高效防腐劑對噴射混凝土的性能影響*

王偉，曾魯平，趙爽，陳俊松，韓斌

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司 江蘇 南京211103）

（2.江蘇省建筑科學研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點實驗室江蘇 南京211108）

0 引言

隧道鉆爆法施工是目前較為普遍采用的隧道施工方法，噴射混凝土常用于一襯結構，能在液體無堿速凝劑的作用下發生快速硬化并對粗糙圍巖表面產生良好粘結效果，達到穩固圍巖、快速支護的作用[1-2]。隨著中西部高速鐵路及川藏鐵路等重大基礎工程的蓬勃發展，隧道噴射混凝土也面臨日益復雜的服役及承載受力環境而產生不同形式的耐久性能下降，如開裂滲漏、凍融破壞、硫酸鹽侵蝕等病害[3-4]。

近年來，濕法噴射混凝土因其良好的水灰比控制、噴射粉塵污染小，成為隧道噴射施工工藝的首選，然而部分研究結果表明硬化濕法噴射混凝土中存在較多細小且不規則的氣泡存在，造成了噴射混凝土致密性下降及耐久性劣化加劇等[5-6]。高效防腐劑是是一種有機無機復合型改性組分，能通過調節膠凝體系的化學組成、維持體系化學平衡來改善混凝土結構對硫酸鹽等鹽類侵蝕介質的抵抗能力，但在噴射混凝土材料中的應用相對較少。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥為海螺牌PO 42.5普通硅酸鹽水泥，密度3.06 g/cm3，比表面積345m2/kg；細集料為天然河砂，細度模數2.70，表觀密度2 550kg/m3，含泥量1.2%；粗集料為5～10mm單粒徑石灰巖碎石，表觀密度2 680 kg/m3，針片狀顆粒含量4.8%；試驗用液體外加劑均為江蘇蘇博特生產，分別為PCAR-Ⅰ系列聚羧酸高性能減水劑，減水率25%，以及SBTR-N(Ⅱ)液體速凝劑（無堿型），pH值2.3；試驗用高效防腐劑為淡灰色粉體，比表面積350m2/kg，其他性能指標滿足JCT 1011-2006《混凝土抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑》標準。

1.2 試驗配合比

混凝土試驗采用濕噴工藝及C25噴射混凝土配合比（見表1），對比空白組，高效防腐劑的摻入形式設置外摻及內摻兩種。為進一步探究高效防腐劑與液體速凝劑的相容性，采用水泥凈漿及砂漿體系分別測定了摻防腐劑后的水泥凈漿凝結時間及砂漿抗壓強度等性能。

表1 摻防腐劑的C25噴射混凝土配合比/kg/m3

1.3 試驗方法

噴射混凝土試件采用濕法噴射成型大板切割成型，試件經表面抹平處理后置于標準養護環境養護24h切割出相應尺寸規格的試件進行力學性能及耐久性試驗，其中碳化試驗、硫酸鹽侵蝕試驗及抗水滲試驗按照GB/T 50082-2009標準進行，而抗水滲試驗采用噴射圓臺試模成型及恒壓水滲高度法進行，水滲壓力為0.8MPa。水泥凈漿及砂漿試件成型方法參照GB/T 35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》標準進行，液體無堿速凝劑摻量為占膠凝材料總量的8%。

2 試驗結果與分析

2.1 凝結時間及砂漿強度

快速穩固開挖巖面、初期支護的功能特點要求噴射混凝土具有較快的凝結硬化速率，故本節從防腐劑摻量及摻入形式，探究了高效防腐劑對摻速凝劑凈漿及砂漿強度的影響，其結果見表2。

表2 高效防腐劑與液體速凝劑對凈漿凝結時間及砂漿強度的影響

由表2結果可知，當高效防腐劑以內摻形式摻入時，摻速凝劑水泥凈漿的初終凝時間具有明顯延長，其中采用外摻形式的防腐劑對凈漿體系的凝結時間影響較小。從砂漿力學強度可知，水泥砂漿體系的1d抗壓強度隨防腐劑內摻比例的增加而下降，但后期強度對比無防腐劑體系均有所改善，尤其是90d強度保留率。兼顧凝結時間及砂漿強度的角度考慮，高效防腐劑采用外摻形式與液體速凝劑的適應性較好，并能明顯改善體系的后期強度。

2.2 混凝土力學強度

對比基準組，探究了8%摻量的高效防腐劑在外摻或內摻形式下對噴射混凝土早后期力學強度的影響規律，其結果見圖1。

圖1 不同摻入形式下高效防腐劑對噴射混凝土力學強度的影響

與水泥砂漿結果一致，當高效防腐劑摻入后噴射混凝土的1d抗壓強度均有所不同程度下降，其中以內摻體系下降較多，但仍在10.0MPa以上。圖1結果表明噴射混凝土的后期強度在防腐劑摻入后提升明顯，這可能與防腐劑改善混凝土結構致密性與優化水化結構有關，有利于噴射混凝土的后期強度發展，使得體系的28d抗壓強度均在40MPa，90d抗壓強度更接近50.0MPa。

2.3 混凝土耐久性能

噴射混凝土力學強度結果說明防腐劑的摻入有利于改善其后期強度及水化產物結構，而對混凝土材料而言，其服役環境以水、硫酸根及二氧化碳等侵蝕性介質的存在較為普遍，因此本節從抗侵蝕介質性能方面探究了高效防腐劑對噴射混凝土耐久性能的影響，結果見圖2。

從水滲高度-水滲壓力結果可知，摻高效防腐劑的噴射混凝土抗滲能力有明顯提升，以水滲壓力0.8MPa為例，對比空白組，噴射混凝土的水滲高度從88.6mm分別下降至69.2mm與45.3mm，其中以內摻形式下抗水滲性能改善較為明顯；碳化深度-碳化齡期結果表明高效防腐劑的摻入能明顯提升噴射混凝土抗碳化能力，28d碳化深度≤10.0mm，從碳化作用擬合曲線方向結果可知，體系的碳化系數大小依次為：基準組（1.906）＞防腐劑內摻組（1.202）＞防腐劑外摻組（1.189）；硫酸鹽侵蝕干濕循環試驗同樣表明在摻入防腐劑后，耐蝕系數從K60提升至K90以上，明顯優于空白組的K60。

3 結語

從水泥凈漿凝結時間、力學強度及耐久性能角度探究了高效防腐劑在不同摻入形式下對噴射混凝土的性能影響，得出結論如下：

高效防腐劑的摻入有利于提升摻速凝劑砂漿及噴射混凝土的后期強度，但會造成體系1d強度有所下降，而防腐劑以外摻形式摻入與液體速凝劑具有較好的適應性，對凈漿凝結時間影響較??；

對比基準組，噴射混凝土的抗水滲透、抗碳化性能及抗硫酸鹽侵蝕能力受高效防腐劑的摻入而明顯提高，其中以抗硫酸鹽侵蝕能力提升較為明顯，這可能與高效防腐劑提高了混凝土結構的致密性及改善后期水化結構有關。

圖2 高效防腐劑對噴射混凝土耐久性能的影響