液態(tài)速凝劑在噴射混凝土工藝中的應(yīng)用研究

李育慧 張露晨 李樹忱 廖麒凱

(山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

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液態(tài)速凝劑在噴射混凝土工藝中的應(yīng)用研究

李育慧 張露晨 李樹忱 廖麒凱

(山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，分析了液態(tài)速凝劑在不同噴射工藝中的應(yīng)用效果，結(jié)果表明：液態(tài)速凝劑存在最佳摻量，摻量對噴射混凝土凝結(jié)時間、強(qiáng)度和施工性能均有較大的影響；現(xiàn)場施工中，二次加水噴射混凝土工藝，能有效降低回彈量和粉塵量，提高噴射混凝土強(qiáng)度。

液態(tài)速凝劑，噴射混凝土，噴射工藝，回彈量

0 引言

近年來，隨著我國隧道及地下工程的大力發(fā)展，使得噴射混凝土技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，對噴射質(zhì)量的嚴(yán)格要求，促使液態(tài)速凝劑的蓬勃發(fā)展。噴射混凝土是通過噴射機(jī)械，將一定配合比的砂、石、水泥、摻合料和水噴射到圍巖表面，并迅速凝結(jié)硬化的一種混凝土[1-6]。噴射混凝土目前主要有三種形式，干噴、潮噴和濕噴。干噴混凝土已經(jīng)被國家規(guī)定禁止使用，目前現(xiàn)場主要使用的是潮噴和濕噴混凝土。潮噴混凝土主要使用粉狀速凝劑，與砂、石和水泥混合在一起通過潮噴機(jī)，在噴嘴處加水，噴射到圍巖表面。濕噴混凝土主要使用液態(tài)速凝劑，砂、石、水泥和水，先形成商品混凝土，通過濕噴機(jī)傳送，在噴嘴處加液態(tài)速凝劑，噴射到圍巖表面。不同的施工工藝，對應(yīng)不同的速凝劑添加方式，并適用于不同的施工環(huán)境：如在較小斷面及圍巖有涌水的施工中，通常使用潮噴混凝土，機(jī)械設(shè)備小，數(shù)量易控制；在較大斷面的施工中，通常使用濕噴混凝土。現(xiàn)場應(yīng)用中，使用粉狀速凝劑，出現(xiàn)回彈量大、粉塵量大、噴射混凝土強(qiáng)度低等問題[7-10]。基于此，本文對液態(tài)速凝劑進(jìn)行研究，并使其應(yīng)用于兩種施工工藝中。通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，研究其性能及現(xiàn)場應(yīng)用效果，為液態(tài)速凝劑在噴射混凝土中的應(yīng)用提供借鑒意義。

1 室內(nèi)試驗

主要選擇兩種類型的液態(tài)速凝劑，鋁酸鹽液態(tài)速凝劑和硫酸鋁液態(tài)速凝劑，分別測定水泥凈漿的凝結(jié)時間和水泥砂漿的強(qiáng)度。

1.1 試驗材料

1)液態(tài)速凝劑：鋁酸鹽液態(tài)速凝劑，主要成分為鋁酸鹽，建議摻量為水泥質(zhì)量的3%～6%；硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑，也稱為無堿液態(tài)速凝劑，主要成分為硫鋁酸鹽。建議摻量為水泥質(zhì)量的4%～8%。

2)水泥：采用P.O42.5的山水水泥，主要組成成分如表1所示。

表1 水泥主要組成成分

1.2 試驗方法

試驗方法采用JC 477—2005噴射混凝土用速凝劑建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1)水泥凈漿試驗：取400 g水泥，水灰比為0.4，要扣除液態(tài)速凝劑中的水分，加入不同摻量的液態(tài)速凝劑，使用維卡儀測定初終凝時間。

2)水泥砂漿試驗：取900 g水泥，1 350 g標(biāo)準(zhǔn)砂，水灰比為0.5，做成40 mm×40 mm×160 mm的試塊，在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，測定1 d，7 d和28 d的強(qiáng)度。

1.3 試驗結(jié)果與分析

鋁酸鹽液態(tài)速凝劑的摻量為3%，4%，5%和6%，硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑的摻量為4%，5%，6%，7%和8%。

1)水泥凈漿試驗。鋁酸鹽液態(tài)速凝劑在不同摻量下水泥凈漿初終凝時間如圖1所示，硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑在不同摻量下水泥凈漿的初終凝時間如圖2所示。

由圖1和圖2可看出，鋁酸鹽液態(tài)速凝劑的最佳摻量為5%，初凝時間為1 min 30 s，終凝時間為4 min。硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑的最佳摻量為7%，初凝時間為2 min 10 s，終凝時間為4 min5 s。從圖1，圖2得出，不同的液態(tài)速凝劑均有最佳摻量，且摻量不同。初凝時間與終凝時間的變化趨勢相同。

2)水泥砂漿試驗。鋁酸鹽液態(tài)速凝劑在不同摻量下水泥砂漿強(qiáng)度如表2所示，硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑在不同摻量下水泥砂漿強(qiáng)度如表3所示。強(qiáng)度測定主要為抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

表2 添加鋁酸鹽液態(tài)速凝劑水泥砂漿強(qiáng)度

表3 添加硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑水泥砂漿強(qiáng)度

由表2可得，添加鋁酸鹽液態(tài)速凝劑，隨著摻量的增大，水泥砂漿1 d的抗壓強(qiáng)度也增大，摻量增大到5%時，強(qiáng)度有略微的下降；水泥砂漿7 d和28 d的強(qiáng)度，隨著摻量的增大而降低，說明鋁酸鹽液態(tài)速凝劑的加入，使噴射混凝土后期強(qiáng)度有損失。摻量為6%時，28 d抗壓強(qiáng)度比為68%，不能滿足JC 477—2005噴射混凝土用速凝劑中合格品的要求。抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律相似。為避免噴射混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，應(yīng)嚴(yán)格控制鋁酸鹽液態(tài)速凝劑的摻量。

由表3可得，添加硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑，隨著摻量的增大，水泥砂漿1 d的抗壓強(qiáng)度也增大，摻量增大到6%時為最優(yōu)摻量，超過后，強(qiáng)度有一定下降；水泥砂漿7 d和28 d的強(qiáng)度，隨著摻量的增大而降低，但降低幅度較小，摻量為7%時下降最大，28 d抗壓強(qiáng)度比為86.1%，且滿足JC 477—2005噴射混凝土用速凝劑中一等品的要求。

液態(tài)速凝劑摻量的確定，凝結(jié)時間試驗和強(qiáng)度試驗，僅作為參考，實際應(yīng)用中，還要考慮價格因素，與水泥的適應(yīng)性問題。由此可以得出，鋁酸鹽液態(tài)速凝劑在現(xiàn)場中采用摻量為4%，硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑現(xiàn)場應(yīng)用中摻量為6%。

2 噴射混凝土工藝及現(xiàn)場試驗

目前，現(xiàn)場主要使用兩種噴射混凝土工藝，潮噴混凝土和濕噴混凝土。潮噴混凝土采用粉狀速凝劑，濕噴混凝土采用液態(tài)速凝劑。潮噴混凝土工藝簡單，操作方便，但混凝土回彈量大、粉塵量大、施工效率低、噴射混凝土強(qiáng)度低。濕噴混凝土多采用大型濕噴機(jī)組，設(shè)備昂貴，不易清洗，但噴射效果好，噴射混凝土質(zhì)量高。液態(tài)速凝劑的使用不好控制，在濕噴混凝土中，很容易造成混凝土大量落漿，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。分析原因，主要是因為水量的控制不嚴(yán)格，骨料與摻合料級配不好，混凝土坍落度不能很好滿足泵送性能等。潮噴工藝與濕噴工藝流程見圖3，圖4。

為了解決潮噴混凝土中回彈量大、粉塵量大的問題，擬將粉狀速凝劑用液態(tài)速凝劑代替，添加液態(tài)速凝劑供給泵和上料機(jī)，并將用水量分兩次加入。第一次在上料機(jī)上加入，水量控制在20%～40%，剩下的水量和液態(tài)速凝劑一起在噴嘴處加入。

這樣能有效降低施工中的粉塵，并減少水泥水化時間，提高混凝土強(qiáng)度。

使用二次加水噴射混凝土工藝(見圖5)，在現(xiàn)場進(jìn)行噴射試驗，能有效降低回彈量和粉塵量，大大改善施工環(huán)境，如圖6所示。現(xiàn)場采用C25噴射混凝土，通過噴射大板試驗，測定了噴射混凝土強(qiáng)度，結(jié)果見表4。

表4 噴射混凝土抗壓強(qiáng)度

速凝劑種類抗壓強(qiáng)度/MPa1d7d28d粉狀7.816.223.9鋁酸鹽液態(tài)10.618.327.8硫鋁酸鹽液態(tài)9.720.529.6

由表4可知，添加兩種液態(tài)速凝劑的噴射混凝土強(qiáng)度均大于添加粉狀速凝劑的噴射混凝土強(qiáng)度。添加鋁酸鹽液態(tài)速凝劑相對于粉狀速凝劑，1 d噴射混凝土強(qiáng)度提高35.9%，28 d強(qiáng)度提高16.3%。添加硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑相對于粉狀速凝劑，1 d噴射混凝土強(qiáng)度提高24.3%，28 d強(qiáng)度提高23.8%。由此可知，硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑對噴射混凝土后期強(qiáng)度更加有利。

3 結(jié)語

1)液態(tài)速凝劑的促凝效果存在有最優(yōu)摻量，不是添加的越多效果越好。添加鋁酸鹽液態(tài)速凝劑，通過試驗得到最優(yōu)摻量為4%，添加硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑的最優(yōu)摻量為6%。

2)添加4%的鋁酸鹽液態(tài)速凝劑，水泥砂漿28 d強(qiáng)度比為88.2%；添加6%的硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑，水泥砂漿28 d強(qiáng)度比為89.6%，兩者強(qiáng)度損失量相近。隨著摻量的增大，添加鋁酸鹽液態(tài)速凝劑的噴射混凝土強(qiáng)度下降較快。

3)改進(jìn)原有潮噴混凝土工藝，提出二次加水噴射混凝土工藝，能添加液態(tài)速凝劑，噴射效果好，回彈和粉塵少。

4)添加液態(tài)速凝劑的噴射混凝土強(qiáng)度比添加粉狀速凝劑噴射混凝土強(qiáng)度要高；添加硫鋁酸鹽液態(tài)速凝劑噴射混凝土后期強(qiáng)度損失最少。

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Application research of liquid accelerator in shotcrete process

Li Yuhui Zhang Luchen Li Shuchen Liao Qikai

(GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

In this paper,through laboratory and field test to analyze the application effect of liquid accelerator in different spraying technology,the results showed that there is the best dosage of liquid accelerator and the dosage of liquid accelerator has a great influence on setting time,strength and workability of shotcrete,during the site construction,it is proposed secondary adding water shotcrete technology which can effectively reduce the amount of rebound and the amount of dust and improve the strength of shotcrete.

liquid accelerator,shotcrete,spraying technology,amount of rebound

1009-6825(2016)29-0102-03

2016-08-03

李育慧(1991- )，男，在讀碩士； 張露晨(1988- )，男，在讀博士； 李樹忱(1973- )，男，教授；

廖麒凱(1992- )，男，在讀碩士

TU528.042

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