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高性能喷射混凝土技术研究

　　摘　要　高性能喷射混凝土是具有高工作性、高耐久性等诸多优越性能的喷射混凝土。为配制这种混凝土，提出了如降低用水量等6项具体措施，提高了混凝土强度等；回弹率降到10％以下；粉尘率降到20mg/m3以下，并有显著的经济效益。

　　关键词　高工作性　高耐久性　喷射混凝土

    1　高性能喷射混凝土研究目标

　　高性能喷射混凝土是指具有高工作性(低回弹率和低粉尘)、高耐久性(高强度、高抗渗、高抗碳化、高耐腐蚀)诸多优越性能的优质喷射混凝土。高性能喷射混凝土的设计思想是，不以强度为唯一的指标，而以耐久性为主要指标。这是它与传统喷射混凝土设计的主要区别。

　　经过调查，在我国过去的喷射混凝土支护中，达到设计要求而后期破环的屡见不鲜。碱�骨料反应导致的强度降低、表面开裂、剥落、甚至坍塌，锚杆锈蚀外露、渗水漏水等问题，足以说明在喷射混凝土设计中，应将耐久性指标放在第一位。喷射混凝土强度一般为C15和C20，为了达到设计强度，巷道挖掘断面大，喷射混凝土数量大；同时，干法施工的喷射混凝土回弹率高，粉尘大，材料浪费严重，施工效率低，施工质量差，距离高性能喷射混凝土的要求甚远。如把喷射混凝土施工工艺分为3个阶段，即喷射阶段、硬化早期和硬化后期，则高性能喷射混凝土在各阶段的性能特点要求如下：

　　(1)喷射阶段。具有高粘聚性、附着性，回弹率低、粉尘小；

　　(2)硬化早期。早凝、早强，化学缩减小，干缩小；

　　(3)硬化后期。强度适应，高抗渗、高抗碳化、高耐腐蚀。

　　按质量控制系统的要求，通过采取各种措施，、叉车，使其达到各个阶段的性能指标，最终用耐久性指标：渗透系数、碳化系数、腐蚀系数、干缩系数、长期强度来衡量。当然，在施工时还要测定回弹率和粉尘率。

　　2　达到高性能的具体技术措施

　　为了达到高工作性和高耐久性的目标，我们采取以下技术措施。

　　2.1　降低用水量，降低孔隙率

　　密实的混凝土明显具有较高的强度。研究表明，硅酸盐水泥在水化过程中所需的水灰比仅为0.22。因此，用水量大导致后期水分蒸发后孔隙率加大，将会降低混凝土强度。混凝土基体的孔隙率每减少1％，其强度几乎可以增长10％；基体的孔隙主要来自拌和水过多而产生的凝胶孔与毛细孔。由于在高性能喷射混凝土中要使用许多活性掺和料和多种外加剂，用水量要增加，仅用水泥水化的水灰比是不够的，要根据水泥用量和掺和料的品种、数量确定合适的用水量。在实验中，水灰比为0.45左右。

　　2.2　选择适宜的骨料

　　(1)骨料的强度。采用高强度岩石碎粒做骨料，无疑是高性能喷射混凝土的首要选择。但是，混凝土的强度除了取决于骨料本身的强度外，还取决于水泥浆与骨料的粘结强度，二手装载机。骨料表面粗糙，界面粘结强度高，因而碎石比卵石要好。

　　(2)骨料的粒径。试验表明，混凝土的强度随着骨料粒径的减小而提高。骨料最大粒径减小，不仅增加了骨料与水泥浆的粘结面积，而且容易拌和均匀，骨料周围有害气体减少，水膜减薄，从而提高了混凝土强度。因此，使用小粒径的骨料较好。根据研究，大粒径骨料产生的回弹率也高。我们选用粒径5～10mm的碎石做粗骨料。

　　(3)骨料与水泥浆的相容性。要想获得较好的界面结构，骨料与水泥浆在化学性质和结构上应是相容的。只有这样，水泥水化形成的产物才能与骨料表面物质互相接触连生而形成一个整体。试验表明，硅酸盐水泥与硅质骨料相容较好。

　　(4)粗、细骨料的比例。粗、细骨料的比例通常取决于骨料的级配与形状。根据研究，高性能混凝土中骨料体积的最佳比例为65％，其中细骨料占骨料总量的40％，因此，粗、细骨料的体积比为3∶2。

　　2.3　提高胶结料与骨料界面的强度

　　从骨料与胶结料之间的界面结构看，界面过渡层厚约在20μm范围内，Ca(OH)2富集并定向排列，与其它部分的水泥石相比是一种多孔质的结构，强度低。为了改善其界面结构，采取以下措施：

　　(1)采用水泥裹砂工艺。即将处理过的砂(有一定含水率，杂质少)与水泥预先拌和，在砂子的吸附作用下，水泥在砂粒表面形成1个外壳。喷敷时，表面水增加，稀砂浆中水的移动受到约束，从而显著减少泌水，稠料浆壳体同时阻止了粗骨料沉降，使离析现象大为减少，也使回弹率降低。通过试验，水泥裹砂法可提高强度10％以上。

　　(2)采用水泥裹石工艺。与水泥裹砂法不同的是，水泥裹石法是控制石子表面的含水量，将一定含水量的石子预先与水泥拌和。由于石子的吸附作用，石子被水泥颗粒所包裹，喷敷时，表面水增加，水的移动受到约束，从而显著地减少泌水，阻止了骨料的沉降，回弹率大大降低，界面强度大大提高。通过试验，水泥裹石法可提高强度20％以上。

　　2.4　掺入活性掺和料

　　水泥水化是一个逐步发展的过程。根据研究，28d龄期时，水泥中各种矿物成分的水化程度约为11％～84％，水泥的实际利用率仅为60％～70％，相当一部分水泥起到填充作用。这部分未水化水泥中的CaO，后期遇水后生成Ca(OH)2，体积膨胀，产生内应力，给后期强度带来不利影响，已为实验所证实。掺入活性矿物质掺和料，可以促进水泥水化产物的进一步转化，提高强度，并可以用来置换一部分水泥。经过研究，沸石粉是一种很好的活性掺和料。它是由天然沸石岩经过磨细而成的粉状材料，主要成分为SiO2与Al2O3。它所含的活性成分能与水泥水化产物Ca(OH)2进行二次水化反应，生成含水硅酸钙凝胶与含水铝酸钙凝胶。新生成的水化物使水泥石结构更加致密，从而不仅使喷射混凝土的致密性和抗压强度提高，而且，耐久性也得到改善。掺入的沸石粉重量占水泥重量的10％。

　　2.5　选择适宜的外加剂

　　为了降低用水量，降低回弹率和粉尘率，使喷射混凝土早凝早强，必须使用外加剂。选用了以下几种外加剂：

　　(1)SCR聚合剂。它是一种纤维素类抗分散剂。喷射混凝土拌合物颗粒之间粘结力很小，各组分的密度、粒径也各不相同，由于水和自重的作用，混凝土极易分散，极易从喷壁上掉落。使用SCR聚合剂有两种作用：①SCR聚合剂中含有长链结构的高分子化合物，它将细微颗粒吸附到分子链上，通过细微颗粒之间的纵横交叉，把许多颗粒连接在一起，形成稳定的网状结构；②SCR聚合剂是一种表面活性物质，它改变了颗粒表面的电位，降低了粒子间的排斥作用，增大了粒子间的相吸作用。由于上述两种作用的结果，在宏观上表现为凝聚作用，几乎不泌水，提高了拌合物的粘性，增强了抗分散能力，从而对喷射混凝土降低回弹率、降低粉尘率起到关键作用。SCR聚合剂的掺量以0.4％～0.5％为宜，掺量过多有缓凝作用。

　　(2)膨胀剂。混凝土的早期收缩严重影响后期强度及抗渗能力。要改善这些性能，必须从限制或缩小混凝土的早期收缩入手。混凝土膨胀剂利用多相矿物的缓释性膨胀反应，对混凝土的收缩产生明显的补偿作用，从而显著地提高混凝土的强度及抗渗性能。掺入膨胀剂后，早期膨胀速度较快，后期膨胀速度很慢，这正好适应水泥硬化过程中体积收缩补偿的需要。硬化后期，部分膨胀转移到水泥石结构内部的孔隙及裂缝中，从而使水泥石的内部结构更为致密。掺入膨胀剂，使水泥混凝土在硬化过程中持续地生成较多的针柱状钙矾石晶体，这些晶体会随时间而不断长大连生，并向阻力较小的空隙生长发育；这一过程又伴有C�S�H凝胶的大量交织产生，这些都进一步堵塞各种孔洞，从而使混凝土内部结构得到进一步改善，抗渗性能进一步提高。膨胀剂的掺量为5％。

　　(3)低弹速凝剂。这是我们的研究成果，1995年3月通过河南省煤炭厅鉴定。我们经过反复试验研究，选出合适辅料，制成可降低速凝剂碱性、增加喷射料粘性的复合水泥速凝剂，使用时掺量为水泥重量的4％。

　　2.6　制订详细的操作规程

　　工人的操作技术水平极大地影响着喷射混凝土的质量。上述技术措施，与传统的喷射混凝土作业又有较大的区别。在喷射前，需要预先进行水泥裹砂和水泥裹石作业。另外，掺入了活性掺和料和多种外加剂，工序较以往复杂得多。各个工序有先后次序，否则，将达不到预期效果。所以，必须制订详细的操作规程，对工人进行技术培训。工人必须严格按照技术规程操作。

　　3　结　语

　　(1)采用水泥裹砂和水泥裹石工艺，喷射混凝土骨料与胶结料的界面结构大大改善；掺入活性掺和料，二手平地机，又促进了水泥水化反应，其结构更加致密。它们共同作用的结果使得混凝土的强度、抗渗能力、抗碳化能力、防腐蚀能力等耐久性大大提高。

　　(2)通过使用多种外加剂，喷射混凝土的回弹率降低到10％以下，粉尘量降低到20mg/m3以下，工作性能大大改善，并有显著的经济效益。