北方寒区输水隧洞喷射混凝土速凝剂性能指标试验研究

黄云海

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 本溪 1172000)

干法和湿法喷射混凝土是当前输水隧洞内衬混凝土主要的喷射方式，干法喷混凝土的速凝剂主要在搅拌均匀的水泥和骨料运输到喷射机处后再进行添加，这种方式工作环境由于混凝土喷射时产生较大的回弹率具有很大的粉尘，影响工作环境[1]。湿法喷混凝土在搅拌均匀的骨料和水泥通过机械喷枪通过管路压送到喷头后添加速凝剂后通过空气压缩喷射混凝土，这种喷射方式由于混凝土具有较小的回弹率，使得喷射时粉尘明显少于干法喷混凝土，施工环境得到明显改善[2]。两种混凝土喷射方式在冬季施工时都需要添加速凝剂，但速凝剂的种类和其初凝时间对于喷射混凝土的施工质量影响较为明显[3]。当前对于喷射混凝土速凝剂性能试验取得一定研究成果[4-8]，但立足于北方寒区水工喷射混凝土研究还较少，为此文章选用三种常用的速凝剂，对辽宁某输水工程能进行试验研究，研究成果对于北方寒区输水隧洞喷射混凝土质量控制措施具有重要参考价值。

1 主要速凝剂性能指标

粉状速凝剂和液体速凝剂是喷射混凝土施工时主要添加的两种速凝剂类型，铝氧熟料-碳酸盐类和铝氧熟料-明矾石系粉状速凝剂，无碱液体速凝剂和其它类型液体速凝剂主要采用硫酸铝作为主要材料。现阶段国内主要使用的速凝剂有主要成分为铝氧熟料的粉状速凝剂、主要成分为水玻璃的碱性液体速凝剂以及主要成分为硫酸铝的无碱液体速凝剂；其中碱性速凝剂使混凝土的后期强度和抗渗性一定程度降低，而无碱液体速凝剂可以很大程度提高混凝土的后期强度和抗渗性能，并且对人体皮肤不造成损伤，因此在水利工程中开始被广泛应用，为此文章选择以上3种混凝剂进行基本性能试验。常用速凝剂性能试验结果，见表1。

表1 常用速凝剂性能试验结果

三种速凝剂凝结时间较为接近，掺量最高的为无碱液体速凝剂，达到6.9%，粉体碱性速凝剂和碱液体速凝剂的速凝剂的掺量相对较低，分别为3.5%和3.2%。粉状速凝剂的1d抗压强度略高于无碱液体速凝剂和碱液体速凝剂。无碱液体速凝剂28d抗压强度比最大，粉体碱性速凝剂28d抗压强度比最低。液体速凝剂的回弹率要明显低于粉状速凝剂的回弹率。无碱液体速凝剂的总碱量最低，为0.39%，粉体碱性速凝剂总碱量最高，可达6.2%。当碱活性或碱活性骨料疑似在混凝土中骨料中存在时，不应采用碱性速凝剂而应该将无碱液体速凝剂作为其喷射混凝土的速凝剂。因此，无碱液体速凝剂适宜在水利工程射混凝土中优先选用，不仅能提升后期混凝土的稳定程度，也可缩减混凝土的回弹率，延长水工混凝土的使用周期。

2 速凝剂不同初凝时间下回弹率指标试验分析

干、湿两种混凝土喷射方式下按照《喷射混凝土用速凝剂》(JC477)标准对其速凝剂的初凝时间进行设定，并对不同初凝时间下两种喷射混凝土方式下的回弹率指标进行检测，速凝剂初凝时间对回弹率的影响，见表2。

从速凝剂不同初凝时间下喷射混凝土回弹率指标试验结果可分析，干喷和湿喷混凝土方式下当初凝时间分别介于2-4min及3-5min时其回弹率可达到最佳效果。为此，按照以上两个混凝土初凝时间对干喷混凝土及湿喷混凝土的初凝时间进行严格控制。

表2 速凝剂初凝时间对回弹率的影响

3 粉煤灰掺量对喷射混凝土的影响

3.1 粉煤灰掺量对凝结时间的影响

粉煤灰掺量对速凝剂初凝时间影响较大，为此文章对粉体及无碱液体两种类型速凝剂在不同粉煤灰掺量下凝结时间进行分析。粉煤灰掺量对水泥净浆的凝结时间的影响，见表3。

从粉煤灰掺量对水泥净浆的凝结时间的影响可看出，粉煤灰掺量和速凝剂的凝结时间呈现正相关性，其掺量介于22-43%之间其和速凝剂的凝结时均不能满足喷射混凝土用速凝剂》(JC477)标准要求。粉煤灰掺量到22%时无碱液体速凝剂凝结时间也不能满足≤5min的标准要求。粉煤灰在粉体碱性速凝剂和无碱液体速凝剂的最大掺量分别为22%和19%。

表3 粉煤灰掺量对水泥净浆的凝结时间的影响

3.2 粉煤灰掺量对喷射混凝土强度的影响

对不同类型混凝土的抗压强度随粉煤灰掺量变化影响进行试验分析，干喷混凝土强度随粉煤灰掺量变化分，见表4；湿喷混凝土强度随粉煤灰掺量变化分析，见表5。

表4 干喷混凝土强度随粉煤灰掺量变化分析

表5 湿喷混凝土强度随粉煤灰掺量变化分析

从干喷和湿喷两种混凝土喷射方式抗压强度随着煤灰掺量变化可看出，当粉煤灰在干喷混凝土的掺量为9%时，其不同类型喷射混凝土的抗压强度达到最高值，随着粉煤灰掺量的增加后期抗压强度逐步减小，在逐步趋于稳定变化，因此粉煤灰掺量越高，干喷混凝土方式下的抗压强度不一定逐步增加。而对于湿喷混凝土方式下其强度也随着粉煤灰掺量的增加先递增再减小后期逐步趋于稳定变化，当粉煤灰掺量达到14%时其抗压强度达到最高值，后随着粉煤灰掺量的增加在逐步减小，后期趋于稳定变化。加入粉煤灰后，其混凝土抗压强度相比于未掺入粉煤灰前均有明显增加，建议干喷混凝土粉煤灰掺量控制在约9%，湿喷混凝土粉煤灰掺量控制在约14%。

4 试验结论

1)当碱活性或碱活性骨料疑似在混凝土中骨料中存在时，不应采用碱性速凝剂而应该将无碱液体速凝剂作为其喷射混凝土的速凝剂。因此，无碱液体速凝剂适宜在水利工程射混凝土中优先选用，不仅能提升后期混凝土的稳定程度，也可缩减混凝土的回弹率，延长水工混凝土的使用周期。。

2)粉煤灰掺量到22%时无碱液体速凝剂凝结时间也不能满足≤5min的标准要求。粉煤灰在粉体碱性速凝剂和无碱液体速凝剂的最大掺量分别为22%和19%。

3)加入粉煤灰后，其混凝土抗压强度相比于未掺入粉煤灰前均有明显增加，建议干喷混凝土粉煤灰掺量控制在约9%，湿喷混凝土粉煤灰掺量控制在约14%。