湿喷混凝土速凝剂选择及配合比设计方法

李良策(中交二公局第六工程有限公司，陕西西安 710075)

湿喷混凝土速凝剂选择及配合比设计方法

李良策
(中交二公局第六工程有限公司，陕西西安 710075)

对无碱速凝剂和低碱速凝剂对混凝土强度影响研究，湿喷混凝土应首选无碱速凝剂；结合现场大板强度试验结果可完善湿喷混凝土配合比设计方法。

湿喷混凝土；速凝剂；配合比设计

湿喷混凝土是在喷射前已加水拌合混合料，湿喷混凝土不仅是一种施工材料，也是一种施工方法和浇筑过程。喷射混凝土是一种灵活、经济、快速的施工方法，同时要求机械化程度高，专业的操作工人[1]。喷射混凝土首次使用于1914年，经过数十年发展，湿喷混凝土技术在也不断改进。喷射混凝土可用于很多不同的结构，如混凝土修复，隧道，巷道，边坡防护，甚至建筑物的艺术设计。由于我国引进液体速凝剂和湿喷工艺的时间较短，选速凝剂和设计配合比缺乏标准指导。因此，本文对湿喷混凝土速凝剂选择及混凝土配合比设计进行研究，为工程施工提供参考。

1.湿喷混凝土速凝剂选择

1.1 速凝剂品种选择

当前工程施工中常用湿喷混凝土液体速凝剂分为无碱速凝剂和低碱速凝剂两种。无碱速凝剂是指Na2O含量低于1%的碱凝速剂，属于环保型产品。在施工环境良好情况下，使用无碱速凝剂可保证混凝土强度，使混凝土强度随龄期正常发展，混凝土出现裂缝的几率也更低，建筑物外观完整性也更持久。低碱速凝剂是指碱含量在8～20%的速凝剂[2]。当施工环境较差，使用低碱速凝剂可大量挥发至空气，造成人员皮肤灼伤和呼吸系统刺激。不仅如此，混凝土强度也更低，更容易出现裂缝，地下水容易发生渗漏，影响建筑物外观和耐久性。当低碱速凝剂中活性骨料含量在3%～4%时，低碱速凝剂还会带入大量碱，建筑物更容易出现碱性骨料反应。因此，合理选择速凝剂品种对工程质量具有总要意义。

1.1.1 速凝剂品种与抗压强度的关系

将42.5普通硅酸盐水泥，减水剂掺量为0.7%，胶砂强度试验水灰比为0.52，胶砂比为1:2.5。将水泥砂浆和胶砂搅拌混合3min后，分别加入无碱速凝剂、低碱速凝剂，以及不加速凝剂。加入速凝剂后再次搅拌30s，获得成型试件。对试件进行抗压强度实验，实验结果显示，加入无碱速凝剂胶砂后，试件1d抗压强度品偏低，掺加低碱速凝剂胶砂试件1d抗压强度更高。无碱速凝剂和减水剂联合使用，试件28d抗压强度接近100%；而低碱速凝剂和减水剂联合使用试件的28d抗压强度更低，并且抗压强度随着参量增加呈下降趋势。因此，低碱速凝剂虽然可短期内混凝土的抗压强度，但是低碱速凝剂对混凝土的后期强度影响更大，使用无碱速凝剂混凝土的后期强度更好。

1.1.2 速凝剂对砂浆抗裂行的影响分析

将一定配合比砂浆装入抗裂圆环，将成型圆环试件放于水泥恒温养护箱内进行脱模处理（24h）。脱模处理例将试件放入干缩室内，室内温度维持在（20±2）℃，相对湿度维持在（65±5）%，观察混凝土试件出现裂缝的初始试件以及开裂后48h内裂缝数量和最大裂缝宽度，对比不同速凝剂的抗裂性能。混凝土试件参数：减水剂掺量0.8%，水灰比0.5，胶砂比1:20。

从表1的试验结果可以看出，掺加无碱速凝剂混凝土试件的初始开裂时间更长，达到120h，并且试件裂缝少，仅1条。而掺加低碱速凝剂混凝土试件的初始开裂时间段，仅7h。但是试件的裂缝数量更多，试件裂缝数多大6条。两组试件出现裂缝48h内最大裂缝宽度虽然无差异，但是低碱速凝剂试件的裂缝数量更多，总裂缝宽度也更大。掺加低碱速凝剂混凝土试件裂缝更多而初裂试件早的原因可能与速凝剂带入碱量有关，速凝剂带入的碱与水泥带入的碱性质相似，导致砂浆和混凝土的收缩特性更强，而混凝土碱含量更高不利于混凝土后期强度，混凝土出现碱骨料反应更强。对施工现场裂缝数量调查结果也显示参加低碱速凝剂的混凝土出现裂缝现象更加普遍，而掺加无碱速凝剂的混凝土几乎未出现裂缝。因此，喷射混凝土施工中应首选无碱速凝剂。

表1 掺速凝剂水泥砂浆抗裂性能试验结果

2.混凝土配合比设计方法

2.1 喷射混凝土配合比设计的原材料

2.1.1 水泥

喷射混凝土一般采用水泥应具有强度高、抗渗性和耐久性好，应优先选用42.5，以上的普通硅酸盐水泥，也可选择含填料的水泥。如若含填料的水泥满足早期强度要求，有利于后期变形。不同的水泥达到标准稠度的用水量不同，在其他条件相同的情况下，达到标准稠度用水量较少的水泥，拌出的混凝土混合料和易性较好。喷射混凝土水泥多采用CEM II/B-M(S-LL) 42.5 N，该型号水泥已经获得监理工程师批复（见MAR-005），其性能满足EN 197-1:2011规范要求。

2.1.2 水

工程中多以饮用水作为拌和用水，而pH值小于4的酸性水和含硫酸盐量（SO4，一）超过水量1%的水，含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质的水均不得使用。喷射混凝土拌合用水经过LLC Center检测机构检测合格，满足规范BS EN 1008:2002相关条款要求，适用于混凝土拌合。

2.1.3 外加剂

一是高效减水剂。欧洲地区冬季气温低，混凝土要求有M30的强度，V8抗渗，M100的抗冻等级，因而必须使用高校减水剂。减水剂均属表面活性物质，其分子是由亲水基团和憎水基团两个部分组成。。如在水泥中加入适量的减水剂，由于减水剂的表面活性作用，致使憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基团指向水溶液，使水泥颗粒表面带有相同的电荷，在电斥力作用下，水泥颗粒互相分开，絮凝结构解体，包裹的游离水被释放出来，从而有效地增加了混凝土拌合物的流动性[3]。高效减水，其减水率可达10%～20%，相应增加强度15%～30%；由于减水剂的掺入，显著地改善了混凝土的孔结构，使混凝土的密实度提高，透水性降低，从而可提高抗渗、抗冻、抗化学腐蚀及防锈蚀等能力。

二是引气剂。引气剂是指在砂浆搅拌过程中，能引入大量分布均匀的微小气泡，能降低砂浆中调配水的表面张力，从而导致更好的分散性，减少砂浆混凝土拌合物的泌水、离析的添加剂[4]。气剂的界面活性作用与减水剂相似，区别是减水剂的界面活性主要发生在液-固界面上，而引气剂的界面活性主要发生在气-液固界面上。引气剂通过物理作业在砂浆中引入稳定的微气泡，这使湿砂浆的密度降低，施工性更好，并且提高了湿砂浆的产量。

2.1.4 骨料

喷射混凝土所用细骨料细度模数应大于2.5，小于3.5的中砂或粗砂。喷射混凝土所用粗骨料最大粒径不宜大于16mm。就喷射混凝土本身而言，碎石要优于砾石，碎石表面更粗糙更容易粘附，但泵送不如砾石。机制砂的特点，偏粗，不光滑，吸水速度慢，在拌混凝土的时候要提前润湿或适当加长搅拌时间，提高混凝土坍损发生几率。

2.2 混凝土配合比设计

根据水工混凝土配合比设计方法，结合喷射混凝土特点，提出以下喷射混凝土配合比设计方式。

2.2.1 确定喷射混凝土制配强度

喷射混凝土制配强度需要充分考虑设计强度、强度保证率、施工水平以及基准强度与大板强度的差异。因此，可采用以下公式计算混凝土制配强度。概率度系数t参照《水工混凝土施工规范》（DT5144-2001）附录A选用。σ可通过施工试验资料获取，或参照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）表8.10.2中母体标准差选用。△fcu可通过实验确定，或在12～16MPa之间选取，获得试验资料后再调整△fcu取值。

（fcu为制配强度，fcu k为设计强度等级，t为概率度系数，σ为大板试件强度均方差，△fcu为基准混凝土强度与大板试件强度差）

2.2.2 水胶比

根据制配强度、水胶比的强度关系可计算水胶比，根据水胶比结果设计配合比。当水胶比计算结果处于预定范围内，水胶比数值可直接用于计算配合比。当水胶比数值超出规范，应结合规范标准内选择水胶比[5]。根据湿喷混凝土配合比设计实践经验，水胶比应低于0.45。

2.2.3 用水量

结合骨料粒径小、砂率较高的特点，混凝土配合比设计用水量较高，造成混凝土收缩特性下降。为保持较高的粘聚性。应使用坍落度保持性能较高的高效减水剂，保持较好的流动性。

2.2.4 砂率

砂率应维持在50%以上，并根据混凝土肿瘤内和湿喷台车的可泵性选择。施工过程中存在较多影响因素，还应根据经验适当提高砂率，将砂率保持在50%～70%以内。如若砂率较低，可减少水泥用量，保证混凝土的收缩性。

2.2.5 速凝剂掺量速凝剂掺量应以满足施工要求为标准，控制掺速凝剂时间，掺加速度不能过快，否则影响混凝土与第二层之间的粘结。第二层混凝土应采用“硬着陆”喷射方式，增大回弹率[6]。

3.结论

（1）无碱速凝剂对混凝土的远期强度影响小，初裂时间长，裂缝数少，为保证混凝土的耐久性，应首选无碱速凝剂。

（2）湿喷混凝土配合比设计方法引入机口标准试件强度与大板强度之差的参数，可使喷射混凝土配合比设计方法较为完善。

[1]韩斌,姚松,于少峰,吴建勋,李佳梦. 湿喷混凝土可泵性、强度和回弹率的关键影响因素[J]. 金属矿山,2014,07:37-41.

[2]陶坤,李小龙,李泉. 湿喷混凝土在公路隧道初期支护中的施工技术与质量分析[J]. 公路,2011,12:199-204.

[3]李佳梦,韩斌,吴建勋,等. 湿喷混凝土配合比优化试验[J]. 现代矿业,2014,12:156-159.

[4]何文敏,陈华鑫,李祖仲,盛燕萍,关博文. 新拌湿喷混凝土内聚力测试与影响因素分析[J]. 硅酸盐通报,2015,09:2725-2730.

[5]周梅,高红江,曹启坤. 喷射钢纤维混凝土配合比设计及施工方法研究[J]. 工业建筑,2010,07:80-84.

[6]刘洋,尚友磊,何奇. 湿喷机制砂混凝土配合比设计[J]. 高速铁路技术,2012,01:52-56.

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