C30喷射混凝土力学与耐久性能分析

C30喷射混凝土力学与耐久性能分析1实验1.1原材料水泥：采用鹤林牌P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其物理性能。骨料：粗骨料为5mm～10mm单粒级配石灰岩质碎石，表观密度2980kg/m3。细骨料为Ⅱ区中型河砂，细度模数2.7，表观密度2630kg/m3，含泥量0.8%，泥块含量0.5%。外加剂：减水剂采用聚羧酸类高性能减水剂，减水率25%。速凝剂分为液体无碱速凝剂和液体有碱速凝剂，主要成分分别为硫酸铝和铝酸钠，性能均符合GB/T35159-2017喷射混凝土用速凝剂规定。1.2配合比参数设计参考喷射混凝土相关标准并结合实际工程设计经验，确定C25/C30喷射混凝土的配合比。在C30喷射混凝土配合比的基础上，研究不同水灰比（质量比）（0.38，0.40，0.42，0.45）和不同速凝剂种类（无碱速凝剂，有碱速凝剂）对喷射混凝土力学性能与耐久性能的影响，具体配合比见表2，表3。其中，掺无碱速凝剂的C30喷射混凝土记为“AFC30”、掺有碱速凝剂的C30喷射混凝土记为“AKC30”，C30模筑混凝土记为“CMC30”，C25喷射混凝土记为“AFC25”。1.3实验方法力学性能按照GB/T50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准进行，测试硬化混凝土1d，7d，28d，56d立方体抗压强度。耐久性能按照GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准进行，主要测试内容为抗水渗透性能、抗氯离子渗透性能和抗碳化性能，其中抗水渗透性能采用渗水高度法，抗氯离子渗透性能采用电通量法和RCM法。喷射混凝土试件成型采用湿喷法工艺进行，具体制备方法参考JGJ/T372-2016喷射混凝土应用技术规程附录B。模筑混凝土试件制备方法为：拌合物搅拌均匀后置于相应试模振动成型，在温度（20±2）℃、相对湿度大于50%的室内静置1d后脱模并标准养护至相应龄期。2结果与讨论2.1力学性能不同水灰比与速凝剂种类对C30喷射混凝土力学性能的影响如图1所示。由图1（a模筑混凝土体系CMC30强度低，且后期强度发展缓慢。湿法喷射工艺导致喷射混凝土内部截留大量小孔径气泡降低了结构致密性，同时在速凝剂的作用下水化产物生成过快，覆盖在未水化的水泥颗粒表面从而影响喷射混凝土后期强度发展。比较两种速凝剂对C30喷射混凝土的影响可以看出无碱速凝剂掺入下的喷射混凝土强度在同一龄期均高于有碱速凝剂，且后期强度保有率高，例如：无碱速凝剂掺入下AFC30的28d和56d强度分别为同龄期模筑混凝土CMC30的85.5%和82.4%，而有碱速凝剂掺入下AKC30的28d和56d强度分别为同龄期模筑混凝土CMC30的68.7%和73.3%。造成该现象的原因主要在于无碱速凝剂会与水泥颗粒反应生成大量钙矾石，虽然会使混凝土快速失去流动性但其不会完全覆盖在水泥颗粒表面，因此无碱速凝剂对水泥颗粒后期水化程度影响不大；有碱速凝剂与水泥颗粒反应生成的水化产物主要由水化铝酸钙和单硫型水化硫铝酸钙组成，同时含有少量C-S-H凝胶，这些水化产物包裹在水泥颗粒表面并具有良好的热稳定性，影响了水泥颗粒进一步的水化，从而影响混凝土后期强度发展。相似研究也表明有碱速凝剂快速消耗水泥浆溶液中的C2＋与SO2－4，石膏在水化的前20min内就已消耗殆尽，使得铝酸三钙进一步水化生成溶解度更低的水化铝酸钙和单硫型水化硫铝酸钙，阻碍了硅酸三钙的溶解从而抑制其进一步水化；而无碱速凝剂的主要成分为硫酸铝，含有充足的硫酸盐控制铝酸三钙的水化进程，因而硅酸三钙的水化得以正常进行。在强度等级方面，AKC30与AFC25均为掺无碱速凝剂的喷射混凝土体系，其中AFC30的28d抗压强度为40.7mPa，AFC25的28d抗压强度为33.7mPa，均大于理论配制强度，C30喷射混凝土的强度相比C25喷射混凝土提高幅度在10.9%～24.0%范围内。由图1（b）可知，C30喷射混凝土的抗压强度随着水灰比的增大逐渐减小，其中0.38水灰比（质量比）和0.40水灰比（质量比）的抗压强度相差不大，当水灰比（质量比）提升至0.42和0.45时，强度明显下降，例如0.45水灰比（质量比）时的56d抗压强度仅为0.40水灰比（质量比）的77.9%。对于起结构性支护作用的喷射混凝土而言，其早期强度和28d强度通常要求较高，早期强度一般取1d强度为标准，我国GB50086-2015岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范要求1d强度不小于8mPa，而TB10753-2010高速铁路水工隧洞工程施工质量验收标准更是要求1d强度不小于10mPa。然而在施工现场中经常存在混凝土“加水”现象，加水会导致喷射混凝土的实际水灰比偏高从而影响强度。根据实验结果，当C30喷射混凝土的水灰比由0.40提高至0.45时，1d强度低于10mPa；当水灰比（质量比）为0.42或0.45时，28d强度均无法满足C30的理论配制强度，因此在混凝土喷射施工前严禁加水。2.2耐久性能2.2.1抗水渗透性能已建和在建的水工隧洞工程调研结果表明，存在开裂渗水问题的水工隧洞数量达到了70%，其中严重渗漏的水工隧洞数量达到了1/3左右，素有“十隧九漏”的说法，因此研究喷射混凝土的抗水渗透性能具有重要的工程意义。图2为不同混凝土在1.2mPa恒压24ｈ后的渗水高度情况，在成型工艺与速凝剂种类方面，试件的抗渗性由高到低依次为模筑混凝土体系CMC30（16.3mm）、无碱速凝剂喷射混凝土体系AFC30（22.6mm）、无碱速凝剂喷射混凝土体系AFC25（28.5mm）、有碱速凝剂喷射混凝土体系AKC30（36.7mm）。喷射混凝土体系的整体强度及致密性不如模筑混凝土体系导致其抗水渗透性能较差，AFC30的渗水高度为模筑混凝土的1.39倍。有碱速凝剂对C30喷射混凝土抗渗性的不利影响更加明显，其渗水高度相比无碱体系AFC30增加62.4%，有研究表明有碱速凝剂会使水泥水化产物结构疏松、微裂纹增加、有害孔含量更多，因此降低了强度及耐久性能，相对而言无碱速凝剂影响程度较小。在强度等级方面，C30喷射混凝土的渗水高度相比C25喷射混凝土降低20.7%。如图2（b）所示，C30喷射混凝土的抗水渗透性能随着水灰比的增加逐渐下降，与强度规律类似，当水灰比较小时（0.38，0.40）抗渗性相差不大，当水灰比继续提高，抗渗性下降明显，例如在0.45水灰比时试件的渗水高度已经达到了51.2mm，约为0.40水灰比的2.3倍。水灰比增加会导致喷射混凝土内部的孔隙率增加，因而对外界水起到的阻力更小。2.2.2抗氯离子渗透性能近年来，在我国一些发达沿海地区逐渐兴起海底水工隧洞建设，例如青岛胶州湾海底水工隧洞、厦门翔安海底水工隧洞等。海洋环境复杂多变，尤其是高浓度的氯离子侵蚀对喷射混凝土的耐久性是一个巨大的考验，因此有必要对喷射混凝土的抗氯离子渗透性能进行全面的评价。由图3（a）可知，在成型工艺方面，模筑混凝土体系的抗氯离子渗透性能优于喷射混凝土体系，AFC30试件的56d电通量和氯离子迁移系数（DRM）分别为同配比模筑混凝土的1.13倍和1.07倍。在速凝剂种类方面，有碱体系AKC30的抗氯离子渗透性能略差于无碱体系AFC30，其56d电通量和氯离子迁移系数相对无碱体系分别增加13.5%和4.5%，主要原因还是在于有碱速凝剂后期对混凝土自身微结构的破坏从而加快了Cl－的侵蚀速度。在强度等级方面，C30喷射混凝土的抗氯离子渗透性能相比C25喷射混凝土有明显提升，56d电通量和氯离子迁移系数分别下降20.6%和19.8%。ＴＢ10005-2010铁路混凝土结构耐久性设计规范要求对于设计使用年限为100年（例如水工隧洞等主体结构）的C30混凝土，其56d电通量应小于1200C，56ddRCM应不大于7×10－12m2/ｓ，由图3（a）可知C30喷射混凝土的抗氯离子渗透性能处于中等水平，无法满足标准的要求。如图3（b）所示，喷射混凝土的抗氯离子渗透性能随着水灰比的增大逐渐下降，相比C30基准组（0.40水灰比（质量比）），0.45水灰比（质量比）时的56d电通量和氯离子迁移系数分别为基准组的1.37倍和1.30倍。当水灰比降低至0.38时，试件的抗氯离子渗透性能提升并不明显，这表明单一提升喷射混凝土的强度不能有效解决抗氯离子渗透性能较差的问题，大量研究表明在喷射混凝土中掺入适量的粉煤灰或硅灰，能够显著提升喷射混凝土抗氯离子渗透性能。因此，建议在氯盐侵蚀环境较为严重的水工隧洞工程中复掺一定比例的矿物掺合料如粉煤灰、硅灰等。2.2.3抗碳化性能由于水工隧洞内部环境相对封闭，空气中二氧化碳浓度及温湿度较高，喷射混凝土发生碳化的程度更高，碳化使得混凝土内部碱性下降易引起钢筋锈蚀，因而影响水工隧洞整体结构的稳定性。由图4（a）可知，不同试件在碳化前期碳化速度较快，碳化后期速度减缓。在成型工艺方面，模筑混凝土由于自身密实程度高，抗碳化性能明显优于喷射混凝土体系，其中无碱体系AFC30与有碱体系AKC30在28d碳化龄期时的碳化深度分别为12.4mm和13.3mm，相对模筑混凝土分别增加24%和33%。有碱体系AKC30的抗碳化性能相比无碱体系AFC30略差，28d碳化深度提高7.3%，一方面归因于自身强度及致密性不足导致CO2早期扩散速度较快，另一方面有碱速凝剂的有效成分在水化过程中生成了大量碱性化合物如氢氧化钙等，使得可碳化物质含量增加，同时碳化过程中不断生成CaCO3等物质充填在孔隙中从而缓解CO2进一步侵入。同为无碱体系，C30喷射混凝土的抗碳化性能优于C25喷射混凝土，其28d碳化深度降低21.5%。由图4（b）可知，C30喷射混凝土的抗碳化性能随着水灰比的增加而下降，0.45水灰比（质量比）时的28d碳化深度相比0.40水灰比（质量比）提高29.8%。碳化前期四种不同水灰比试件的碳化深度差距不大，随着碳化时间的延长差距愈加明显。水灰比增加，混凝土的孔隙率增大，密实性下降，有利于CO2的扩散，同时水泥用量相对减少，可碳化物质的生成量降低，碳化速度因此加快。当水灰比（质量比）降低至0.38时，C30喷射混凝土的28d碳化深度相比水灰比（质量比）0.40时下降24.2%，说明控制水灰比是提升喷射混凝土抗碳化性能的有效措施。3结论试验以C30喷射混凝土为研究对象，分析不同成型工艺（湿喷法、模筑法）、水灰比（质量比）（0.38，0.40，0.42，0.45）和速凝剂种类（无碱速凝剂、有碱速凝剂）对C30喷射混凝土力学及耐久性能的影响，并与C25喷射混凝土进行对比，主要结论如下：1）成型工艺方面，由于喷射混凝土特殊的施工工艺以及速凝剂的影响，喷射混凝土的力学及耐久性能均不如同配比模筑混凝土。无碱体系C30喷射混凝土的56d强度为同龄期模筑混凝土的82.4%，渗水高度为模筑混凝土的1.39倍，56d电通量和氯离子迁移系数分别为模筑混凝土的1.13倍和1.07倍，28d碳化深度相比模筑混凝土增加24%。2）水灰比因素方面，在水泥用量一定的情况下，随着水灰比的增大，喷射混凝土的力学及耐久性能均有所下降。以0.45水灰比（质量比）为例，相比C30喷射混凝土基准组（水灰比（质量比）为0.40），其56d强度为基准组的77.9%，渗水高度为基准组的2.3倍，56d电通量和氯离子迁移系数分别为基准组的1.37倍和1.30倍，28d碳化深度相比基准组提高29.8%，建议在C30喷射混凝土配合比设计中将水灰比（质量比）控制在0.40以内，同时严禁在喷射作业前加水。3）速凝剂种类方面，有碱速凝剂对喷射混凝土的不利影响高于无碱速凝剂。相比无碱体系C30喷射混凝土，有碱体系的56d强度下降10.9%，渗水高度增加62.4%，56d电通量和氯离子迁移系数分别增加13.