高强超微外加剂在喷射混凝土中的运用-尹大祥

科技创新导报2017NO.03ScienceandTechnologyInnovationHerald工程技术科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald16在矿井支护、隧道、大坝等工程中，混凝土由于施工难度剧增，并时刻面临着安全风险。喷射混凝土对现场适应性强，施工速度快等优良性能得到广泛的应用，喷射混凝土其支护方法和施工技术尤为重要，直接与安全、造价、质量和进度相关。但喷射混凝土存在强度底，回弹率大，滴水处往往导致喷射混凝土无法施设或喷射后出现严重剥落现象等缺陷，研制出性能优良的喷射混凝土对提高支护强度，减少浪费具有重要意义。高强超微能喷射混凝土外加剂是新一代混凝土外加剂的一种全新产品，其工作原理为通过添加防水材料和减水成分增加混凝土的密实性，提高混凝土抵抗不良水质侵入的能力。通过添加高性能引气剂提高混凝土的抗冻融性和耐久性;通过复合阻锈防腐蚀剂获得不良水质侵①作者简介：尹大祥(1966—)，男，四川德阳人，本科，工程师：研究方向：土木建筑。DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.03.016高强超微外加剂在喷射混凝土中的运用①尹大祥1王宏波2刘瑛2袁慧莉2李国臣3(1.川铁国际经济技术合作有限公司;2.四川恒泽建材有限公司;3.中铁十八局集团有限公司四川成都610000）摘要：喷射混凝土常用的掺合料有硅灰、粉煤灰、磨细矿碴和磨细沸石。该文所介绍的是另一种喷射混凝土的掺合料，此掺合料解决了传统喷射混凝土存在的强度底，回弹率大，滴水处往往导致喷射混凝土无法施设或喷射后出现严重剥落现象等缺陷，极大地改善了喷射混凝土的各项性能，经试验室和现场试验验证，该掺合料喷射混凝土除能满足强度要求外，还具有很好的耐腐蚀性，后期强度高，且大大减少了回弹量，具有较高的经济、技术价值。该研究的成果不仅能直接应用到隧洞的安全施工中，更为今后类似工程的设计和施工提供参考。关键词：高强超微喷射混凝土外加剂原材料回弹量质量成本中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1674-098X(2017)01(c)-0016-04试验项目试验结果氯离子含量(%)0.044总碱量(Na2O＋0.658K2O)(%)0.260掺量（%）6凝结时间，掺速凝剂4%、超微6%初凝(min:s)2:09终凝(min:s)4:20掺速凝剂4%,1d抗压强度(MPa)11.6掺速凝剂、超微6%，1d抗压强度(MPa)19.9掺速凝剂4%，28d抗压强度比R(%)78掺超微6%，28d抗压强度比R(%)124表1速凝剂性能检测试验项目试验结果试验项目试验结果减水率(%)38.0氧化镁(%)0.36含气量(%)2.6比表面积(m2/kg)17050泌水率(%)0抗蚀系数()1.03压力泌水率(%)（用于配制泵送混凝土时）0膨胀系数（）01h含气量经时变化量(%)0.3收缩率比(%)80坍落度1h经时变化量(mm)（用于配制泵送混凝土时）0相对耐久性指标(200次)(%)95抗压强度比（%）1d3607d2213d26428d201表2减水与防腐性能检测科技创新导报2017NO.03ScienceandTechnologyInnovationHerald工程技术科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald17入后的正面对钢筋及混凝土防护。该外加剂能够有效提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的性能，对已经发生锈蚀或未发生锈蚀的钢筋混凝土结构进行保护，阻止因氯离子、碳化或杂散电流等各种原因造成的钢筋锈蚀。它突破了混凝土外加剂的传统理念，开创了使用新方法，从根本上解决了传统喷射混凝土的诸多不足和局限性。高强超微喷射混凝土外加剂是在普通喷砼基础上研制出的特殊外加材料，以使喷砼在其性能上满足线、滴状出水条件下的喷射工艺，极大地改善了喷射混凝土的各项性能，该喷射混凝土除能满足强度要求外，还具有很好的耐腐蚀性，后期强度高，且大大减少了回弹量，具有较高的经济、技术价值。确保了隧洞安全、经济和高效施工。高强超微喷射混凝土外加剂加入喷砼明显增强，强度不足的问题可完全解决。该产品在相同速凝剂掺量的情况下，因用水量减少，凝结时间至少快一半以上，并且对速凝剂降强有抑制作用。凝结时间快，解决了喷射砼喷后放炮与喷射自重承受不了掉下来的问题，拌制出的喷砼料流动度工作性极佳，不泌水与板结，且坍损极小，解决了因坍落度损失,无法泵送所造成的弃料现象。回弹量至少会降2/3以上，节约了成本。1高强超微喷射混凝土外加剂主要质量指标及其检测结果指标如表1、表2、表3所示，检测指标证实高强超微喷射混凝土外加剂具有耐腐蚀、抗冻融、高强度、不渗透、收缩小、减水率高的优异性能。2高强超微喷射混凝土外加剂喷射混凝土中的优点该产品经过在拉林线铁路、成昆铁路、石黔高速公路等工程中的使用，总结出以下结论。(1)高强超微喷射混凝土外加剂能够填充水泥颗粒间的孔隙，显著提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能。具有保水、防止离析、泌水、大幅降低砼泵送阻力的作用。显著延长砼的使用寿命，特别是在氯盐污染侵蚀、硫酸盐侵蚀、高湿度等恶劣环境下，可使砼的耐久性提高一倍甚至数倍，还可提高单次喷层厚度，是高强砼的必要成份，喷后能使喷面迅速干起来。(2)高强超微喷射混凝土外加剂中细度小于1μm的占80%以上，平均粒径在0.1～0.3μm，其细度和比表面积约为水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍。由于其特性，掺入水泥中无泌水、板结现象。(3)颗粒形态与矿相结构：高强超微能喷射混凝土外加剂在形成过程中，因相变的过程中受表面张力的作用，形成了非结晶相无定形圆球状颗粒，且表面较为光滑，有些则是多个圆球颗粒粘在一起的团聚体。它是一种比表面积很大、活性很高的火山灰物质。高强超微能喷射混凝土外加剂的物料——微小的球状体可以起到润滑的作用，能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。(4)喷射混凝土可调到能在2min内终凝，可使依次喷层厚度达到350～700mm，粘结力高达3MPa以上,在支护完成后2h强度达1.6MPa，可以放炮，节约喷浆时间，提高作业循环，加快施工进度。(5)回弹率降低到边墙2%左右，拱部5%左右，粉尘浓度降低40%，节约施工成本，减少现场环境污染。(6)减水效果在30%以上，28天强度可提高到50MPa，可配制C40防腐喷射混凝土，能充分解决岩爆与富水区喷射混凝土的问题。(7)粘结力高。经过现场试验，掺高强超微喷射混凝土外加剂材料，其粘结力可达3.5MPa，是普通喷砼的7～8倍。这一特点对降低回弹、提高抗渗，尤其是渗水带喷护非常有益。(8)一次喷厚较厚。由于粘结力较高这一特点，在不移动湿喷台车，机械手在同一部位往返喷射作业时，喷层厚可达30cm以上。这对改善开挖面作业面凹凸不平的应力状态，尽快给围岩提供支护力起到类似二次衬砌砼的作用，对降低岩爆的风险程度发挥主导作用。并在采取辅助措施解决渗水带的喷砼工艺方面效果明显。(9)抗渗指标高。通过试验发现,掺高强超微能喷射混凝土外加剂，其抗渗指标达到22。这一特点可解决常规喷砼在渗水洞段无法完成的喷射工艺，同时可在低压或有辅助措施的情况下，起到封堵散水的效果。(10)速凝剂掺量低。电通量x（C）胶凝材料抗蚀系数抗硫酸盐侵蚀蚀系数f（%）抗裂性抗渗性抗渗等级8280.9177.4无23表3耐久性检测科技创新导报2017NO.03ScienceandTechnologyInnovationHerald工程技术科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald18掺高强超微喷射混凝土外加剂，可减少速凝剂掺量达到原初与终凝时间效果。3掺高强超微喷射混凝土外加剂配合比设计注意事项3.1砂率的确定砂率宜控制在50%～60%，这是综合考虑喷射混凝土的施工性能和力学性能后提出的。实践证明,砂率的大小既影响喷射混凝土的施工性能,也影响其力学性能,当砂率低于50%时,回弹率高,管路堵塞,施工工艺不易掌握,喷层厚度相应变薄,喷射混凝土强度离散性很大；砂率过大,高于60%,因粗集料不足,喷射时石子对混凝土冲击捣实力不大，使喷射混凝土的强度降低,同时使集料比表面积增大,要达到相应坍落度和流动性,水泥用量也要加大,既不经济也会使混凝土收缩增大。3.2水灰比与坍落度的确定湿法喷射施工水灰比宜控制在0.45之内。水灰比的大小影响喷射混凝土回弹率和强度。采取湿法喷射施工时,水灰比则可以准确控制。通过新产品高强超微喷射混凝土外加剂，用小水灰比进行配合比设计，提高喷混凝土早期强度进行与加强现场控制来解决。坍落度是评价混凝土流动性、粘聚性和保水性的重要指标。湿法喷射施工时,应进行坍落度检测,坍落度规范规定宜控制在80～130mm。但混凝土喷射机械手规范规定80～130mm坍落度难以泵送，坍落度取值经过多次试验，在现场要达到140～180mm。3.3胶凝材料取值喷射混凝土作为混凝土的一种,其配合比设计参数主要有胶凝材料用量、灰骨比、砂率、水灰比以及坍落度等。胶凝材料用量控制水泥在440kg/m3以上。水泥用量过少,回弹量大,初期强度增长慢,当水泥用量增加,喷射混凝土强度会提高,回弹减少。但水泥用量过多,一是不经济,二是混凝土凝结硬化时收缩也会增大。3.4混凝土配合比的选定喷射混凝土配合比一般采用经验公式和施工技术规范相结合的方法来确定。喷射混凝土配合比设计应包括常规配合比设计和喷射混凝土现场试喷、调整两个部分。前一部分是依据喷射混凝土的要求,按照混凝土常规配合比设计思路提出基准配比,后一部分是以基准配比为前提,在现场调整、验证、确定其配合比。两个步骤互为补充,缺一不可。喷射混凝土目标配合比设计，原则湿法喷射混凝土的体积密度可取2300kg/m3。4成本分析例：成本分析：水泥250元/t,喷射砼砂料45元/t,碎石料35元/t,速凝剂2250元/t,减水剂3360元/t,喷射混凝土外加剂6000元/t。现场由于原配合比强度结果上有很大差异,至少相差10MPa，两个等级，高强超微能喷射混凝土外加剂用在喷射混凝土中，喷射混凝土取消了常用的掺合料如硅灰、粉煤灰、磨细矿碴和磨细沸石、减水剂等。强度一样时所用的配合比见表4、表5。喷射混凝土的成本分析备注如下。4.1原配合比成本分析(1)回弹量：国产小型机械喷射手每立方喷射混凝土成本配合比编号水胶比每方混凝土材料用量(kg/m3)速凝剂减水剂水泥水砂碎石喷射砼外加剂备注10.3922.54.5450174825825/20.3715.1/4301609057603030.3227.5/550174772772/计算同强度时配合比表4湿喷混凝土几种配合比表配合比水泥(kg/m3)减水剂kg/m3砂kg/m3碎石kg/m3速凝剂kg/m3喷射砼外加剂(kg/m3)配合比成本元/m3单价250元/t3360元/t45元/t30元/t2250元/t6000元/t/14504.582582522.5//成本价11315.137.124.850.6/2412430090576015.130/成本价107．5040．722．83415035435505.577577527.5//成本价13818.434.923.362.8/277.4表5喷射混凝土成本分析科技创新导报2017NO.03ScienceandTechnologyInnovationHerald工程技术科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald19为价格人工费55+运输费35+搅拌10+机械喷射手费40+配件及维修费14+柴油2+电费5+其他费96+管理费经费103+税金43+材料费用241=644元/m3。回弹量每立方米混凝土浪费为644×0.3=193.2元/m3。(2)因坍落度损失,无法泵送所造成的弃料，按每100m3弃8m3料进行计算(随着隧道的深入，该数值还会增大)，每立方米混凝土浪费的成本为341×0.08=27.3元/m3。