CSWSC拌合物出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，不利于CSWSC的泵送和噴射。因此，適當(dāng)?shù)卦黾訂畏接盟靠梢愿纳茋娚浠炷恋墓ぷ餍阅埽莾H僅通過增大單方用水量不能使拌合物的工作性能滿足噴射混凝土的泵送和噴射要求。綜合考慮，確定水膠比為0.45較為合適，同時(shí)，需要繼續(xù)進(jìn)行其他影響因素的試驗(yàn)。

圖1 不同單方用水量試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Experimental results of different unilateral water consumption

2.2.2 砂率

要配置工作性良好的混凝土可以適當(dāng)增加砂率，對(duì)于洞渣機(jī)制砂而言增加砂率，混凝土拌合物中石粉含量會(huì)增大，石粉將有助于混凝土工作性和強(qiáng)度的改善[9-10]。因此，設(shè)計(jì)砂率分別為50%、55%、60%的S-1～S-3組試驗(yàn)，其混凝土配合比各材料單位用量如表6所示。

表6 不同砂率組成的配合比Table 6 Mix design of shotcrete of different sand ratio

圖2為不同砂率下噴射混凝土的工作性能和力學(xué)性能的研究結(jié)果。通過單方用水量試驗(yàn)，在本組試驗(yàn)中固定水膠比為0.45，并且保持單方水泥用量不變，逐漸增大砂率。由圖2(a)和(b)可以看出，隨著砂率的增加，噴射混凝土拌合物的工作性能發(fā)生了較為顯著的變化。當(dāng)砂率由50%提高到55%時(shí)，CSWSC拌合物的坍落度/擴(kuò)展度由165 mm/192 mm增加到173 mm/213 mm。繼續(xù)增加混凝土的砂率到60%，此時(shí)拌合物的工作性能改善更為明顯，拌合物的坍落度/擴(kuò)展度達(dá)到186 mm/236 mm。隨著混凝土砂率的不斷增加，拌合物中的石粉含量也在不斷增加，石粉在水泥漿體中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但其存在一定的尺寸效應(yīng)，會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響[11-12]。由圖2(c)可以看出，當(dāng)砂率由50%增加到55%時(shí)，混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度由37.8 MPa增加到38.9 MPa，而繼續(xù)增加砂率為60%時(shí)，混凝土28 d強(qiáng)度為36.2 MPa。

圖2 不同砂率組成的配合比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Experimental results of different sand ratio

由以上結(jié)果分析可知，砂率對(duì)CSWSC拌合物的工作性能有明顯的改善，而對(duì)力學(xué)性能的改善作用相對(duì)較小。隨著砂率的不斷提高，混凝土拌合物中粗骨料的含量不斷減小，因此拌合物中所需的漿體量有所減少，拌合物的工作性能發(fā)生了改善，流動(dòng)性變大，所以此3種砂率均可作為噴射混凝土濕噴試驗(yàn)組。

2.2.3 粉煤灰及粉煤灰微珠

粉煤灰是一種質(zhì)地致密、表面光滑、粒度較細(xì)、對(duì)水的吸附力小、流動(dòng)性好的球狀顆粒[13-14]。粉煤灰微珠是經(jīng)過合理的提取方法從粉煤灰中得到的一種全球狀、連續(xù)粒徑分布的實(shí)心高附加值珠體[15]。將適量的粉煤灰或微珠摻入混凝土拌合物中，其火山灰效應(yīng)和尺寸效應(yīng)大幅度地提高和改善了混凝土拌合物的保水性、坍落度損失、和易性及密實(shí)度。同時(shí)粉煤灰可以改善混凝土各種物相之間的結(jié)合情況，改善其過渡區(qū)的薄弱環(huán)節(jié)，在一定程度上提高混凝土的強(qiáng)度[16-17]。因此，本試驗(yàn)通過摻加粉煤灰和粉煤灰微珠來研究CSWSC的工作性能和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)F-1～F-5組試驗(yàn)，其混凝土配合比各材料單位用量如表7所示。

表7 粉煤灰及粉煤灰微珠組成配合比Table 7 Mix design of shotcrete for mixing with fly ash and microspheres

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，不同的砂率條件下CSWSC拌合物的性能不同，因此在摻加粉煤灰和微珠試驗(yàn)組，選取了不同的砂率探究粉煤灰和微珠對(duì)混凝土拌合物性能和力學(xué)性能的影響[18-19]。圖3為不同砂率及摻加粉煤灰及微珠下噴射混凝土拌合物的性能及力學(xué)性能。通過工程要求、參考文獻(xiàn)、經(jīng)濟(jì)等綜合因素考慮控制粉煤灰和微珠摻量為膠凝材料質(zhì)量的20%時(shí)，同時(shí)控制砂率分別為50%、55%和60%。由圖3(b)和(c)可以看出，當(dāng)控制砂率為50%時(shí)，摻加20%的粉煤灰可以顯著改善混凝土拌合物的性質(zhì)，坍落度/擴(kuò)展度達(dá)到189 mm/228 mm，黏聚性和保水性表現(xiàn)更佳，拌合物的工作性能得到較大改善，同時(shí)力學(xué)性能也有改善，抗壓強(qiáng)度增加8%。這是由于粉煤灰顆粒的球形結(jié)構(gòu)在骨料中發(fā)揮滾動(dòng)作用改善了拌合物的流動(dòng)性，同時(shí)粉煤灰顆粒填充在混凝土拌合物的空隙中增加了密實(shí)度，從而強(qiáng)度增加。同時(shí)在粉煤灰摻量不變的條件下，增加砂率為55%，此時(shí)坍落度/擴(kuò)展度由189 mm/228 mm增加到197 mm/261 mm，拌合物的工作性能發(fā)生改善。其中F-3和F-4組是摻加20%粉煤灰和粉煤灰微珠的試驗(yàn)組，由所得試驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于微珠比粉煤灰球形結(jié)構(gòu)更加規(guī)則，所以在摻量相同的條件下坍落度值更大，流動(dòng)性更好。但是由于其吸附水能力沒有粉煤灰大，所以在相同條件下保水性稍差。表中F-5組是在粉煤灰摻量不變的條件下，調(diào)整砂率為60%的混凝土拌合物性質(zhì)，可以看出混凝土的坍落度/擴(kuò)展度值增加到223 mm/310 mm，黏聚性和保水性依然很好，28 d強(qiáng)度降至35.7 MPa，但是滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。

圖3 粉煤灰及粉煤灰微珠組成配合比試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of fly ash and microspheres

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加粉煤灰和粉煤灰微珠在CSWSC中，混凝土拌合物的坍落度、黏聚性和保水性等性能發(fā)生了較為明顯的改善，同時(shí)由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，改變了界面過渡區(qū)的結(jié)合情況，從而改善了混凝土的抗壓強(qiáng)度。所以加入粉煤灰和粉煤灰微珠可以更好地減少洞渣機(jī)制砂本身的缺陷，改善其工作性能，使其更好地滿足工程規(guī)范的要求，更好地服務(wù)于噴射混凝土的現(xiàn)場(chǎng)施工。所以綜合考慮確定水膠比為0.45的條件下，粉煤灰摻量為20%合適。

2.3 小型試噴試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)優(yōu)化配合比之后噴射混凝土的噴射效果，回彈率和強(qiáng)度等性能是否滿足施工和強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，本研究采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果較為優(yōu)異的幾組配合比進(jìn)行小型試噴試驗(yàn)，試驗(yàn)采用5 m3/h的小型施工用濕噴機(jī)(TK500型濕噴機(jī))進(jìn)行試噴。測(cè)試試件噴射成型，養(yǎng)護(hù)到測(cè)試齡期后，將試塊按規(guī)定尺寸進(jìn)行切割，并進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試[20-21]。設(shè)計(jì)SH-1、SH-2、SH-3、SH-4組試驗(yàn)分別表示砂率為50%未摻加粉煤灰、砂率為50%摻加20%粉煤灰、砂率為55%摻加20%粉煤灰和砂率為60%摻加20%粉煤灰，水膠比為0.45。所采用試驗(yàn)混凝土配合比各材料單位用量如表8所示。

表8 濕噴試驗(yàn)組配合比Table 8 Mix design of jetting test groups /(kg/m3)

圖4 試噴試驗(yàn)組配合比試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of mix proportion of trial injection test

圖4為不同配合比條件下材料的抗壓強(qiáng)度與回彈率結(jié)果。由圖4可以看出，4種配合比條件下的試噴試驗(yàn)工作性能表現(xiàn)稍有差異，在試噴過程中，SH-1未摻加粉煤灰試驗(yàn)組濕噴效果不太理想，時(shí)有堵塞導(dǎo)管的現(xiàn)象發(fā)生，且回彈較高達(dá)到15.6%。SH-2、SH-3和SH-4組工作性能較好，在噴射過程中罕有堵塞導(dǎo)管現(xiàn)象發(fā)生，泵送及濕噴過程較為流暢。此濕噴試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果較為吻合，粉煤灰對(duì)CSWSC的改善作用最為明顯，初凝時(shí)間都在2 min左右，終凝時(shí)間在5～8 min之間，回彈率分別為10.2%、9.7%和8.6%，28 d試樣抗壓強(qiáng)度大于30 MPa，滿足工程規(guī)范要求和設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

由以上小型試噴試驗(yàn)結(jié)果分析可知，摻加粉煤灰的不同試驗(yàn)組工作性能良好，試噴過程中沒有堵塞導(dǎo)管現(xiàn)象的發(fā)生，凝結(jié)時(shí)間、回彈率和抗壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)滿足工程規(guī)范要求，因此，通過濕噴試驗(yàn)結(jié)果表明，可以將水膠比為0.45，粉煤灰摻量為20%，砂率分別為50%、55%和60%的優(yōu)化配合比作為現(xiàn)場(chǎng)濕噴施工配合比。

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)洞渣機(jī)制砂細(xì)骨料性能的測(cè)試分析和基準(zhǔn)配合比的試噴試驗(yàn)，獲得了影響CSWSC性能的關(guān)鍵因素，提出了通過增加單方用水量、改變砂率和摻加礦物摻合料的方法來改善CSWSC的工作性能和力學(xué)性能。

(2)通過CSWSC室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，增加單方用水量、提高砂率和摻加適量的礦物摻合料，可以顯著改善CSWSC的工作性能，拌合物的坍落度/擴(kuò)展度與基準(zhǔn)配合比相比由85 mm增加到165～223 mm的范圍內(nèi)，有效地保障了CSWSC的工作性能和結(jié)構(gòu)物的力學(xué)性能。

(3)小型試噴試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)控制粉煤灰摻量為20%，水膠比為0.45，砂率分別為50%、55%和60%時(shí)，CSWSC工作性能、可泵送性能及噴射性能良好，且初凝時(shí)間在2 min左右，終凝時(shí)間在5～8 min之間，回彈率為10%左右，28 d試樣抗壓強(qiáng)度大于30 MPa，符合工程規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)施工和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。