C30喷射混凝土力学与耐久性能分析

喷射混凝土力学与耐久性能分析C30实验1原材料

1.1水泥采用鹤林牌级普通硅酸盐水泥，其物理性能P.O

42.5骨料粗骨料为单粒级配石灰岩质碎石，表观密度5mm〜10mm细骨料为区中型河砂，细度模数表观密度2980kg/m3H

2.7,含泥量泥块含量2630kg/m3,

0.8%,

0.5%外加剂减水剂采用聚竣酸类高性能减水剂，减水率速凝剂25%分为液体无碱速凝剂和液体有碱速凝剂，主要成分分别为硫酸铝和铝酸钠，性能均符合喷射混凝土用速凝剂规定GB/T35159-2017配合比参数设计

1.2参考喷射混凝土相关标准并结合实际工程设计经验，确定C25/C30喷射混凝土的配合比在喷射混凝土配合比的基础C30迁移系数分别为模筑混凝土的倍和倍，碳化深度相比

1.

131.0728d模筑混凝土增加24%o）水灰比因素方面，在水泥用量一定的情况下，随着水灰比的增大，2喷射混凝土的力学及耐久性能均有所下降以水灰比（质量比）

0.45为例，相比喷射混凝土基准组（水灰比（质量比）为）其C

300.40,56d强度为基准组的

77.9%,渗水高度为基准组的

2.3倍,56d电通量和氯离子迁移系数分别为基准组的倍和倍，碳化深度相比

1.

371.3028d基准组提高建议在喷射混凝土配合比设计中将水灰比（质

29.8%,C30量比）控制在以内，同时严禁在喷射作业前加水

0.40）速凝剂种类方面，有碱速凝剂对喷射混凝土的不利影响高于无碱3速凝剂相比无碱体系喷射混凝土，有碱体系的强度下降C3056d渗水高度增加电通量和氯离子迁移系数分别增加

10.9%,

62.4%,56d和碳化深度提高建议在重大工程中优先选用无

13.5%

4.5%,28d

7.3%,碱速凝剂）强度等级方面，喷射混凝土相比喷射混凝土性能提升显4C30C25著同为无碱体系，的强度相比提高渗水高度下C3056d C

2510.9%,降电通量和氯离子迁移系数分别下降和

20.7%,56d

20.6%

19.8%,28d碳化深度下降普通喷射混凝土的强度可以满足配制要求，

21.5%C30但耐久性能依然处于相对较低的水平，尤其是抗氯离子渗透性能难以满足规范要求，建议在喷射混凝土中复掺适量的矿物掺合料等改C30性材料以综合提升服役水平上，研究不同水灰比（质量比）（

0.38,

0.40,

0.42,

0.45）和不同速凝剂种类（无碱速凝剂，有碱速凝剂）对喷射混凝土力学性能与耐久性能的影响，具体配合比见表表其中，掺无碱速凝剂的2,3C30喷射混凝土记为、掺有碱速凝剂的喷射混凝土记为“AFC30C30“AKC30，C30模筑混凝土记为“CMC30”，C25喷射混凝土记为“AFC25”实验方法13力学性能按照混凝土物理力学性能试验方法标准进GB/T50081-2019行，测试硬化混凝土立方体抗压强度Id,7d,28d,56d耐久性能按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验GB/T50082-2009方法标准进行，主要测试内容为抗水渗透性能、抗氯离子渗透性能和抗碳化性能，其中抗水渗透性能采用渗水高度法，抗氯离子渗透性能采用电通量法和法喷射混凝土试件成型采用湿喷法工艺RCM进行，具体制备方法参考喷射混凝土应用技术规程附JGJ/T372-2016录模筑混凝土试件制备方法为拌合物搅拌均匀后置于相应试模B振动成型，在温度（20±2）℃、相对湿度大于50%的室内静置Id后脱模并标准养护至相应龄期结果与讨论2力学性能

2.1不同水灰比与速凝剂种类对喷射混凝土力学性能的影响如图C301所示由图模筑混凝土体系强度低，且后期强度发展缓1a CMC30慢湿法喷射工艺导致喷射混凝土内部截留大量小孔径气泡降低了结构致密性，同时在速凝剂的作用下水化产物生成过快，覆盖在未水化的水泥颗粒表面从而影响喷射混凝土后期强度发展比较两种速凝剂对喷射混凝土的影响可以看出无碱速凝剂掺入C30下的喷射混凝土强度在同一龄期均高于有碱速凝剂，且后期强度保有率高，例如无碱速凝剂掺入下的和强度分别为同AFC3028d56d龄期模筑混凝土的和而有碱速凝剂掺入下CMC

3085.5%

82.4%,的和强度分别为同龄期模筑混凝土的AKC3028d56d CMC

3068.7%和造成该现象的原因主要在于无碱速凝剂会与水泥颗粒反应

73.3%生成大量钙矶石，虽然会使混凝土快速失去流动性但其不会完全覆盖在水泥颗粒表面，因此无碱速凝剂对水泥颗粒后期水化程度影响不大；有碱速凝剂与水泥颗粒反应生成的水化产物主要由水化铝酸钙和单硫型水化硫铝酸钙组成，同时含有少量凝胶，这些水化C-S-H产物包裹在水泥颗粒表面并具有良好的热稳定性，影响了水泥颗粒进一步的水化，从而影响混凝土后期强度发展相似研究也表明有碱速凝剂快速消耗水泥浆溶液中的与石膏在水化的前C2+S02—4,内就已消耗殆尽，使得铝酸三钙进一步水化生成溶解度更低的20min水化铝酸钙和单硫型水化硫铝酸钙，阻碍了硅酸三钙的溶解从而抑制其进一步水化;而无碱速凝剂的主要成分为硫酸铝，含有充足的硫酸盐控制铝酸三钙的水化进程，因而硅酸三钙的水化得以正常进行在强度等级方面，与均为掺无碱速凝剂的喷射混凝土AKC30AFC25体系，其中的抗压强度为的抗压强AFC3028d

40.7mPa,AFC2528d度为均大于理论配制强度，喷射混凝土的强度相比

33.7mPa,C30C25喷射混凝土提高幅度在范围内

10.9%〜

24.0%由图（）可知，喷射混凝土的抗压强度随着水灰比的增大逐1b C30渐减小，其中水灰比（质量比）和水灰比（质量比）的抗

0.

380.40压强度相差不大，当水灰比（质量比）提升至和时，强度

0.

420.45明显下降，例如水灰比（质量比）时的抗压强度仅为

0.4556d

0.40水灰比（质量比）的对于起结构性支护作用的喷射混凝土而

77.9%言，其早期强度和强度通常要求较高，早期强度一般取强度28d Id为标准，我国岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规GB50086-2015范要求强度不小于而高速铁路水工隧洞工程Id8mPa,TB10753-2010施工质量验收标准更是要求强度不小于然而在施工现场Id lOmPa中经常存在混凝土“力口水”现象，加水会导致喷射混凝土的实际水灰比偏高从而影响强度根据实验结果，当喷射混凝土的水C30灰比由

0.40提高至

0.45时，Id强度低于lOmPa；当水灰比质量比为或时，强度均无法满足的理论配制强度，因此

0.

420.4528d C30在混凝土喷射施工前严禁加水耐久性能

2.2抗水渗透性能

2.

2.1已建和在建的水工隧洞工程调研结果表明，存在开裂渗水问题的水工隧洞数量达到了其中严重渗漏的水工隧洞数量达到了左70%,1/3右，素有“十隧九漏”的说法，因此研究喷射混凝土的抗水渗透性能具有重要的工程意义图为不同混凝土在恒压后的

21.2mPa24h渗水高度情况，在成型工艺与速凝剂种类方面，试件的抗渗性由高到低依次为模筑混凝土体系、无碱速凝剂喷射混凝CMC

3016.3mm土体系、无碱速凝剂喷射混凝土体系AFC

3022.6mm AFC

25、有碱速凝剂喷射混凝土体系喷射混凝

28.5mm AKC

3036.7mm土体系的整体强度及致密性不如模筑混凝土体系导致其抗水渗透性能较差，的渗水高度为模筑混凝土的倍有碱速凝剂对AFC

301.39喷射混凝土抗渗性的不利影响更加明显，其渗水高度相比无碱体C30系增加有研究表明有碱速凝剂会使水泥水化产物结构AFC

3062.4%,疏松、微裂纹增加、有害孔含量更多，因此降低了强度及耐久性能，相对而言无碱速凝剂影响程度较小在强度等级方面，喷射混凝C30土的渗水高度相比喷射混凝土降低如图所示，C

2520.7%o2b C30喷射混凝土的抗水渗透性能随着水灰比的增加逐渐下降，与强度规律类似，当水灰比较小时抗渗性相差不大，当水灰比继续

0.38,

0.40提高，抗渗性下降明显，例如在水灰比时试件的渗水高度已经

0.45达到了约为水灰比的倍水灰比增加会导致喷射

51.2mm,

0.4023混凝土内部的孔隙率增加,因而对外界水起到的阻力更小抗氯离子渗透性能

2.

2.2近年来，在我国一些发达沿海地区逐渐兴起海底水工隧洞建设,例如青岛胶州湾海底水工隧洞、厦门翔安海底水工隧洞等海洋环境复杂多变，尤其是高浓度的氯离子侵蚀对喷射混凝土的耐久性是一个巨大的考验，因此有必要对喷射混凝土的抗氯离子渗透性能进行全面的评价由图（）可知，在成型工艺方面，模筑混凝土体系的抗氯离子渗3a透性能优于喷射混凝土体系，试件的电通量和氯离子迁AFC3056d移系数（DRM）分别为同配比模筑混凝土的

1.13倍和

1.07倍在速凝剂种类方面，有碱体系的抗氯离子渗透性能略差于无碱体AKC30系其电通量和氯离子迁移系数相对无碱体系分别增加AFC30,56d和主要原因还是在于有碱速凝剂后期对混凝土自身微结

13.5%

4.5%,构的破坏从而加快了一的侵蚀速度在强度等级方面，喷射CI C30混凝土的抗氯离子渗透性能相比喷射混凝土有明显提升，C2556d电通量和氯离子迁移系数分别下降和

20.6%

19.8%T B10005-2010铁路混凝土结构耐久性设计规范要求对于设计使用年限为年（例100如水工隧洞等主体结构）的混凝土，其电通量应小于C3056d1200C,应不大于由图（）可知喷射混凝土56ddRCM7X10-12m2/s,3a C30的抗氯离子渗透性能处于中等水平，无法满足标准的要求如图（）3b所示，喷射混凝土的抗氯离子渗透性能随着水灰比的增大逐渐下降，相比C30基准组（

0.40水灰比（质量比）），

0.45水灰比（质量比）时的电通量和氯离子迁移系数分别为基准组的倍和倍56d

1.

371.30当水灰比降低至时，试件的抗氯离子渗透性能提升并不明显，

0.38这表明单一提升喷射混凝土的强度不能有效解决抗氯离子渗透性能较差的问题，大量研究表明在喷射混凝土中掺入适量的粉煤灰或硅灰，能够显著提升喷射混凝土抗氯离子渗透性能因此，建议在氯盐侵蚀环境较为严重的水工隧洞工程中复掺一定比例的矿物掺合料如粉煤灰、硅灰等抗碳化性能

2.

2.3由于水工隧洞内部环境相对封闭，空气中二氧化碳浓度及温湿度较高，喷射混凝土发生碳化的程度更高，碳化使得混凝土内部碱性下降易引起钢筋锈蚀，因而影响水工隧洞整体结构的稳定性由图可知，不同试件在碳化前期碳化速度较快，碳化后期速度4a减缓在成型工艺方面，模筑混凝土由于自身密实程度高,抗碳化性能明显优于喷射混凝土体系，其中无碱体系与有碱体系AFC30AKC30在碳化龄期时的碳化深度分别为和相对模筑混28d

12.4mm

13.3mm,凝土分别增加和有碱体系的抗碳化性能相比无碱体24%33%AKC30系略差,碳化深度提高一方面归因于自身强度及致密AFC3028d

7.3%,性不足导致早期扩散速度较快，另一方面有碱速凝剂的有效成C02分在水化过程中生成了大量碱性化合物如氢氧化钙等，使得可碳化物质含量增加，同时碳化过程中不断生成等物质充填在孔隙CaC03中从而缓解进一步侵入同为无碱体系，喷射混凝土的抗C02C30碳化性能优于喷射混凝土，其碳化深度降低C2528d

21.5%由图（）可知，喷射混凝土的抗碳化性能随着水灰比的增加4b C30而下降，水灰比（质量比）时的碳化深度相比水灰比

0.4528d

0.40（质量比）提高碳化前期四种不同水灰比试件的碳化深度差

29.8%距不大，随着碳化时间的延长差距愈加明显水灰比增加，混凝土的孔隙率增大，密实性下降，有利于的扩散，同时水泥用量相CO2对减少，可碳化物质的生成量降低，碳化速度因此加快当水灰比（质量比）降低至时，喷射混凝土的碳化深度相比水

0.38C3028d灰比（质量比）时下降说明控制水灰比是提升喷射混凝

0.

4024.2%,土抗碳化性能的有效措施结论3试验以喷射混凝土为研究对象，分析不同成型工艺（湿喷法、模C30筑法）、水灰比（质量比）（

0.38,

0.40,

0.42,

0.45）和速凝剂种类（无碱速凝剂、有碱速凝剂）对喷射混凝土力学及耐久性能的影响，C30并与喷射混凝土进行对比，主要结论如下C25）成型工艺方面，由于喷射混凝土特殊的施工工艺以及速凝剂的影1响，喷射混凝土的力学及耐久性能均不如同配比模筑混凝土无碱体系喷射混凝土的强度为同龄期模筑混凝土的渗水C3056d

82.4%,高度为模筑混凝土的倍，电通量和氯离子

1.3956d。