粗砂在噴射混凝土中的研究

張明榮

0 引言

引洮供水工程用量最大的建筑材料為混凝土，由于其使用數(shù)量大、應(yīng)用部位廣、技術(shù)要求高，且所用細(xì)骨料對混凝土質(zhì)量影響較大，因而細(xì)骨料成為影響工程質(zhì)量的主要因素之一。

引洮供水工程項(xiàng)目周邊細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)均＞3.0，屬于粗砂。品質(zhì)好的中砂具有很強(qiáng)的區(qū)域性質(zhì)，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸會大大增加工程的成本，如果要遠(yuǎn)距離運(yùn)輸將會影響工程建設(shè)的進(jìn)度。為了不增加工程建設(shè)的成本的影響工程建設(shè)進(jìn)度的前提下考慮用項(xiàng)目周邊的粗砂作為細(xì)骨料，不過《水工混凝土施工規(guī)范》要求細(xì)骨料應(yīng)質(zhì)地堅(jiān)硬、清潔、級配良好；人工砂的細(xì)度模數(shù)且在2.4～2.8范圍內(nèi)，天然砂的細(xì)度模數(shù)宜在2.2～3.0范圍內(nèi)，使用山砂、粗砂、應(yīng)采取相應(yīng)的試驗(yàn)論證。因此，項(xiàng)目用粗砂必須進(jìn)過試驗(yàn)論證研究[1]。

針對工程所處的環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開展粗砂制備噴射混凝土的研究。通過對比不同料廠生產(chǎn)處的粗砂制備的混凝土特性，優(yōu)化配比，使配制出混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到甚至優(yōu)于中砂混凝土的性能指標(biāo)，并滿足引洮供水主體工程混凝土的技術(shù)要求，且同時(shí)兼具良好的經(jīng)濟(jì)性。

1 基本材料分析

引洮工程混凝土所用原材料主要為P·O42.5水泥，細(xì)度模數(shù)為3.0以上細(xì)骨料（河砂），5～10 mm粗骨料，粉煤灰和外加劑。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，工程中應(yīng)用其必須進(jìn)行相關(guān)性能測試。

1.1 細(xì)骨料

選取四個(gè)具有代表性的砂石料場（疆濤商貿(mào)有限公司、通渭三維砂石料廠、英吉利砂廠、明星砂石料廠）生產(chǎn)的河砂進(jìn)行試驗(yàn)論證并進(jìn)行相關(guān)性能測試，見圖1、圖2。

圖1 通渭三維砂石料廠河砂

圖2 英吉利砂廠河砂

對四個(gè)砂石料場的河砂進(jìn)行篩分，篩分結(jié)果見表1。

從表1可以看出四個(gè)砂石料場生產(chǎn)的河砂細(xì)度模數(shù)均大于3.0，屬于粗砂。河砂其他性能參數(shù)如表2所示。

表1 河砂顆粒級配

表2 論證用砂檢測結(jié)果

從表2可以看出，樣品所檢項(xiàng)目的檢驗(yàn)結(jié)果符合SL677-2014規(guī)范對天然砂的品質(zhì)要求。

1.2 其他材料

試驗(yàn)所用水泥為定西祁連山水泥商砼有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，所檢項(xiàng)目質(zhì)量指標(biāo)滿足GB175-2007標(biāo)準(zhǔn)中普通硅酸鹽水泥42.5級技術(shù)指標(biāo)要求。粗骨料用5～10 mm卵石，粉煤灰為F類Ⅱ級灰，外加劑為引氣減水劑其減水率為15%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 噴射混凝土

為了確保隧洞粗砂噴砼的質(zhì)量，根據(jù)噴砼的設(shè)計(jì)要求和所用粗砂的特性，并結(jié)合砼中其他材料的性能特點(diǎn)進(jìn)行配合比的試配試噴，試配C20噴砼配合比見表3。

表3 粗砂噴射砼試噴配合比

按以上配合比進(jìn)行了試噴，發(fā)現(xiàn)噴砼表面干濕不一，出現(xiàn)少量干斑，噴射物附著性較差，回彈率較大，達(dá)到20%以上，結(jié)果表明用水量過少，砼松散，粘聚性較差，配合比中各參數(shù)不合理，同時(shí)發(fā)現(xiàn)試噴過程中容易堵管。

針對試配混凝土試噴過程中遇到的各種問題，通過改變噴射混凝土配合比測定對砼回彈率、強(qiáng)度等方面的影響規(guī)律，以便根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，對配合比再調(diào)整、試驗(yàn)，以獲得最佳的噴射混凝土配合比。

2.1.1 最佳砂率

粗砂細(xì)度模數(shù)超過3.0，采用與中砂相同的砂率時(shí)，不能起到中砂的潤滑作用和砂對粗集料的充填作用，從而使噴射混凝土的回彈率較大，需要通過改變砂率提高所配制混凝土的粘聚性來降低回彈率。通過試驗(yàn)得到砂率與回彈率和強(qiáng)度關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖3 砂率與回彈率關(guān)系曲線

圖4 砂率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

從圖3、圖4可以看出，當(dāng)所用粗砂砂率較低時(shí)噴射混凝土回彈率較大，隨著砂率提高，混凝土的粘聚性得到改善，回彈率降低。當(dāng)砂率超過0.56時(shí)，回彈率增大。從經(jīng)濟(jì)和混凝土工作性能考慮，粗砂砂率宜為0.52～0.56之間。

在砂率為0.46～0.56范圍內(nèi)，隨著砂率的提高，混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的增長。大量研究及經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)水灰比一定時(shí)混凝土越密實(shí)其抗壓強(qiáng)度越高，試驗(yàn)中噴射混凝土抗壓強(qiáng)度提高是由于砂率提高使混凝土密實(shí)度增加[2]?；炷林械拇诸w粒形成骨架，需要細(xì)顆粒的充填。細(xì)集料不足不僅使噴射混凝土的粘聚性變差且密實(shí)性降低導(dǎo)致強(qiáng)度降低。為了讓小顆粒數(shù)量增多，使砼結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，最簡單的方法是通過在一定范圍內(nèi)增大砂率來實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 最佳水泥用量

膠凝材料用量直接影響噴射混凝土的回彈率、抗壓強(qiáng)度和噴射混凝土的成本，試驗(yàn)論證通過改變膠凝材料用量來確定膠凝材料的最佳摻量，總結(jié)使用粗砂配制噴射混凝土?xí)r膠凝材料用量對回彈率、抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 水泥用量與回彈率關(guān)系曲線圖

圖6 水泥用量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

從圖5、圖6可以看出隨著膠凝材料用量增加，回彈率逐漸降低[3-6]，抗壓強(qiáng)度逐步提高。水泥作為噴射混凝土的膠凝材料，噴射混凝土的粘聚性主要由水泥提供，水泥用量過多會增加噴射混凝土的成本。試驗(yàn)得出水泥用量宜在400～440 kg/m3。

2.1.3 最佳水灰比

水灰比不僅影響噴射混凝土的強(qiáng)度，也是影響回彈率的重要因素之一，試驗(yàn)論證通過改變水灰比，確定水膠比的最佳范圍，水灰比與回彈率和抗壓強(qiáng)度關(guān)系，見圖7、圖8。

圖7 水灰比與回彈率關(guān)系

圖8 水灰比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

論證結(jié)果表明，水灰比較低時(shí)，拌合物拌合不均勻，拌合物的粘聚性較差致使噴射混凝土回彈率較高。水灰比較大時(shí)，噴射混凝土流動(dòng)性較大從而噴射混凝土的粘附性變差，水灰比優(yōu)選 0.42～0.44。

2.1.4 速凝劑最佳摻量

上述試驗(yàn)外加劑摻量均占膠凝材料質(zhì)量的5%，通過對比速凝劑摻量對噴射混凝土性能的影響，試驗(yàn)選用細(xì)骨料為英吉利砂廠生產(chǎn)的河砂，砂率為0.52、水泥用量為420 kg/m3、水灰比為0.42，測試結(jié)果如表4所示。

表4 速凝劑摻量對噴射混凝土性能的影響

在試噴過程中發(fā)現(xiàn)速凝劑摻量過多時(shí)，混凝土凝結(jié)較快[7]，在噴射需要一定的時(shí)間，摻量過多會使混凝土強(qiáng)度較低，摻量較低會影響施工效率。試驗(yàn)所用速凝劑最佳摻量范圍為 5±1%。

3 結(jié)論

針對引洮供水工程工程區(qū)附近料場粗砂進(jìn)行研究，論證了粗砂制備噴射混凝土的可行性，得出以下結(jié)論：

（1）用細(xì)度模數(shù)＞3.0的粗砂制備噴射混凝土具有可行性。試驗(yàn)論證選取四個(gè)典型砂石料場生產(chǎn)的粗砂通過配合比的設(shè)計(jì)、調(diào)整等，配制出的混凝土回彈率＜10%，抗壓強(qiáng)度高于C20（28 d抗壓強(qiáng)度≥26.6 MPa）設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

（2）粗砂配置性能達(dá)標(biāo)的噴射混凝土推薦砂率為0.52～0.56，水灰比為 0.42-0.44、膠凝材料用量 400～440 kg/m3、速凝劑摻量5±1%。

在引洮供水工程建設(shè)過程中，顆粒級配和含泥量等各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求的天然中砂資源缺乏，采用天然粗砂進(jìn)行隧洞噴射混凝土的配制是可行的，其經(jīng)濟(jì)效益顯著。在粗砂進(jìn)行噴射混凝土施工前，要檢測粗砂特性，需進(jìn)行試配和調(diào)整，獲得既能滿足施工性能，又能控制建設(shè)工程質(zhì)量和控制生產(chǎn)成本的配合比方案。

[1]SL 677-2014,水工混凝土施工規(guī)范[S].

[2]王家濱,牛荻濤,張永利.噴射混凝土力學(xué)性能、滲透性及耐久性試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2016.

[3]劉康.低回彈噴射混凝土技術(shù)研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2015.

[4]艾新春,藏志剛,宮旭.噴射混凝土現(xiàn)場回彈率試驗(yàn)分析[J].

[5]姜波.濕噴混凝土回彈率影響因素[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,35(03):270-273.

[6]韓斌,姚松,于少峰,吳建勛,李佳夢.濕噴混凝土可泵性、強(qiáng)度和回彈率的關(guān)鍵影響因素[J].金屬礦山,2014,(07):37-41.

[7]楊富民,孫成曉,仇鵬,張雯,何軍利,閆俊潔,李晨.液體速凝劑在鐵路隧道噴射混凝土中的應(yīng)用研究[J].鐵道建筑,2015,(09):74-77.