北方寒區輸水隧洞噴射混凝土速凝劑性能指標試驗研究

黃云海

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 本溪 1172000)

干法和濕法噴射混凝土是當前輸水隧洞內襯混凝土主要的噴射方式，干法噴混凝土的速凝劑主要在攪拌均勻的水泥和骨料運輸到噴射機處后再進行添加，這種方式工作環境由于混凝土噴射時產生較大的回彈率具有很大的粉塵，影響工作環境[1]。濕法噴混凝土在攪拌均勻的骨料和水泥通過機械噴槍通過管路壓送到噴頭后添加速凝劑后通過空氣壓縮噴射混凝土，這種噴射方式由于混凝土具有較小的回彈率，使得噴射時粉塵明顯少于干法噴混凝土，施工環境得到明顯改善[2]。兩種混凝土噴射方式在冬季施工時都需要添加速凝劑，但速凝劑的種類和其初凝時間對于噴射混凝土的施工質量影響較為明顯[3]。當前對于噴射混凝土速凝劑性能試驗取得一定研究成果[4-8]，但立足于北方寒區水工噴射混凝土研究還較少，為此文章選用三種常用的速凝劑，對遼寧某輸水工程能進行試驗研究，研究成果對于北方寒區輸水隧洞噴射混凝土質量控制措施具有重要參考價值。

1 主要速凝劑性能指標

粉狀速凝劑和液體速凝劑是噴射混凝土施工時主要添加的兩種速凝劑類型，鋁氧熟料-碳酸鹽類和鋁氧熟料-明礬石系粉狀速凝劑，無堿液體速凝劑和其它類型液體速凝劑主要采用硫酸鋁作為主要材料。現階段國內主要使用的速凝劑有主要成分為鋁氧熟料的粉狀速凝劑、主要成分為水玻璃的堿性液體速凝劑以及主要成分為硫酸鋁的無堿液體速凝劑；其中堿性速凝劑使混凝土的后期強度和抗滲性一定程度降低，而無堿液體速凝劑可以很大程度提高混凝土的后期強度和抗滲性能，并且對人體皮膚不造成損傷，因此在水利工程中開始被廣泛應用，為此文章選擇以上3種混凝劑進行基本性能試驗。常用速凝劑性能試驗結果，見表1。

表1 常用速凝劑性能試驗結果

三種速凝劑凝結時間較為接近，摻量最高的為無堿液體速凝劑，達到6.9%，粉體堿性速凝劑和堿液體速凝劑的速凝劑的摻量相對較低，分別為3.5%和3.2%。粉狀速凝劑的1d抗壓強度略高于無堿液體速凝劑和堿液體速凝劑。無堿液體速凝劑28d抗壓強度比最大，粉體堿性速凝劑28d抗壓強度比最低。液體速凝劑的回彈率要明顯低于粉狀速凝劑的回彈率。無堿液體速凝劑的總堿量最低，為0.39%，粉體堿性速凝劑總堿量最高，可達6.2%。當堿活性或堿活性骨料疑似在混凝土中骨料中存在時，不應采用堿性速凝劑而應該將無堿液體速凝劑作為其噴射混凝土的速凝劑。因此，無堿液體速凝劑適宜在水利工程射混凝土中優先選用，不僅能提升后期混凝土的穩定程度，也可縮減混凝土的回彈率，延長水工混凝土的使用周期。

2 速凝劑不同初凝時間下回彈率指標試驗分析

干、濕兩種混凝土噴射方式下按照《噴射混凝土用速凝劑》(JC477)標準對其速凝劑的初凝時間進行設定，并對不同初凝時間下兩種噴射混凝土方式下的回彈率指標進行檢測，速凝劑初凝時間對回彈率的影響，見表2。

從速凝劑不同初凝時間下噴射混凝土回彈率指標試驗結果可分析，干噴和濕噴混凝土方式下當初凝時間分別介于2-4min及3-5min時其回彈率可達到最佳效果。為此，按照以上兩個混凝土初凝時間對干噴混凝土及濕噴混凝土的初凝時間進行嚴格控制。

表2 速凝劑初凝時間對回彈率的影響

3 粉煤灰摻量對噴射混凝土的影響

3.1 粉煤灰摻量對凝結時間的影響

粉煤灰摻量對速凝劑初凝時間影響較大，為此文章對粉體及無堿液體兩種類型速凝劑在不同粉煤灰摻量下凝結時間進行分析。粉煤灰摻量對水泥凈漿的凝結時間的影響，見表3。

從粉煤灰摻量對水泥凈漿的凝結時間的影響可看出，粉煤灰摻量和速凝劑的凝結時間呈現正相關性，其摻量介于22-43%之間其和速凝劑的凝結時均不能滿足噴射混凝土用速凝劑》(JC477)標準要求。粉煤灰摻量到22%時無堿液體速凝劑凝結時間也不能滿足≤5min的標準要求。粉煤灰在粉體堿性速凝劑和無堿液體速凝劑的最大摻量分別為22%和19%。

表3 粉煤灰摻量對水泥凈漿的凝結時間的影響

3.2 粉煤灰摻量對噴射混凝土強度的影響

對不同類型混凝土的抗壓強度隨粉煤灰摻量變化影響進行試驗分析，干噴混凝土強度隨粉煤灰摻量變化分，見表4；濕噴混凝土強度隨粉煤灰摻量變化分析，見表5。

表4 干噴混凝土強度隨粉煤灰摻量變化分析

表5 濕噴混凝土強度隨粉煤灰摻量變化分析

從干噴和濕噴兩種混凝土噴射方式抗壓強度隨著煤灰摻量變化可看出，當粉煤灰在干噴混凝土的摻量為9%時，其不同類型噴射混凝土的抗壓強度達到最高值，隨著粉煤灰摻量的增加后期抗壓強度逐步減小，在逐步趨于穩定變化，因此粉煤灰摻量越高，干噴混凝土方式下的抗壓強度不一定逐步增加。而對于濕噴混凝土方式下其強度也隨著粉煤灰摻量的增加先遞增再減小后期逐步趨于穩定變化，當粉煤灰摻量達到14%時其抗壓強度達到最高值，后隨著粉煤灰摻量的增加在逐步減小，后期趨于穩定變化。加入粉煤灰后，其混凝土抗壓強度相比于未摻入粉煤灰前均有明顯增加，建議干噴混凝土粉煤灰摻量控制在約9%，濕噴混凝土粉煤灰摻量控制在約14%。

4 試驗結論

1)當堿活性或堿活性骨料疑似在混凝土中骨料中存在時，不應采用堿性速凝劑而應該將無堿液體速凝劑作為其噴射混凝土的速凝劑。因此，無堿液體速凝劑適宜在水利工程射混凝土中優先選用，不僅能提升后期混凝土的穩定程度，也可縮減混凝土的回彈率，延長水工混凝土的使用周期。。

2)粉煤灰摻量到22%時無堿液體速凝劑凝結時間也不能滿足≤5min的標準要求。粉煤灰在粉體堿性速凝劑和無堿液體速凝劑的最大摻量分別為22%和19%。

3)加入粉煤灰后，其混凝土抗壓強度相比于未摻入粉煤灰前均有明顯增加，建議干噴混凝土粉煤灰摻量控制在約9%，濕噴混凝土粉煤灰摻量控制在約14%。