湿喷混凝土性能研究进展.pdf
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1、2 0 1 5 年 第 7期 (总 第 3 0 9 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 0 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 READY M I XED C0NCRETE d o i : 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 7 0 3 0 湿喷混凝土性能研究进展 何文敏 。陈华鑫 。王闯。 ,张小利。 。 关博文 ( 1 陕西铁路工程职业技术学院, 陕西 渭南 7 1 4 0 0 0 ; 2 长安大学 材料科学与工程学院, 陕西 西安 7 1 0 0 6
2、 4 ) 摘要: 湿喷混凝土因具有改善施工作业环境、 便于混凝土集中生产及质量控制、 有利于发展成高性能喷射混凝土等优越性而 备受关注。 总结湿喷混凝土工作性 、 硬化后特性 、 性能改善措施方面的研究进展, 对研究中存在的问题进行了评述。 关键词: 湿喷混凝土; 性能 ; 研究进展; 工作性; 硬化特性 中图分类号: T U 5 2 8 5 3 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 1 1 8 0 3 R e s e a r c h p r o g r e s s o n p r op e r t i e s o f we t mi
3、 x s h o t c r e t e HE We mn i n , CHE N Hu a x i n , WANG Chu a n g , ZHANG Xi a o l i , GU ANBo we n ( 1 S h a a n x i R a i l w a y I n s t i t u t e , We i n a n 7 1 4 0 0 0 , C h i n a ; 2 S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g C h a n g an U n i v e r s i t y
4、 , x i 铀 7 1 0 0 4 6 , C h i n a ) Ab s t r a c t : We t mi x s h o t c r e t e i s p aid f u l l a u e n fi o n f o r t h e g r e a t a d v ant a g e s i n i mp r o v i n g t h e e n v i r o n me n t o n c o n s t r u c ti o n s i t e , f o c u s i n g o n b a t c h i n g , c o n t r o l l i n g q
5、u Mi fi e s and d e v e l o p p i n g h i g h p e r f o r ma n c e s h o t c r e t e T h e d e v e l o p me n t o f wo r k a b i l i ty, h a r d e n p r o p e r t i e s a n d i m p r o v e me n t me a s u r e s o f p r o p e r t i e s a r e s u m ma r i z e d Th e p r o b l e ms p r e s e n t in t h
6、 e r e s e arc h we r e an a l yz e d Ke y wo r d s: we t m i x s h o t c r e t e ; p r o p e r ti e s ; r e s e arc h p r o g r e s s ; wo r k a b i l i ty; h ard e n p r o p e r ti e s 0 引言 喷射混凝土是借助于喷射机械 , 利用压缩空气或其他 动力 , 将按一定配合比例的混凝土拌合料经管道输送以高 速喷射到受喷面上凝结硬化而成 的一种混凝土 。 从拌和方 法、 压送方式看, 喷射混凝土大体上分干式和湿式两
7、种, 两 者的区别在于水完全与干混合料混合的时间不 同 。 干喷 混凝 土的用水量 由喷射手通过喷嘴处 的计量阀控制 , 存在 粉尘大、 回弹率大 、 混凝土均质性差等问题 。 针对干喷混凝 土存在的问题, 1 9 5 5年湿喷混凝土应运而生, 湿喷混凝土 喷射的是成品塑性混凝土 , 在压送 之前所有水都 加入到混 凝土 中。 目前 , 全世界约 7 0 的喷射混凝土都是采用湿喷 法施工 , 挪威 、 瑞典 、 日本及加拿大等很多 国家的湿喷混凝 土应用已占主导地位 , 斯 堪的纳维亚半岛诸 国、 意大利等 几乎是 1 0 0 的采用湿喷法施工 。 2 0世纪 8 0年代初 , 湿 喷混凝土在
8、我国发展起来 , 并逐渐受到重视。 1 湿喷混凝 土的工作性研 究进展 1 1 湿喷混凝土工作性含 义 喷射混凝土不需要模板、 不需振捣, 决定了湿喷混凝 土工作性的特殊含义 , 特别是 当使用速凝剂后 , 新拌 喷射 混凝 土的性能在短时间 内迅速变化 , 因此喷射混凝土 的工 作性主要指终凝前 的喷射混凝土。 对于湿喷混凝土的工作 性, 很多究者将其划分为可压送性( 也称作可泵性) 、 可喷 性两方面进行研究 。 首先 , 新拌混凝 土在压送压 力或 气流作用下, 具有顺利通过管道、 摩阻力小、 不离析、 不堵 塞和黏聚性 良好 的性质 , 即所谓的可压送性。 新拌混 凝土 通过输送管道后
9、, 喷射至喷射面后还应当在回弹率低 、 不 滑移、 不脱落情况下一次喷射达到一定的喷射厚度, 即满 足可喷性。 1 2 湿喷 混凝 土 可压 送 性 通常认为可压送性( 可泵性) 包含流动性 、 稳定性两方 面含义 。 流动性指新拌混凝 土在 管道中具有流动能力 , 能 顺利通过管道 ; 稳定性指新拌混凝土在压送过程 中保持混 凝土初始拌和状态时组成材料均匀性的能力 。 G a r y研 究表明混凝土可泵 的前提条件是新拌 混凝 土必须具备足 够 的流动性 , 反之并不成立 。 这充分说 明了由于新拌混 凝土的稳定性差异 , 仅凭混凝土的流动性不能预测混凝 土 的可 泵 性。 普 通 泵 送
10、混 凝 土 输 料 管 的 内径 通 常 大 于 1 0 0 m m, 但湿 喷机 输 料 管 的 内径 通 常在 5 0 m m 左 右 , C h a p d e l a i n e 、 B u ms 先后研究 了压送管径在 5 0 1 5 0 m m及 2 5 1 0 0 m i l l 范围时混凝土的可压送性, 研究表明新拌混凝 土在较大管径时可 以压送 , 但较小管径 时却未 必 , 输料 管 径越小 , 满足可压送性所需要 的水泥浆量越多 。 查阅 国 收稿 日期: 2 0 1 4 1 0 1 6 基 金项 目: 国家科技支撑计划课 ( 2 0 1 1 B A E 2 7 B 0
11、4 ) ; 陕西省教育厅 自然科学基金专 ( 2 0 1 3 J K 0 9 3 3 ) ; 国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 0 8 0 6 2 ) ; 中国博 士后科学基金资助( 2 0 1 3 M5 4 0 7 2 6 ) 11 8 内外湿喷机技术参数均建议新拌混凝土的坍落度值大于 5 0 m m。 G o r d o n认为湿喷混凝土坍落度 的最佳 范围是 4 0 - 8 0 m m, B e a u p r 6 用坍落度及压力泌水率双控指标确立了 湿喷 昆 凝土可压送 区域 。 1 3 湿喷混凝土可喷性 1 3 1 一次喷射厚度 一 次喷射厚度指喷射混凝土连续 喷射时 , 保证
12、混凝土 层在不错裂 、 不脱落情况下达到的最大厚度 。 Mo r g a n将新 拌喷射混凝土一次喷射厚度 不足归结为黏 附性差 或 内聚 力低两大原 因: 一方面 , 新喷射混凝 土与喷射面 间的黏附 性差 , 新喷混凝土沿着喷射 面滑移或脱离喷射 面; 另一方 面 , 新喷 射混 凝 土 因 自身 内聚力 低 而脱 落 。 B e a u p r 6 、 G o o d i e r 、 J o l i n等人先后测试了模拟边墙处、 拱顶处喷射混 凝土的一次喷射厚度 , 研究表明一次喷射厚度 与新拌混凝 土的屈服应力线性正相关。 1 3 2 喷射混凝土的 回弹率 喷射混凝土的回弹率通常情况采
13、用平均回弹率表示 , 即受喷面上溅落的混凝土总质量与所喷射混凝土总质量 比值的百分率 。 P a r k e r ” 等人发现 : 在喷射 的最初 阶段 喷 层厚度较低时回弹率较大 , 随着喷射 时间的延长 , 当喷层 厚度大于 5 0 m m后, 回弹率迅速下降并趋于稳定。 因而, 对于喷射混凝土修护工程或设计喷层厚度不大时 , 回弹率 引起的混凝土质量损失 占很大比例 , 并不能展示湿喷 比干 喷 回弹率低的优势。 为降低 喷射混凝 土 的回弹率 , 许 多研 究者开展 了干喷混凝 土 的回弹率影 响因素及 回弹机理 的 研究 , 而针对湿喷混凝土这方面的研究还很少。 由于喷射混凝土喷射速
14、度快 、 碰撞历时 短 , 因而难 于 观察清楚回弹过程, 此外由于新拌混凝土通常被认为是 B i n g h a m流体 , 而 B i n g h a m模型的弹性元件无法解释冲击 粒子的回弹 , 因而喷射混凝土的回弹机理没有得到合 理的 解释。 A r m e l i n 等假设 新喷射 混凝土 为弹 一塑性体 , 遵循 T r e s c a 屈服法则 , 建立 了干喷混凝土骨料 回弹模 型及 回弹 判定准则 。 无论干喷混凝土还是湿喷混凝土 , 都是 在喷 嘴处将 处 于悬 浮运 动 状 态 的混 合 料 以高 速 喷 出 , 因此 A r m e l i n 建立的骨料 回弹模型及
15、回弹判定准则也适用 于湿 喷混凝 土。 2 湿喷混凝土硬化后特性研究进展 普通浇筑混凝土通过振 捣排除空气获 得一定 的密 实 度 , 喷射混凝土则借助于集料对 喷射面 的冲击作用获得一 定的密实度。 然而 , 与普通浇筑成型相 比, 喷射混凝土 回弹 引起附着混凝 土 的水 泥含量较 高 , 进 而影 响混凝 土 的强 度、 体积稳定性及耐久性 , 因此研究附着在喷射面上的 混凝土更具有研究意义。 S t e w a r t 首次描述 了喷射 混凝 土的抗 压强度与喷射速 度 的关 系 , 此 后 G l a s s g o l d 、 A r m e l i n等 也 对 此 进 行 了研
16、 究 , 研究表 明: 喷射速度低 , 则喷射混凝 土 的压 实效果 差 , 导致喷射混凝土强度低; 喷射速度高, 喷射混凝土的密 实度增大 , 但伴随着 高的回弹率 。 由于附着在喷射面混凝 土的胶凝材料含量高、 骨料含量低, 以及使用速凝剂等原 因 , 通常喷射混凝土 比普 通混凝土更易 于产 生收缩裂缝 , 因而很多研究者开展 了湿喷混凝土收缩测试 方法及收缩 特性 的研究 - 1 6 。 此外 , 针对湿喷混凝土抗冻性 、 抗碳化 、 抗离子渗透等耐久性的研究也很 丰富 ” 。 3 湿喷混凝土性能改善措施 目前 , 通常采取 的改善湿喷混凝土性能的措施可以归 为两方面 : 一方 面涉
17、及喷射 技术 , 如 : 采用 先进 的湿 喷机 械, 提高喷射手的技术水平, 调整合适的喷射距离及喷射 角度等; 另一方 面主要针对喷射混凝土的组成材料 , 如 : 调 整水泥特性与用量 , 使用轻质 骨料 降低混凝土 自重 , 添加 高性能减水剂、 速凝剂、 增稠剂等化学外加剂 , 掺加硅灰等 矿物外加剂等。 为 了化解湿喷混凝土可压送性与可喷性 间 的矛盾 , B e a u p r 6 首次提 出了高含气量湿喷混凝土技术 。 3 1 组成材料 3 1 1 水泥 喷射混凝土通常优先选用硅酸盐系列水泥中的硅酸 盐水泥或普通硅酸盐水 泥 , 并 尽可能使用较新 鲜 的水 泥 , 因为这两种水
18、泥 的 C , S和 C , A含 量较高 , 同速凝 剂 的相 容性好 , 能速凝 、 快硬 , 后期强度也较高。 2 O世纪 7 0年代 , 美国、 日 本等国在市场上出售喷射水泥, 喷射水泥是指不 掺用速凝剂而且水泥净浆具有一定塑性 、 专为喷射混凝 土 用 的速凝 、 早强水泥 。 喷射水泥对改善喷射混凝 土的性 能和扩大喷射混凝土应用颇有成效 , 而且 同普通 硅酸盐水 泥相 比, 具有许多优 良的特性 , 如凝结时间能任意调节 , 具 有 良好的快硬性能 , 但专用 喷射水泥一般生产 量小 , 成本 较高 加 。 。 3 1 2 速凝剂 速凝剂是一种在湿喷混凝土 中很重要 、 普遍
19、使用的外 加剂 , 与其他外加剂不 同 , 速凝 剂不是在湿喷 混凝土拌 和 时加入, 而是喷射时在喷嘴处加入。 使用速凝剂的主要 目 的是增加喷射厚度、 加速混凝土早期强度的发展。 速凝剂 的品种繁多 , 其开发及 应用可 以划分为两个 阶段。 第一 阶 段 为元机物类速 凝剂 , 主要成 分是 铝氧熟 料 、 纯碱 、 石灰 岩 , 这类速凝剂一般腐蚀性 较大 , 降低 了混凝 土的后期强 度及耐久性 ; 第 二阶段为有 机高分子 材料增稠 组分 的 复合型速凝剂, 这类速凝剂一般无毒、 无腐蚀性, 但目前仍 然因价格高昂、 掺量相对较高、 对混凝土强度与耐久性产 生较大的负面影响等原 因
20、不能广泛应用 - 2 3 。 3 1 3 矿物掺合料 2 0世纪7 0年代, 挪威首次在喷射混凝土中使用硅灰 , 此后加拿大、 美 国等国家将不同形式的硅灰( 凝 聚硅灰 、 非 凝 聚硅灰 、 浆状硅灰) 应 用于干喷 、 湿喷混凝 土 中。 很多文 献资料 表 明 , 硅 灰 对 喷 射混 凝 土 性 能 有 显著 的改 善 作 用 , 硅灰增加 了湿 喷混凝土 的黏聚性 、 一次喷射 厚度 , 降低 了混凝土 的泌水 、 离析及 回弹率 , 提高 了混凝 土的可 压送性, 改善了抗裂性、 抗冻性、 抗渗性等耐久性能。 在欧 美国家7 5 的喷射混凝土都掺人硅灰, 而在挪威和瑞典, l1
21、9 硅灰是喷射混凝土的必备材料。 与普通混凝土出于相同的 原因, 粉煤灰应用于湿喷混凝土。 粉煤灰能降低新拌湿喷 混凝 土离析 、 泌水趋 势 , 对混 凝土 的抗冻性 、 抗 硫酸 盐腐 蚀 、 抗碱 一集料反应等性能得到改善 。 3 1 4 纤维 在喷射混凝土中掺入纤维材料 , 可 以提高喷射混凝土 的一次喷射厚度 , 改善湿喷混凝土的强度 、 韧性 , 降低收缩 开裂风险。 应用在 喷射混凝 土 中的纤维 材料主要有 钢纤 维、 玄武岩纤维、 聚丙烯纤维、 尼龙纤维及其他高分子合成 纤维。 为充分发挥不 同种纤维各 自的优势 , 研究者还将不 同种类 的纤 维 制 成 混 杂 纤 维 在
22、 喷 射 混 凝 土 工 程 中应 用 。 3 2 高含气量湿喷混凝 土技 术 高含气量湿喷混凝土技术, 即不单纯依靠减水剂提高 混凝土的流动性, 而是通过增大引气剂掺量, 介人大量的 气泡提高 昆 凝 土的流动性满 足可压送性 , 新拌混凝 土被 冲 击压实到喷射面后大量气泡破裂或溢出, 混凝土流动性降 低进而满足可喷性。 由于冲击作用而导致含气量减少 的作 用效果被称之为“ 坍落度抵消效果” 。 B e a u p r 6 所指的“ 高 含气量” 通常要求新拌混凝土的含气量在 1 2 2 0 之间, 喷射后混凝土的含气量一般降至 3 6 , 避免了高含气 量对混凝土抗压强度的负面影响。 高
23、含气量湿喷混凝土技 术可 以不用速凝剂或少用速凝剂 , 该技术在一些 国家的实 际运用 中取得 了较好的效果 。 根据当前液体无碱速凝剂 发展现状 , 该湿喷技术具有应用前景。 4 结语 美 国、 加拿大等 国已形成 了掺矿物外加剂 、 化学外 加 剂及纤维等材料的整套湿 喷方法 。 然而, 湿 喷混凝 土的压 送性与可喷性难以协调、 液体速凝剂掺量大等缺陷极大限 制了它在当今基础设施建设 中的广泛应用 。 组成材料湿喷 混凝土的可压送性 、 可喷性等改善作用 尚处 于定性 阶段 , 还缺乏定量的分析。 高含气量湿喷混凝土在我 国尚未见报 道 , 对 于“ 高含气量” 状况下 气泡的稳定性 、
24、 组成材料对含 气量的影响、 喷射作用对硬化后混凝土的孔结构的影响等 均不得而知。 参考文献: 1 3何文敏, 陈拴发 , 张学钢 新拌湿喷混凝土的性能检测研究 J 混凝土 , 2 0 1 3 ( 3 ) : 9 2 9 5 2 关宝树 隧道及地下工程喷混凝土支护技术 M 北京: 人民交 通出版社 , 2 0 0 9 3 J O L I N M, C H A P D E L A I N E F , G A G N O N F , e t a 1 P u m p i n g c o n - c r e t e : A a u n d a me n t a l a n d p r a c ti c
25、 a l a p p r o a c h J S h o t c r e t e , 2 0 0 6 : 3 3 43 4 7 4 B U R NS D C h a r a c t e r i z a t i o n o f w e t m i x s h o t c r e r e f o r s m a l l l i n e p u mp i n g D C ana d a : U n i v e rs i t y o f L a v al, 2 0 0 8 5 - 1 B E A U P I D R h e o l o g y o f h i g h p e r f o r m a n
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