新型輕燒氧化鎂膨脹劑對(duì)纖維噴射混凝土性能的影響

郭海榮

(遼寧葠窩水力發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 遼陽 111000)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

此次試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，其強(qiáng)度等級(jí)為P.O42.5，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的相關(guān)要求，可以用于此次試驗(yàn)研究。

硅灰是此次試驗(yàn)中的礦物摻合料，其二氧化硅含量為86.5%，平均粒徑為0.31 μm，表觀密度為2.23 g/cm3，比表面積為20 m2/g，主要技術(shù)指標(biāo)均滿足《砂漿和混凝土用硅灰》(GB/T 27690—2023)的相關(guān)要求。

試驗(yàn)用粗骨料為粒徑5～10 mm的連續(xù)級(jí)配人工石灰?guī)r碎石，試驗(yàn)用細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.5的石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制砂，其技術(shù)指標(biāo)符合《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 372—2016)等相關(guān)技術(shù)規(guī)范的具體要求。

試驗(yàn)用纖維為聚丙烯纖維，其長度為19 mm，直徑15～40 μm，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 372—2016要求。試驗(yàn)用膨脹劑為武漢三源特種建材有限公司提供，其氧化鎂含量為79.2%。

試驗(yàn)用減水劑為高效聚羧酸減水劑；速凝劑為AF液體無堿速凝劑，其pH值為3.5，含堿量為0.69%，含固量為48.6%，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合《噴射混凝土用速凝劑》(GB/T 35159—2017)規(guī)范要求。

1.2 試驗(yàn)方案

由于聚丙烯纖維噴射混凝土目前已經(jīng)是較為成熟的技術(shù)。結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)范以及工程施工經(jīng)驗(yàn)，確定纖維摻量水平為1.5%。試驗(yàn)中選擇水工隧洞建設(shè)中常用的C45等級(jí)噴射混凝土，坍落度要求為160～200 mm，最終計(jì)算獲取的單方配合比為：水泥430.00 kg、硅灰34.00 kg、機(jī)制砂869.00 kg、碎石835.00 kg、水172.00 kg、減水劑4.64 kg、聚丙烯纖維為3.85 kg。

對(duì)于膨脹劑的摻量，設(shè)計(jì)0%、1%、2%、3%、4%和5%等6種不同的摻量水平進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，獲取膨脹劑對(duì)纖維噴射混凝土性能的影響。

1.3 試件制作

在試件制作過程中首先按照試驗(yàn)方案的配合比計(jì)算稱量好試驗(yàn)材料，然后將機(jī)制砂、粗骨料和聚丙烯纖維加入攪拌機(jī)攪拌3 min，然后加入水泥和硅灰再攪拌2 min，最后加入其余材料繼續(xù)攪拌3 min。

濕噴作業(yè)采用550 mm×450 mm×120 mm的噴射大模板、TK700濕噴機(jī)以及柴油螺桿空壓機(jī)。將拌制好的噴射混凝土材料加入濕噴機(jī)料斗，開動(dòng)濕噴機(jī)并將進(jìn)風(fēng)閥門風(fēng)壓調(diào)整在0.5 MPa，噴嘴距離模具0.5 m左右。在噴射作業(yè)過程中要保證噴射的均勻性。制作完畢的試件在靜置1 d后脫模，然后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期。將養(yǎng)護(hù)完畢的大試件切割成試驗(yàn)需要的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

1.4 試驗(yàn)方法

針對(duì)水工噴射混凝土應(yīng)用環(huán)境和實(shí)際需要，研究中選擇抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗?jié)B性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[1-4]。抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測試采用的試驗(yàn)儀器為NYL-600型壓力試驗(yàn)機(jī)。其中，抗壓強(qiáng)度采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，試驗(yàn)中的加荷速度為0.2 MPa/s。劈裂抗拉強(qiáng)度采用100 mm×100 mm×400 mm的長方體試件，試驗(yàn)中的加荷速度為0.02 MPa/s。抗?jié)B性試驗(yàn)選用的是英國北愛爾蘭法斯特女王大學(xué)研制的Autoclam滲透測試系統(tǒng)[5]，整個(gè)裝置包括儀器主機(jī)和電子控制儀兩部分，具有操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以自動(dòng)測定與計(jì)算混凝土和其他多孔材料的透氣性、吸水性和透水性，從而得到空氣滲透性試驗(yàn)中的氣壓衰減率及恒壓下混凝土的吸水性和透水性。其試件尺寸為直徑100 mm，高150 mm的圓柱。考慮水工隧洞的應(yīng)用環(huán)境和需求，此次試驗(yàn)中僅測試試件的抗?jié)B性質(zhì)，并利用達(dá)西定律計(jì)算得到其水滲透系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)試驗(yàn)中獲得數(shù)據(jù)，整理計(jì)算出不同膨脹劑摻量水平下噴射混凝土在3 d、7 d和28 d齡期的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表1、圖1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各個(gè)齡期噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度均隨著膨脹劑摻量的增加而先增加后減小。由此可見，在纖維噴射混凝土中摻入一定量的膨脹劑可以有效提升抗壓強(qiáng)度，從具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)膨脹劑摻量<3%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度隨著膨脹劑摻量的增大而增大，當(dāng)膨脹劑摻量>3%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度隨著膨脹劑摻量的增加而減小，特別是膨脹劑摻量為5%時(shí)的抗壓強(qiáng)度甚至低于未摻加膨脹劑方案。究其原因，主要是在纖維噴射混凝土中摻入一定量的膨脹劑可以減少混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂隙結(jié)構(gòu)，有效提升纖維噴射混凝土的結(jié)構(gòu)密實(shí)性，因此表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的增加。隨著膨脹劑摻量的進(jìn)一步增大，其膨脹性能不足以彌補(bǔ)自身水化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，且摻量越大該問題越顯著，因此導(dǎo)致纖維噴射混凝土強(qiáng)度的迅速降低。

圖1 抗壓強(qiáng)度變化

表1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

根據(jù)試驗(yàn)中獲得數(shù)據(jù)，整理計(jì)算出不同膨脹劑摻量水平下噴射混凝土在3 d、7 d和28 d齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如表2、圖2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各個(gè)齡期噴射混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度類似，均隨著膨脹劑摻量的增加而先增加后減小。從具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)膨脹劑摻量<3%時(shí)，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著膨脹劑摻量的增大而增大，當(dāng)膨脹劑摻量>3%時(shí)，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著膨脹劑摻量的增加而減小，其原因和抗壓強(qiáng)度類似。總體來看，在纖維噴射混凝土中摻入一定量的膨脹劑可以有效提高其強(qiáng)度，膨脹劑的最佳摻量水平為3%。

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度變化

表2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 抗?jié)B性

根據(jù)抗?jié)B性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同膨脹劑摻加方案試件的水滲透系數(shù)，結(jié)果如表3所示，水滲透系數(shù)隨膨脹劑摻量變化曲線如圖3所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著膨脹劑摻量的增加，纖維噴射混凝土的水滲透系數(shù)呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)，且均處于“很好”的保護(hù)質(zhì)量等級(jí)，說明噴射混凝土本身具有良好的抗?jié)B性。具體來看，當(dāng)膨脹劑的摻量<3%時(shí)，隨著膨脹劑摻量的增加，纖維噴射混凝土的水滲透系數(shù)下降幅度較大；當(dāng)膨脹劑的摻量>3%時(shí)，隨著膨脹劑摻量的增加，纖維噴射混凝土的水滲透系數(shù)下降幅度十分有限。由此可見，在纖維噴射混凝土中摻入一定量的膨脹劑可以有效提升其抗?jié)B性，但是，當(dāng)膨脹劑摻量>3%時(shí)的提升效果十分有限。

圖3 水滲系數(shù)變化曲線

表3 水滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)隨著膨脹劑摻量的增加，纖維噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，膨脹劑摻量為3%時(shí)的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度最大。

(2)在纖維噴射混凝土中摻入一定量的膨脹劑可以有效提升其抗?jié)B性，但是，當(dāng)膨脹劑摻量>3%時(shí)的提升效果十分有限。

(3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在纖維混凝土中摻入新型輕燒氧化鎂膨脹劑可以有效改善其性能，最佳摻量水平為3%。