噴射混凝土的原理與技術(shù)特點(diǎn).doc

噴射混凝土的原理與技術(shù)特點(diǎn)噴射混凝土有兩種不同類型：干拌混合物和濕拌混合物。在干拌混合物中，除了水以外，將所有其他組份混合，干拌混合物通過輸料管在噴嘴口再與水混合由壓縮空氣一起噴出。在濕噴工藝中除了速凝劑外，其他所有組分包括水在攪拌機(jī)中混合，制備的混凝土被輸送到噴口，在噴口處加入液體速凝劑由壓縮空氣噴射到接受面上。由于這兩種方法在用水量上的差異，濕噴工藝的水灰比(W/C)一般高于干噴的噴射混凝土，這就會產(chǎn)生較高的孔隙率和滲透性以及較低的強(qiáng)度。濕噴混凝土的耐久性相當(dāng)于相應(yīng)的干噴混凝土。最近，由于復(fù)合使用超塑化劑和硅灰，開發(fā)了具有優(yōu)質(zhì)粘結(jié)性能的濕拌噴射混凝土。采用濕拌工藝，使噴射混凝土能很好地適用混凝土建筑物的修復(fù)。一.概述噴射混凝土用于地下施工時，其性能應(yīng)滿足工程的一些基本要求，如具有早期強(qiáng)度，厚層施工時不產(chǎn)生位移等。為滿足這些要求，干混或濕混噴射混凝土都應(yīng)加入速凝劑。目前，市場有不同種類的速凝劑，這些速凝劑具有各自不同的化學(xué)組成，對混凝土的凝結(jié)時間和早期強(qiáng)度具有不同的作用。不考慮其他的應(yīng)用，對于如何評價速凝劑的作用目前還沒有一致的意見。水泥漿試驗(yàn)方法(維卡儀和Gillmone針儀)被用來研究水泥與速凝劑之間的相容性。但是，這些方法的效果目前還存在爭議。使用速凝劑摻入干混或濕混噴射混凝土中進(jìn)行厚的襯板,特別是頂板施工，其目的是提高混凝土的早期強(qiáng)度以滿足設(shè)計(jì)要求。但是，也會間接影響混凝土的其他性能，如：(1)直接參與水泥凝結(jié)的反應(yīng)，防止產(chǎn)生稠度的突然變化。 (2)直接與拌合水反應(yīng),促使拌合物變稠 。(3)增加拌合物的觸變性。(4)在新拌漿體中沒有流變反應(yīng)，但使硬化相會有所改變。(5)影響回彈和起灰量(干混)，及最終強(qiáng)度。(6)在干混施工中選擇特殊的速凝劑間接影響回彈和起灰量,速凝劑增加了拌合物觸變性。例如提高了混凝土的塑性，減少了回彈,增加噴射顆粒的附著力。速凝劑對混凝土的早期強(qiáng)度的影響主要取決于其本身的化學(xué)組分、使用劑量、膠凝材料的化學(xué)成分、所含的礦物添加劑和使用溫度。由于它們是在水泥化學(xué)組分的一定范圍內(nèi)發(fā)生作用，為了檢驗(yàn)速凝劑的適應(yīng)性和確定合理摻量，在每種情況下確定水泥與速凝劑的相容性是必要的。傳統(tǒng)速凝劑的副作用是降低水泥的最終強(qiáng)度,與空白混凝土(不加速凝劑)相比較，28天強(qiáng)度明顯下降(下降幅度是20%50%)。摻量越大，副作用越大。但是，新一代的速凝劑(無堿型)能夠克服這一缺點(diǎn)，也減輕了堿的危害。因此，了解噴射混凝土速凝劑的性能和評價其性能最合理的試驗(yàn)方法是非常重要的。二. 速凝劑的主要種類 國內(nèi)外地下工程中最常用的傳統(tǒng)速凝劑是硅酸鈉(水玻璃，改性硅酸鈉)、鋁酸鹽速凝劑(兩種都是液體形式)，堿土金屬的碳酸鹽或其氫氧化物, 粉狀)，但是，目前市也有一些新的速凝劑。所有這些外加劑的特征和性能將在后面介紹。1.堿土金屬碳酸鹽和堿土金屬的氫氧化物粉狀的堿土金屬碳酸鹽或氫氧化物以前在噴射混凝土施工中很少應(yīng)用?，F(xiàn)在，它們成為這類混凝土最常用的速凝劑，其常規(guī)摻量為水泥重量的2,5至6，它們主要是促進(jìn)C3S的水化。一般加入少量的碳酸鋁,可以影響水泥的凝結(jié)時間。但是，只有當(dāng)大劑量摻入時，其影響才能被觀察到。圖1表示采用二種摻量的速凝劑的噴射砼的早期強(qiáng)度，以及與加鋁酸鉀類速凝劑的噴射混凝土性能的比較。圖中J1, J2, J3曲線是摘自奧地利混凝土協(xié)會規(guī)范，用以參考。 圖1碳酸鹽、氫氧化物和鋁酸鹽的性能比較圖1中可知，增加碳酸鹽促凝劑的摻量，可以在噴射后20min內(nèi)提高混凝土的強(qiáng)度。這種速凝劑與水泥的反應(yīng)主要受水泥化學(xué)成分、細(xì)度和礦物添加劑以及環(huán)境溫度的影響。例如，在CotapataSantaBasbara(玻利維亞1996)高速公路工程中，一些坡道需用干混噴射混凝土覆蓋。根據(jù)工程的要求和預(yù)算，使用的是火山灰水泥，速凝劑是碳酸鹽基粉末。環(huán)境溫度是513。第一次試驗(yàn)，沒有測到促凝作用，即使加量高達(dá)6。當(dāng)加熱拌合水的水溫時，這個問題才解決，試驗(yàn)得到的適宜的水溫是35。采用這一措施，混凝土的早期強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求(24h為I0MPa), 甚至當(dāng)水溫超過70C時產(chǎn)生了閃凝(這個溫度導(dǎo)致最終強(qiáng)度嚴(yán)重下降超過50)。這種速凝劑的特點(diǎn)是水泥的最終強(qiáng)度大幅下降，與空白混凝土相比，28天強(qiáng)度明顯下降(一般是3 0%4 0)，有一些工程甚至下降50。2.硅酸堿(水玻璃)硅酸鈉、硅酸鉀類速凝劑主要用于濕拌噴射混凝土，它們通常都是液體，而且摻量很大(10膠凝材料重量)?？扇苄缘墓杷猁}由于反應(yīng)生成硅酸鈣沉淀而加速凝結(jié)。當(dāng)大劑量使用時，這些促凝劑降低了與基底的粘結(jié)力，最終，導(dǎo)致砼強(qiáng)度的下降和嚴(yán)重的干縮。一些報道說這些問題已被列入奧地利混凝土學(xué)會出版的“噴射混凝土指南”中，規(guī)定這種速凝劑最大摻量不超過15，最終的強(qiáng)度損失限制在30%以內(nèi)。Melbye認(rèn)為改性的硅酸鈉，摻量在46時，它們在很短時間內(nèi)(10S)使噴射混凝土產(chǎn)生膠結(jié)作用(也許是由于坍落度損失)，與鋁酸鹽基速凝劑一樣，不參加水泥的早期水化作用。它們可以施工80mm150mm噴射厚度，這種速凝劑的其他優(yōu)點(diǎn)：與各種水泥都可相配，在常規(guī)摻量范圍內(nèi)(4%6)，最終的強(qiáng)度損失比鋁酸鹽速凝劑少，對皮膚沒有強(qiáng)的侵蝕性(PH12)，堿的含量比鋁酸鹽基速凝劑低得多。但是，這種速凝劑不能產(chǎn)生較理想的初始強(qiáng)度，不適用于早期強(qiáng)度要求較高的工程。3.鋁酸鈉、鋁酸鉀鋁酸鹽類速凝劑既可以用干混,又可以用于濕混噴射混凝土工程，常用劑量一般為2.5%5.5。鋁酸鉀比鋁酸鈉速凝劑有更好的效果，但價格也更高。它們主要是直接參與硅酸鹽水泥水化而加速水泥的凝結(jié)，與石膏結(jié)合，阻止水泥顆粒表面形成鈣礬石，而使C3A立即反應(yīng)，產(chǎn)生大多數(shù)噴射混凝土所需要的初始強(qiáng)度。它們的作用通常受水泥的化學(xué)成分、細(xì)度以及所含的礦物添加劑的影響，但這種影響比所看到的碳酸鹽類外加劑的影響要小。最終強(qiáng)度將損失為20%25。圖2無堿性速凝劑和鋁酸鈉速凝劑的性能比較。圖2 無堿速凝土和鋁酸鈉速凝劑的性能比較毫無疑問，鋁酸鹽速凝劑在濕混噴射混凝土工程中應(yīng)用效果最好，對厚的襯板甚至頂板都具有好的施工效果。但是其高堿含量，在地下施工對健康的危害是限制其應(yīng)用的主要因素。另外，它們在含硫酸根的工程和含活性集料的工程應(yīng)用中都存在問題，后者可能發(fā)生堿集料反應(yīng)。4.非堿性粉末狀促凝劑 九十年代初開始使用非堿性速凝劑粉末。一般，它們主要是鋁酸鈣外加劑，摻量在612，其化學(xué)作用不同于堿基外加劑。促凝作用是直接參與水的反應(yīng)，而不是直接參與水泥的水化反應(yīng)。 低于7的摻量不會影響混凝土早期強(qiáng)度。對于頂部凹道厚襯板的施工，一般需大劑量。這會導(dǎo)致后期強(qiáng)度的下降，但這種下降小于堿性促凝劑。潮濕條件會影響這種速凝劑的靈敏度，這就要求在干燥設(shè)備中貯存。 無堿速凝劑的應(yīng)用才剛剛開始，新產(chǎn)品主要是氫氧化鋁或與硫酸鋁復(fù)合的產(chǎn)品，在少量使用時(4)就能產(chǎn)生足夠的早期強(qiáng)度。當(dāng)摻量高達(dá)8時，后期強(qiáng)度沒有損失。但用量大于10時，會出現(xiàn)明顯的后期強(qiáng)度損失。 雖然這類速凝劑有上述優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用中也存在一些問題。使用劑量和均勻性要求與之相適應(yīng)的特殊設(shè)備。此外，Melbye指出，摻這種粉狀速凝劑比摻非堿性液體速凝劑，回彈率要大10%15。 5.無堿液體速凝劑 最近在國際市場上出現(xiàn)了液體無堿速凝劑，目前有關(guān)其應(yīng)用報導(dǎo)還十分罕見。這類促凝劑可以解決一些堿性速凝劑常見的問題，如,對地下施工環(huán)境的危害，堿集料反應(yīng)的危害，使用過程中高PH值的危害以及對噴射混凝土后期強(qiáng)度的損失等。 這類速凝劑的化學(xué)成分既沒有有關(guān)的文章報道，生產(chǎn)商又沒有任何透露。1996年1月，英國的一個試驗(yàn)室對摻入這類速凝劑的混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，沒有發(fā)現(xiàn)水泥的水化產(chǎn)物有任何改變。 這種外加劑的PH值在35.5之間，堿含量少于0.3，它們的常規(guī)摻量為膠結(jié)料的310,當(dāng)摻量恰當(dāng)時，它能夠產(chǎn)生較高的早期強(qiáng)度，其強(qiáng)度曲線可與“奧地利噴射混凝土指南”中的曲線J2和J3相比?？梢圆捎眠@種速凝劑進(jìn)行頂棚施工，施工襯里可厚達(dá)300mm。這種外加劑的最重要的特性是其后期強(qiáng)度不損失(與空白樣相比)。Florianopalis高速公路的南部，在進(jìn)行遂道施工時，使用了無堿液體促凝劑和一般的鋁酸鈉促凝劑進(jìn)行比較，鋁酸鹽速凝劑的摻量是4%，無堿液體速凝劑是4%和6，試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖2。表l中的數(shù)據(jù)顯示鋁酸鹽速凝劑的早期強(qiáng)度高于無堿液體速凝劑，但是，30min后的強(qiáng)度則為6的無堿速凝劑稍高于鋁酸鹽速凝劑。 鑒于4%的無堿速凝劑的早期強(qiáng)度不甚理想，但6的摻量則符合工程設(shè)計(jì)要求(8h：4.7MPa, 24h：11.8MPa, 7day：17.6MPa；28d：21-2MPa)。 摻6%無堿速凝劑28天后的強(qiáng)度明顯高于鋁酸鈉速凝劑，甚至高于空白混凝土。 其他使用者也通過對這種速凝劑的試驗(yàn)得出了相同的結(jié)論，但是昂貴的價格影響了這種材料的廣泛使用。 6.近來的發(fā)展和新趨勢 最近，在噴射砼速凝劑領(lǐng)域有一些新的發(fā)展趨勢，主要針對改善干濕拌混凝土的性能。用外加劑控制水泥的水化，延長初凝時間，這有利于商品砼遠(yuǎn)距離的輸送。采用速凝劑破壞塑化劑的反應(yīng)，在濕拌工藝中突然增加水泥漿的硬度這是一個新的市場發(fā)展方向。 噴射混凝土用特殊膠結(jié)料的發(fā)展是這一領(lǐng)域一個新的趨向，諸如低硫酸鹽含量膠結(jié)料，快硬膠結(jié)料。并且用硫酸鹽含量加添加劑控制凝結(jié),這樣,可降低速凝劑用量或干脆免去速凝劑。 在噴射混凝土中其他特殊的膠結(jié)料近來也被開發(fā)。Schimidt介紹一種特殊的膠結(jié)料，活 性礦渣摻小劑量的波特蘭熟料再加半水石膏；另一種是不含C3A的火山灰水泥，具有較強(qiáng)的抵抗純水和含硫酸鹽水的性能。 最后，硅灰是一種噴射混凝土中廣泛使用的材料，雖然它不能被認(rèn)為是外加劑。它是一種具 有很強(qiáng)火山灰活性的物質(zhì)，既可以提高厚層襯里的粘結(jié)性，又可獲得較高的早期強(qiáng)度。在許多施工中，使用硅灰可以減小促凝劑的用量。在一些工程應(yīng)用中，沒有明確規(guī)定早期強(qiáng)度的 值，使用硅灰就可以替代速凝劑，甚至在頂棚施工中。 噴射混凝土，原是一種用量較少的特殊混凝土，現(xiàn)在廣泛用于地下基礎(chǔ)設(shè)施的支護(hù)和修復(fù)。因此，得到了研究和使用上的高度重視。為提高混凝土的早期強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性，促凝劑的研究者開發(fā)新的產(chǎn)品和研究新的檢測方法對其進(jìn)行精確評定。目前，市場上有大量的各類產(chǎn)品，但是還需要進(jìn)一步的研究，開發(fā)出既能滿足噴射混凝土施工要求又與傳統(tǒng)產(chǎn)品成本相差不太的產(chǎn)品，研究成果將毫無疑問加強(qiáng)干或濕混噴射混凝土施工應(yīng)用，特別是有助于增強(qiáng)地下工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。三. 高性能噴射混凝土 研究超塑化劑、硅灰、速凝劑和摻入火山灰或礦渣硅酸鹽水泥的復(fù)合作用，用濕噴法生產(chǎn)高性能噴射混凝土(HPS)具有下列優(yōu)點(diǎn)： (1)低的堿性腐蝕性： (2)高工作性和低坍落度損失； (3)低回彈； (4)高的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度； (5)高耐久性。1.材料和配合比.1)水泥 高強(qiáng)硅酸鹽水泥由于水化速度較快，用于噴射混凝土一般優(yōu)于混合水泥。使用了火山灰和礦渣硅酸鹽水泥，是因?yàn)樗鼈兙哂懈吣途眯裕^低的水化熱，對熱裂縫、自收縮和干縮性有較好性能?；鹕交宜?，用35粉煤灰替代硅酸鹽水泥；礦渣水泥，用50礦渣取代硅酸鹽水泥。2)硅灰 使用加密硅灰，以改善對基材的粘結(jié)力和減少集料回彈。3)超塑化劑 使用市售的濃度為30的液體羧基丙烯酸酯(CAE)為超塑化劑，生產(chǎn)水灰比為0.420.44，坍落度為210-220mm流動性混凝土。也可采用聚磺酸鹽系高效減水劑。4)速凝劑 用兩種不同市售的速凝劑，一種常用速凝劑是硅酸鈉(30)，另一種無堿速凝劑是以Al2(S04)3為主要成分的水溶液(60), 當(dāng)使用后者時，由于無堿，降低了在施工過程中堿性腐蝕的危險。5)集料:使用細(xì)砂(04mm)，粗砂(46mm)，石子(68mm)三者的比例為65、30、5%。表2 加入速凝劑的基準(zhǔn)拌合物的組成和坍落度6)混凝土配比 配制兩種未摻速凝劑的基準(zhǔn)對比拌合物，它們的主要區(qū)別在于水泥品種(42.5火山灰水泥和42.5礦渣水泥)。 表2列出了加入速凝劑的兩種流動性基準(zhǔn)混凝土的組成和坍落度。 每種混凝土拌合30分鐘，在噴嘴處加入不同的速凝劑水玻璃或無堿速凝劑的摻量分別為水泥量的8%12或6%7。3試驗(yàn)結(jié)果 由于使用CEA超塑化劑，30分鐘之內(nèi)的坍落度損失可以忽略不計(jì)(表2)，這意味著，在噴嘴處加入速凝劑之前坍落度損失可忽略不計(jì)，以可靠方式供給噴射設(shè)備的泵送混凝土的工作性能好，噴射混凝土產(chǎn)量可達(dá)20m3h。 在規(guī)定超塑化劑摻量為1%2時，盡管礦渣水泥混凝土的W/C稍低于火山灰水泥混凝土，其初始坍落度(220mm)還是稍高于火山灰水泥混凝土的坍落度(210mm)。 在無筋隧道內(nèi)施工，由于復(fù)合有超塑化劑，硅灰和速凝劑，拌合物粘結(jié)性好，研究的所有噴射混凝土的回彈率僅僅為2%3。圖3 硅酸鈉速凝劑(NS)和無堿速凝劑(AF)對噴射混凝土強(qiáng)度的影響(礦渣/A42.5水泥)圖4 無堿速凝劑(AF)對噴射混凝土強(qiáng)度的影響(礦渣/A42.5水泥) 圖3是以雙對數(shù)座標(biāo)表示的噴射后5分鐘至28天的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度?；炷涟ㄎ磽剿倌齽?、摻硅酸鈉(8%和12)、摻無堿速凝劑(6)礦渣水泥混凝土。硅酸鈉速凝劑混凝土的早期抗壓強(qiáng)度稍高于無堿速凝劑，例如摻硅酸鈉速凝劑1小時抗壓強(qiáng)度為0.5MPa，摻無堿速凝劑的為0.2MPa，但4小時后摻兩種速凝劑的混凝土抗壓強(qiáng)度相同，23小時后及以后齡期摻無堿速凝劑混凝土強(qiáng)度要比摻硅酸鈉速凝劑的強(qiáng)度好得多，無堿速凝劑噴射混凝土28天的抗壓強(qiáng)度高達(dá)60MPa(僅比基準(zhǔn)混凝土低10)，而摻硅酸鈉速凝劑的噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)混凝土的60。 就礦渣水泥混凝土(圖4)和火山灰水泥混凝土來說，使用摻量稍高的無堿速凝劑