C30噴射混凝土力學(xué)與耐久性能分析

C30噴射混凝土力學(xué)與耐久性能分析

1實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

水泥：采用鶴林牌P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理性能。

骨料：粗骨料為5mm?10mm單粒級(jí)配石灰?guī)r質(zhì)碎石，表觀密

度2980kg/m3。細(xì)骨料為H區(qū)中型河砂,細(xì)度模數(shù)2.7,表觀密

度2630kg/m3,含泥量0.8%,泥塊含量0.5%。

外加劑：減水劑采用聚竣酸類高性能減水劑，減水率25%。速凝

劑分為液體無堿速凝劑和液體有堿速凝劑，主要成分分別為硫酸

鋁和鋁酸鈉，性能均符合GB/T35159-2017噴射混凝土用速凝劑

規(guī)定。

1.2配合比參數(shù)設(shè)計(jì)

參考噴射混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定

C25/C30噴射混凝土的配合比°在C30噴射混凝土配合比的基礎(chǔ)

上，研究不同水灰比（質(zhì)量比）（0.38,0.40,0.42,0.45）和不

同速凝劑種類（無堿速凝劑，有堿速凝劑）對(duì)噴射混凝土力學(xué)性

能與耐久性能的影響，具體配合比見表2,表3。其中，摻無堿

速凝劑的C30噴射混凝土記為“AFC30"、摻有堿速凝劑的C30

噴射混凝土記為“AKC30"，C30模筑混凝土記為“CMC30”，

C25噴射混凝土記為“AFC25”。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

力學(xué)性能按照GB/T50081-2019混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)

準(zhǔn)進(jìn)行，測試硬化混凝土Id,7d,28d,56d立方體抗壓強(qiáng)度。

耐久性能按照GB/T50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能

試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，主要測試內(nèi)容為抗水滲透性能、抗氯離子滲

透性能和抗碳化性能，其中抗水滲透性能采用滲水高度法，抗氯

離子滲透性能采用電通量法和RCM法。噴射混凝土試件成型采

用濕噴法工藝進(jìn)行，具體制備方法參考JGJ/T372-2016噴射混凝

土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程附錄B。模筑混凝土試件制備方法為：拌合物攪

拌均勻后置于相應(yīng)試模振動(dòng)成型，在溫度（20±2）°C、相對(duì)濕

度大于50%的室內(nèi)靜置Id后脫模并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。

2結(jié)果與討論

2.1力學(xué)性能

不同水灰比與速凝劑種類對(duì)C30噴射混凝土力學(xué)性能的影響如

圖1所不。由圖1(a模筑混凝土體系CMC30強(qiáng)度低，且后期強(qiáng)

度發(fā)展緩慢。濕法噴射工藝導(dǎo)致噴射混凝土內(nèi)部截留大量小孔徑

氣泡降低了結(jié)構(gòu)致密性，同時(shí)在速凝劑的作用下水化產(chǎn)物生成過

快，覆蓋在未水化的水泥顆粒表面從而影響噴射混凝土后期強(qiáng)度

發(fā)展。

比較兩種速凝劑對(duì)C30噴射混凝土的影響可以看出無堿速凝劑

摻入下的噴射混凝土強(qiáng)度在同一齡期均高于有堿速凝劑，且后期

強(qiáng)度保有率高，例如：無堿速凝劑摻入下AFC30的28d和56d

強(qiáng)度分別為同齡期模筑混凝土CMC30的85.5%和82.4%,而有堿

速凝劑摻入下AKC30的28d和56d強(qiáng)度分別為同齡期模筑混凝土

CMC30的68.7%和73.3%。造成該現(xiàn)象的原因主要在于無堿速凝

劑會(huì)與水泥顆粒反應(yīng)生成大量鈣磯石，雖然會(huì)使混凝土快速失去

流動(dòng)性但其不會(huì)完全覆蓋在水泥顆粒表面，因此無堿速凝劑對(duì)水

泥顆粒后期水化程度影響不大；有堿速凝劑與水泥顆粒反應(yīng)生成

的水化產(chǎn)物主要由水化鋁酸鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣組成，同時(shí)

含有少量C6-H凝膠，這些水化產(chǎn)物包裹在水泥顆粒表面并具有

良好的熱穩(wěn)定性，影響了水泥顆粒進(jìn)一步的水化，從而影響混凝

土后期強(qiáng)度發(fā)展。相似研究也表明有堿速凝劑快速消耗水泥奘溶

液中的C2+與SO2-4,石膏在水化的前20min內(nèi)就已消耗殆盡，

使得鋁酸三鈣進(jìn)一步水化生成溶解度更低的水化鋁酸鈣和單硫

型水化硫鋁酸鈣，阻礙了硅酸三鈣的溶解從而抑制其進(jìn)一步水化;

而無堿速凝劑的主要成分為硫酸鋁，含有充足的硫酸鹽控制鋁酸

三鈣的水化進(jìn)程，因而硅酸三鈣的水化得以正常進(jìn)行。

在強(qiáng)度等級(jí)方面，AKC30與AFC25均為摻無堿速凝劑的噴射混凝

土體系，其中AFC30的28d抗壓強(qiáng)度為40.7mPa,AFC25的28d

抗壓強(qiáng)度為33.7mPa,均大于理論配制強(qiáng)度，C30噴射混凝土的

強(qiáng)度相比C25噴射混凝土提高幅度在10.9%?24.0%范圍內(nèi)。

由圖1（b）可知，C30噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大

逐漸減小，其中0.38水灰比（質(zhì)量比）和0.40水灰比（質(zhì)量比）

的抗壓強(qiáng)度相差不大，當(dāng)水灰比（質(zhì)量比）提升至0.42和0.45

時(shí)，強(qiáng)度明顯下降，例如0.45水灰比（質(zhì)量比）時(shí)的56d抗壓

強(qiáng)度僅為0.40水灰比（質(zhì)量比）的77.9%。對(duì)于起結(jié)構(gòu)性支護(hù)作

用的噴射混凝土而言，其早期強(qiáng)度和28d強(qiáng)度通常要求較高，早

期強(qiáng)度一般取Id強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，我國GB50086-2015巖土錨桿與噴

射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范要求Id強(qiáng)度不小于8mPa,而

TB10753-2010高速鐵路水工隧洞工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)更是要

求Id強(qiáng)度不小于lOmPa。然而在施工現(xiàn)場中經(jīng)常存在混凝土“力口

水”現(xiàn)象，加水會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土的實(shí)際水灰比偏高從而影響強(qiáng)

度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)C30噴射混凝土的水灰比由0.40提高至

0.45時(shí),Id強(qiáng)度低于lOmPa；當(dāng)水灰比(質(zhì)量比)為0.42或0.45

時(shí)，28d強(qiáng)度均無法滿足C30的理論配制強(qiáng)度，因此在混凝土噴

射施工前嚴(yán)禁加水。

2.2耐久性能

2.2.1抗水滲透性能

已建和在建的水工隧洞工程調(diào)研結(jié)果表明，存在開裂滲水問題的

水工隧洞數(shù)量達(dá)到了70%,其中嚴(yán)重滲漏的水工隧洞數(shù)量達(dá)到了

1/3左右，素有“十隧九漏”的說法，因此研究噴射混凝土的抗

水滲透性能具有重要的工程意義。圖2為不同混凝土在1.2mPa

恒壓24h后的滲水高度情況，在成型工藝與速凝劑種類方面，

試件的抗?jié)B性由高到低依次為模筑混凝土體系CMC30(16.3mm)、

無堿速凝劑噴射混凝土體系A(chǔ)FC30(22.6mm)、無堿速凝劑噴

射混凝土體系A(chǔ)FC25(28.5mm)、有堿速凝劑噴射混凝土體系

AKC30(36.7mm)o噴射混凝土體系的整體強(qiáng)度及致密性不如模

筑混凝土體系導(dǎo)致其抗水滲透性能較差，AFC30的滲水高度為模

筑混凝土的1.39倍。有堿速凝劑對(duì)C30噴射混凝土抗?jié)B性的不

利影響更加明顯，其滲水高度相比無堿體系A(chǔ)FC30增加62.4%,

有研究表明有堿速凝劑會(huì)使水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松、微裂紋增加、

有害孔含量更多，因此降低了強(qiáng)度及耐久性能，相對(duì)而言無堿速

凝劑影響程度較小。在強(qiáng)度等級(jí)方面，C30噴射混凝土的滲水高

度相比噴射混凝土降低

C2520.7%0

如圖2(b)所示，C30噴射混凝土的抗水滲透性能隨著水灰比的

增加逐漸下降，與強(qiáng)度規(guī)律類似，當(dāng)水灰比較小時(shí)(0.38,0.40)

抗?jié)B性相差不大，當(dāng)水灰比繼續(xù)提高，抗?jié)B性下降明顯，例如在

0.45水灰比時(shí)試件的滲水高度已經(jīng)達(dá)到了51.2mm,約為0.40水

灰比的2.3倍。水灰比增加會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土內(nèi)部的孔隙率增加,

因而對(duì)外界水起到的阻力更小。

2.2.2抗氯離子滲透性能

近年來，在我國一些發(fā)達(dá)沿海地區(qū)逐漸興起海底水工隧洞建設(shè),

例如青島膠州灣海底水工隧洞、廈門翔安海底水工隧洞等。海洋

環(huán)境復(fù)雜多變，尤其是高濃度的氯離子侵蝕對(duì)噴射混凝土的耐久

性是一個(gè)巨大的考驗(yàn)，因此有必要對(duì)噴射混凝土的抗氯離子滲透

性能進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)。

由圖3（a）可知，在成型工藝方面，模筑混凝土體系的抗氯離

子滲透性能優(yōu)于噴射混凝土體系，AFC30試件的56d電通量和氯

離子遷移系數(shù)（DRM）分別為同配比模筑混凝土的1.13倍和1.07

倍。在速凝劑種類方面，有堿體系A(chǔ)KC30的抗氯離子滲透性能略

差于無堿體系A(chǔ)FC30,其56d電通量和氯離子遷移系數(shù)相對(duì)無堿

體系分別增加13.5%和4.5%,主要原因還是在于有堿速凝劑后期

對(duì)混凝土自身微結(jié)構(gòu)的破壞從而加快了CI—的侵蝕速度。在強(qiáng)度

等級(jí)方面，C30噴射混凝土的抗氯離子滲透性能相比C25噴射混

凝土有明顯提升，56d電通量和氯離子遷移系數(shù)分別下降20.6%

和19.8%。TB10005-2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范要求

對(duì)于設(shè)計(jì)使用年限為100年（例如水工隧洞等主體結(jié)構(gòu)）的C30

混凝土，其56d電通量應(yīng)小于1200C,56ddRCM應(yīng)不大于7X10

—12m2/s,由圖3（a）可知C30噴射混凝土的抗氯離子滲透性

能處于中等水平，無法滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。如圖3（b）所示，噴

射混凝土的抗氯離子滲透性能隨著水灰比的增大逐漸下降，相比

C30基準(zhǔn)組（0.40水灰比（質(zhì)量比）），0.45水灰比（質(zhì)量比）

時(shí)的56d電通量和氯離子遷移系數(shù)分別為基準(zhǔn)組的1.37倍和

1.30倍。當(dāng)水灰比降低至0.38時(shí)，試件的抗氯離子滲透性能提

升并不明顯，這表明單一提升噴射混凝土的強(qiáng)度不能有效解決抗

氯離子滲透性能較差的問題，大量研究表明在噴射混凝土中摻入

適量的粉煤灰或硅灰，能夠顯著提升噴射混凝土抗氯離子滲透性

能。因此，建議在氯鹽侵蝕環(huán)境較為嚴(yán)重的水工隧洞工程中復(fù)摻

一定比例的礦物摻合料如粉煤灰、硅灰等。

2.2.3抗碳化性能

由于水工隧洞內(nèi)部環(huán)境相對(duì)封閉，空氣中二氧化碳濃度及溫濕度

較高，噴射混凝土發(fā)生碳化的程度更高，碳化使得混凝土內(nèi)部堿

性下降易引起鋼筋銹蝕，因而影響水工隧洞整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

由圖4(a)可知，不同試件在碳化前期碳化速度較快，碳化后

期速度減緩。在成型工藝方面，模筑混凝土由于自身密實(shí)程度高,

抗碳化性能明顯優(yōu)于噴射混凝土體系，其中無堿體系A(chǔ)FC30與有

堿體系A(chǔ)KC30在28d碳化齡期時(shí)的碳化深度分別為12.4mm和

13.3mm,相對(duì)模筑混凝土分別增加24%和33%。有堿體系A(chǔ)KC30

的抗碳化性能相比無堿體系A(chǔ)FC30略差,28d碳化深度提高7.3%,

一方面歸因于自身強(qiáng)度及致密性不足導(dǎo)致C02早期擴(kuò)散速度較

快，另一方面有堿速凝劑的有效成分在水化過程中生成了大量堿

性化合物如氫氧化鈣等，使得可碳化物質(zhì)含量增加，同時(shí)碳化過

程中不斷生成CaC03等物質(zhì)充填在孔隙中從而緩解C02進(jìn)一步

侵入。同為無堿體系，C30噴射混凝土的抗碳化性能優(yōu)于C25噴

射混凝土，其28d碳化深度降低21.5%。

由圖4（b）可知，C30噴射混凝土的抗碳化性能隨著水灰比的增

加而下降，0.45水灰比（質(zhì)量比）時(shí)的28d碳化深度相比0.40

水灰比（質(zhì)量比）提高29.8%。碳化前期四種不同水灰比試件的

碳化深度差距不大，隨著碳化時(shí)間的延長差距愈加明顯。水灰比

增加，混凝土的孔隙率增大，密實(shí)性下降，有利于CO2的擴(kuò)散，

同時(shí)水泥用量相對(duì)減少，可碳化物質(zhì)的生成量降低，碳化速度因

此加快。當(dāng)水灰比（質(zhì)量比）降低至0.38時(shí)，，C30噴射混凝土的

28d碳化深度相比水灰比（質(zhì)量比）0.40時(shí)下降24.2%,說明控

制水灰比是提升噴射混凝土抗碳化性能的有效措施。

3結(jié)論

試驗(yàn)以C30噴射混凝土為研究對(duì)象，分析不同成型工藝（濕噴法、

模筑法）、水灰比（質(zhì)量比）（0.38,0.40,0.42,0.45）和速凝

劑種類（無堿速凝劑、有堿速凝劑）對(duì)C30噴射混凝土力學(xué)及耐

久性能的影響，并與C25噴射混凝土進(jìn)行對(duì)比，主要結(jié)論如下：

1）成型工藝方面，由于噴射混凝土特殊的施工工藝以及速凝劑

的影響，噴射混凝土的力學(xué)及耐久性能均不如同配比模筑混凝土。

無堿體系C30噴射混凝土的56d強(qiáng)度為同齡期模筑混凝土的

82.4%,滲水高度為模筑混凝土的1.39倍，56d電通量和氯離子

遷移系數(shù)分別為模筑混凝土的1.13倍和1.07倍，28d碳化深度

相比模筑混凝土增加24%o

2）水灰比因素方面，在水泥用量一定的情況下，隨著水灰比的

增大，噴射混凝土的力學(xué)及耐久性能均有所卜降。以0.45水灰

比（質(zhì)量比）為例，相比C30噴射混凝土基準(zhǔn)組