低溫養護下礦物摻合料濕噴混凝土力學性能及配比優化研究

楊 帆，張友鋒，余 姚

(1.贛南科技學院建設工程系,贛州 341000；2.贛州市智能建造重點實驗室,贛州 341000；3.江西省礦業工程重點實驗室， 贛州 341000；4.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；5.江西理工大學理學院，贛州 341000)

0 引 言

濕噴混凝土具有粉塵量低、施工簡便高效、漿體回彈量少及支護效果好等諸多優勢，被廣泛應用到隧道工程、水利工程中，由于其應用效果俱佳也逐漸被應用到地下采礦工程中[1-2]。我國高寒地區國土面積占總國土面積的30%左右，礦產資源儲量豐富，這些地區的平均溫度均較低[3]，而在這些地區采用濕噴混凝土技術后，混凝土的力學性能不可避免受到低溫環境的作用，進而影響混凝土質量及支護效果。噴射混凝土的強度過低不能達到穩定支護的目的，強度過高則會增加噴射混凝土的制備成本，因此有必要對低溫條件下濕噴混凝土力學性能及配比參數的優化進行研究。

目前，諸多礦山科技工作者針對濕噴混凝土力學性能及配比參數開展了大量研究工作，Velay-lizancos等[4]研究了不同類型和配比的混凝土抗壓強度受溫度的影響，得出了低溫使混凝土凝結時間變慢的結論；Pichler等[5]發現C-S-H凝膠等水化產物會受養護溫度影響，使混凝土早期強度與水化反應呈冪指數關系；Cui等[6]通過模擬干熱環境，分析了含纖維材料對混凝土力學性能、孔隙結構的影響，并建立兩者間數學模型；李克慶等[7]對不同養護溫度的濕噴混凝土開展抗壓強度試驗，得出濕噴混凝土的抗壓強度增速隨著養護溫度的增加呈現出先快后緩直至基本穩定趨勢。此外，秉持著可持續發展理念，學者們逐漸關注綠色混凝土制備技術，將粉煤灰、硅灰及礦渣等活性礦物摻合料替代部分水泥，該技術不僅降低混凝土的制備成本，也減少了對環境的污染[8-9]。張一帆等[10]通過開展活性粉末混凝土的抗壓強度試驗，得出添加一定量的硅灰能夠提高混凝土的抗壓強度，但對其抗折強度沒有顯著影響；胡亞飛等[11]得出了礦渣粉-粉煤灰摻量交互作用對混凝體強度影響大于硅粉-粉煤灰摻量交互作用；王輝等[12]開展了高性能自密實混凝土單軸抗壓試驗，得出自密實混凝土抗壓強度與粉煤灰摻量負相關；何淅淅等[13]通過開展混凝土棱柱抗壓性能的試驗研究，得出在低溫養護條件下添加一定量粉煤灰有利于混凝土抗壓強度增長的結論。

綜上可知，國內外學者在低溫養護、礦物摻合料對混凝土力學性能影響方面取得了諸多有益的成果，能夠為混凝土的力學性能研究及配比參數設計提供一定的理論指導。但目前關于低溫養護條件下復摻礦物摻合料對濕噴混凝土力學性能的研究仍不多見，有必要開展進一步的研究工作。基于此，本文為系統探究低溫養護條件下復摻礦物摻合料對濕噴混凝土力學性能的影響規律，以濕噴混凝土抗壓強度為考察目標，通過正交設計試驗，探明養護溫度、礦物摻合料摻量對濕噴混凝土抗壓強度的影響，并通過極差與方差分析，得出作用于濕噴混凝土抗壓強度的顯著性影響因素，最后運用多元非線性回歸建立多因素耦合作用下的抗壓強預測模型。研究結果不僅為濕噴混凝土的參數設計提供指導，也能夠推動濕噴混凝土技術在高寒地區礦山的廣泛應用。

1 實 驗

圖1 廢石顆粒的級配曲線Fig.1 Gradation curve of waste rock particles

1.1 試驗材料

本次試驗采用的廢石顆粒為普朗銅礦廢石破碎而成，顆粒粒徑最大為12 mm，其級配分布曲線如圖1所示，其中砂石顆粒粒徑分布范圍為：d10=0.3 mm，d50=7.0 mm，d80=10.0 mm(其中，d10，d50和d80分別為砂石質量分數10%、50%及80%時對應的粒徑)。水泥為P·O 42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰為二級粉煤灰，硅灰型號為Elkem 920U硅微粉(粉煤灰、硅灰均來自成都凱斯博建材公司)。為改善混凝土的抗變形性能，在混凝土中添加一定量波浪型鋼纖維。粉煤灰和硅灰的化學組成見表1，廢石和水泥的化學組成見表2，鋼纖維的基本物理性質見表3所示。

表1 粉煤灰和硅灰的化學組成Table 1 Chemical composition of fly ash and silica fume

表2 廢石和水泥的化學組成Table 2 Chemical composition of waste rock and cement

表3 鋼纖維的物理性質Table 3 Physical properties of steel fiber

1.2 分析與測試

單軸抗壓試驗采用RMT-150C巖石力學試驗系統進行，該設備由中國科學院武漢巖土力學研究所研制，試驗過程由系統自動控制，試驗加載采用位移控制模式，壓力機垂直液壓缸的垂直出力選擇1 000 kN級別。廢石和水泥的化學成分采用Empyrean銳影X射線衍射儀，該檢測系統是由荷蘭帕納科公司研發，主要參數為：靶材Cu靶，管電壓40 kV，管電流40 mA。試塊微觀測試采用MLA 650F掃描電鏡，首先對試塊進行噴金處理，將噴金處理的試塊用導電膠連接到金屬托盤上，放置到掃描電鏡腔內的載物臺上。合攏腔體并抽真空，15 min左右達到真空環境后，調整鏡頭位置和參數，對試塊的表面形貌進行觀測拍攝，觀察試塊的表面形態。

1.3 試驗方案

基于探索試驗，固定水泥摻量為480 kg/m3，鋼纖維摻量為50 kg/m3，粉煤灰、硅灰以內摻方式進行添加，料漿水灰比為0.42，灰砂比為1 ∶4。通過文獻[14]可知，粉煤灰和硅灰復摻量達到30%(質量分數，下同)時，對混凝土強度的提升效果最顯著。因此，試驗中粉煤灰和硅灰的最大復摻量設計為30%。考慮到本次試驗考察目標較多，選用正交試驗分析養護溫度、硅灰、粉煤灰對濕噴混凝土力學性能的影響規律。試驗設計方案見表4。

表4 正交試驗方案的因素及水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test scheme

1.4 試驗過程

按照試驗設計方案稱取所需要的物料，并將物料放置在攪拌桶中，采用手持式攪拌機將物料攪拌均勻制備成料漿，隨后快速將料漿倒入清理好的模具中(模具長寬高均為70.7 cm)。將澆筑好的模具放置在實驗室內常溫靜置24 h后進行脫模處理，隨后將試樣放置在設計好溫度的養護箱內養護到指定齡期(養護箱溫度、濕度分別控制為20 ℃、90%)。試樣在設計溫度內達到指定齡期后，采用壓力機對試樣進行壓縮試驗，每組試驗取3個樣品進行測試，取其均值作為試驗數據。

2 結果與討論

2.1 試驗結果

濕噴混凝土試樣不同養護齡期抗壓強度如表5所示，標準差如表6所示。為考察硅灰摻量(A)、粉煤灰摻量(B)、養護溫度(C)對濕噴混凝土力學性能的影響程度和顯著性影響因素，采用統計分析軟件 SPSS 進行極差分析和方差分析，結果見表7、表8。

表5 濕噴混凝土抗壓強度Table 5 Compressive strength of wet shotcrete

表6 濕噴混凝土抗壓強度標準差Table 6 Standard deviation of compressive strength of wet shotcrete

表7 極差分析結果Table 7 Results of range analysis

Notes:Kiis the average of the test results of various factors at leveli；Rrepresents range value.

表8 方差分析結果Table 8 Results of variance analysis

2.2 濕噴混凝土試樣抗壓強度的變化特征

圖2 不同養護齡期濕噴混凝土抗壓強度Fig.2 Compressive strength of wet shotcrete at different curing ages

圖2為濕噴混凝土試樣在不同養護齡期下的抗壓強度變化特征。由圖2可知，不同養護齡期濕噴混凝土試樣的抗壓強度均隨養護時間的增加而增大，這說明延長養護齡期能夠有效提升濕噴混凝土試樣的抗壓強度，有利于改善噴射混凝土的抗變形性能及承載性能。整體來看，不同養護齡期濕噴混凝土的抗壓強度增幅并不相同。當養護齡期從7 d增加至28 d時，濕噴混凝土的抗壓強度增幅顯著，說明在該養護區間濕噴混凝土內部水泥水化反應程度強烈；當養護齡期從28 d增加至56 d時，濕噴混凝土試樣的抗壓強度僅有小幅增長，說明在該齡期范圍內，水泥水化反應趨于完全，側面反映了濕噴混凝土在養護后期的抗壓強度逐漸趨于穩定。

2.3 礦物摻合料及溫度對濕噴混凝土強度的影響規律

圖3為濕噴混凝土抗壓強度與三因素間的關系曲線。由圖3(a)可知，不同養護齡期濕噴混凝土試樣的抗壓強度均隨硅灰摻量的增加而增大，說明添加一定量硅灰能有效改善濕噴混凝土力學性能。當養護齡期為7 d時，硅灰摻量的增加對濕噴混凝土試樣抗壓強度的影響最為顯著，而對濕噴混凝土后期抗壓強度影響程度有所減弱。硅灰中的活性物質不僅可以參與水化反應生成一定量C-S-H凝膠，并且硅灰與砂石顆粒相比屬于細顆粒，添加硅灰能夠填充孔隙，進而提高了濕噴混凝土的力學性能[15]。由圖3(b)可知，添加一定量粉煤灰也能夠有效提高濕噴混凝土的抗壓強度，但不同養護齡期則具有一定差異性。養護齡期7 d的濕噴混凝土抗壓強度隨粉煤灰含量的增加而顯著提高，這歸功于粉煤灰的“火山灰效應”及細顆粒的填隙作用[16]，粉煤灰摻量超過10%，養護后期濕噴混凝土抗壓強度基本無顯著變化。由圖3(c)可知，不同養護齡期的濕噴混凝土抗壓強度均隨養護溫度的增加而不斷增大，且增幅各不相同；養護齡期為7 d、28 d及56 d時，養護溫度從3 ℃增加至10 ℃，濕噴混凝土試樣的抗壓強度分別增大了16.13%、13.16%及12.62%，可以看出濕噴混凝土強度增幅隨養護齡期的增大而減小。濕噴混凝土本質上仍屬于水泥基復合材料，養護溫度的增加能夠促進水泥的水化反應及礦物摻合料中的活性物質參與水化反應，使得大量C-S-H凝膠填充到固體顆粒間，形成致密的網絡支撐結構，因此濕噴混凝土試樣強度隨著養護溫度的增加而增大[17]。

圖3 濕噴混凝土抗壓強度與三因素關系Fig.3 Relationship between compressive strength of wet shotcrete and three factors

2.4 濕噴混凝土強度對三因素的敏感性分析

通過對濕噴混凝土試樣抗壓強度的極差與方差進行分析，得到了三因素對抗壓強度的敏感程度。由表7濕噴混凝土試樣7 d抗壓強度的極差分析可知，在試驗設計范圍內，三因素對濕噴混凝土抗壓強度的影響程度順序為硅灰摻量(4.62)>養護溫度(2.04)>粉煤灰摻量(1.66)；由表8濕噴混凝土試樣7 d抗壓強度的方差分析可知，粉煤灰摻量及養護溫度的顯著性水平p值均大于0.05，說明粉煤灰摻量及養護溫度均不是濕噴混凝土試樣7 d抗壓強度的顯著性影響因素，而硅灰摻量的顯著性水平p值小于0.05，說明硅灰摻量為試樣7 d抗壓強度的顯著性影響因素。此外，根據試驗組每一水平的平均強度可知，在本次試驗范圍內濕噴混凝土試樣7 d抗壓強度達到最大值的配比參數：硅灰摻量(15%)、粉煤灰摻量(15%)及養護溫度(10 ℃)。對于28 d濕噴混凝土抗壓強度在試驗設計范圍內，三種因素對混凝土試樣抗壓強度的影響程度順序為硅灰摻量(3.27)>養護溫度(2.81)>粉煤灰摻量(1.86)；根據表8的方差分析結果可知，硅灰摻量、粉煤灰摻量及養護溫度的顯著性水平p值均小于0.05，說明三因素均為試樣28 d抗壓強度的顯著性影響因素。此外，根據試驗組每一水平的平均強度可知，在本次試驗范圍內濕噴混凝土試樣28 d抗壓強度達到最大值的配比參數：硅灰摻量(15%)、粉煤灰摻量(15%)及養護溫度(10 ℃)。對于56 d濕噴混凝土抗壓強度在試驗設計范圍內，三種因素對濕噴混凝土試樣抗壓強度的影響程度順序為硅灰摻量(2.74)>養護溫度(2.27)>粉煤灰摻量(0.94)；根據表8的方差分析結果可知，硅灰摻量、粉煤灰摻量及養護溫度的顯著性水平p值均大于0.05，說明三因素均不是試樣56 d抗壓強度的顯著性影響因素。此外，根據試驗組每一水平的平均強度可知，在本次試驗范圍內的濕噴混凝土試樣56 d抗壓強度達到最大值的配比參數：硅灰摻量(15%)、粉煤灰摻量(15%)及養護溫度(10 ℃)。

2.5 濕噴混凝土強度的多因素耦合預測模型

為定量分析硅灰摻量、粉煤灰摻量及養護溫度與濕噴混凝土抗壓強度間的關系，建立考慮因素交互作用的多因素非線性回歸模型，模型的表達式如(1)所示：

(1)

式中：y為濕噴混凝土抗壓強度，MPa；x1為硅灰摻量，%；x2為粉煤灰摻量，%；x3為養護溫度，℃；bk為模型的回歸系數，其中k=(0,1,2,3,…,6)。

結合濕噴混凝土試樣在7 d、28 d及56 d的抗壓強度數據，利用統計分析(SPSS)軟件自定義模型板塊功能，自主構建多因素回歸模型，并依據正交試驗數據求解出方程的回歸系數，從而建立濕噴混凝土試樣的抗壓強度回歸模型如式(2)～式(4)所示：

濕噴混凝土試樣7 d抗壓強度回歸模型：

(2)

濕噴混凝土試樣28 d抗壓強度回歸模型：

(3)

濕噴混凝土試樣56 d抗壓強度回歸模型：

(4)

結合建立的濕噴混凝土試樣抗壓強度回歸模型，將正交試驗測試得到的數據帶入到回歸模型中。由圖4的實測值與預測值的變化規律可以看出，濕噴混凝土試樣的7 d、28 d及56 d的抗壓強度的最大誤差分別為1.82%、8.12%及4.21%，可以看出預測模型能夠較為準確地預測試樣的抗壓強度，能夠現場工程實踐設計提供一定的理論指導。此外，結合正交試驗結果可知，在本次試驗范圍內的混凝土在硅灰摻量為15%、粉煤灰摻量為15%及養護溫度為10 ℃時，濕噴混凝土試樣的抗壓強度不僅達到最大值，而且也達到了該礦山井巷工程對噴射混凝土的技術參數要求，試驗得到的研究結果能夠為同類型高寒礦山地區的噴射混凝土的參數設計提供一定的參考。

圖4 濕噴混凝土抗壓強度實測值與預測值曲線Fig.4 Curves between measured value and predicted value of wet shorcrete compressive strength

2.6 因素間的交互作用對濕噴混凝土抗壓強度的影響規律

本文以養護齡期28 d時的濕噴混凝土抗壓強度為例，構建混凝土試樣抗壓強度的3D可視化模型，以分析因素間交互作用對濕噴混凝土力學性能影響規律。圖5(a)為養護溫度為10 ℃時，硅灰摻量和粉煤灰摻量的交互作用對濕噴混凝土試樣抗壓強度的影響；圖5(b)為粉煤灰摻量為10%時，硅灰摻量和養護溫度的交互作用對濕噴混凝土試樣抗壓強度的影響；圖5(c)為硅灰摻量為10%時，粉煤灰摻量和養護溫度的交互作用對濕噴混凝土試樣抗壓強度的影響。

由圖5(a)可知:當粉煤灰摻量為5%時，隨著硅灰摻量從5%增加至15%，濕噴混凝土抗壓強度增加了51.0%；當粉煤灰摻量為15%時，隨著硅灰摻量從5%增加至15%，濕噴混凝土抗壓強度增加了22.3%，可看出抗壓強度對硅灰摻量的敏感性與粉煤灰摻量負相關。因此，當添加硅灰和粉煤灰來改善濕噴混凝土力學性能時，為充分提高硅灰對濕噴混凝土抗壓強度的改善效果，粉煤灰含量不宜設計為較高的比例。由圖5(b)可知：當養護溫度為3 ℃時，隨著硅灰摻量從5%增加至15%時，濕噴混凝土試樣的抗壓強度分別增加了22.2%；當養護溫度為10 ℃，隨著硅灰摻量從5%增加至15%時，抗壓強度分別增加了32.1%，可以濕噴看出抗壓強度對硅灰摻量的敏感性與養護溫度正相關。由圖5(c)可知：當養護溫度為3℃時，隨著粉煤灰摻量從5%增加至15%時，濕噴混凝土試樣的抗壓強度分別增加了7.6%；當養護溫度為10 ℃，隨著硅灰摻量從5%增加至15%時，抗壓強度分別增加了22.3%，可以看出抗壓強度對粉煤灰摻量的敏感性也與養護溫度正相關。此外，通過對比粉煤灰和硅灰摻量對濕噴混凝土抗壓強度的改善效果可知，當養護溫度處于較低范圍時，硅灰對濕噴混凝土抗壓強度提升效果要明顯優于粉煤灰對濕噴混凝土抗壓強度的提升效果，因此在高寒地區設計濕噴混凝土性能參數時，可以優先提高硅灰的添加量。

圖5 因素交互作用對濕噴混凝土抗壓強度影響Fig.5 Influence of factor interaction on compressive strength of wet shotcrete

2.7 養護溫度對濕噴混凝土微觀結構的影響

濕噴混凝土宏觀抗壓強度的變化其本質上是內部成分和微觀結構變化的結果。圖6為粉煤灰摻量、硅灰摻量均為15%時，濕噴混凝土在不同養護溫度下的內部微觀結構SEM照片。由圖6(a)可知，當養護溫度為3 ℃時，濕噴混凝土內部生成了針狀鈣礬石晶體及C-S-H凝膠，并且濕噴混凝土內部存有明顯的孔隙結構，微觀結構的致密性較差；由圖6(b)可知，當養護溫度為6 ℃時，濕噴混凝土內部也生成了大量的針狀鈣礬石晶體及C-S-H凝膠，并且濕噴混凝土內部也存在一些孔隙結構，但與養護溫度為3 ℃的試樣相比，微觀結構的致密性有所改善；由圖6(c)可知，當養護溫度為10 ℃時，濕噴混凝土內部也生成了少量的針狀鈣礬石晶體，但絮團狀的C-S-H凝膠則大量覆蓋在濕噴混凝土試樣表面，并且與養護溫度為3 ℃和6 ℃的試樣相比可知養護溫度的增加使得團絮狀膠凝物質大量生成，此時水化產物黏結得相當密實，抗壓強度得到進一步的增強。因此，隨著養護溫度的提高，水化程度和水化產物的結晶程度越來越高濕噴混凝土內部缺陷逐漸減少，結構變得更為致密，從而提高了濕噴混凝土的承載能力，宏觀上表現為抗壓強度的增加。

圖6 不同養護溫度下濕噴混凝土的微觀結構Fig.6 Microstructure of wet shotcrete at different curing temperatures

3 結 論

本文采用正交試驗設計方法對濕噴混凝土的力學性能開展了研究，系統揭示了硅灰摻量、養護溫度及粉煤灰摻量對濕噴混凝土抗壓強度的影響規律，并結合SEM闡明了養護溫度對混凝土力學性能的影響機理，得到相關結論如下：

(1)不同養護齡期的濕噴混凝土抗壓強度增幅不同:養護齡期從7 d增至28 d時，增幅顯著；28 d增至56 d時，則小幅增長。硅灰摻量的增加能夠顯著提高濕噴混凝土試樣的抗壓強度，并且對早期強度的提升效果最為明顯；增加粉煤灰摻量也能顯著提升濕噴混凝土早期強度，但摻量超過10%后，濕噴混凝土抗壓強度基本不受粉煤灰摻量影響。

(2)由濕噴混凝土抗壓強度極差與方差分析可知，養護齡期為3 d、7 d及28 d時，三因素對濕噴混凝土抗壓強度影響程度順序為：硅灰摻量>養護溫度>粉煤灰摻量。此外，硅灰摻量為試樣7 d抗壓強度的顯著性影響因素，而在養護齡期為28 d時，三因素均為濕噴混凝土試樣抗壓強度的顯著性影響因素。

(3)構建的抗壓強度多元非線性回歸模型能夠很好地預測濕噴混凝土抗壓強度，為高寒地區的現場工程應用提供一定指導。此外，依據正交實驗結果，濕噴混凝土試樣7 d、28 d及56 d抗壓強度達到最大值時硅灰摻量為15%，粉煤灰摻量為15%，養護溫度為10 ℃。

(5)養護溫度不變時，濕噴混凝土抗壓強度對硅灰摻量的敏感性與粉煤灰摻量負相關；濕噴混凝土抗壓強度對礦物摻合料的敏感性則與養護溫度正相關，說明養護溫度的增加能夠提高礦物摻合料對濕噴混凝土抗壓強度的改善效果。

(6)結合濕噴混凝土試樣的微觀結構分析可知，隨著養護溫度的提高，濕噴混凝土內部缺陷逐漸減少，結構變得更為致密，從而提高了濕噴混凝土的承載能力，宏觀上表現為抗壓強度的增加。