矿物掺合料在喷射混凝土中的应用研究

范志勇 石妍 罗山 杨梦卉

摘要：

为研究矿物掺合料在喷射混凝土中的应用效果，通过文献调研，分析了粉煤灰、硅粉、凝灰岩粉等矿物掺合料的性能特点、对混凝土性能的影响及其在喷射混凝土中的应用，并通过不同配合比的喷射混凝土试验研究，分析了凝灰岩粉对喷射混凝土性能的影响。结果表明：粉煤灰、硅粉、凝灰岩粉的掺量分别在30%，10%和15%以内时，所配制混凝土能够满足工程施工性能及强度等级要求，并可改善喷射混凝土的和易性、降低喷射回弹、细化内部孔隙结构、提升耐久性能等；复掺凝灰岩粉与粉煤灰的技术方案优于单掺，其可充分发挥两种掺合料的各自优势，综合提升喷射混凝土的施工性能与技术效果；将矿物掺合料掺入喷射混凝土中，是改善混凝土性能、降低工程成本及地缘性材料资源化利用的有效途径。研究成果可为矿物掺合料在喷射混凝土中的应用以及地缘性矿物掺合料的推广提供参考。

关键词：

矿物掺合料； 粉煤灰； 硅粉； 凝灰岩粉； 喷射混凝土

中图法分类号：TV431

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.017

文章编号：1006-0081（2023）04-0103-06

0 引 言

喷射混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将按一定比例配合的拌和料，通过管道输送并高速喷射到受喷面上凝结硬化而成的一种混凝土，其工艺简便、造价经济，被广泛应用于矿山井巷、水利水电、铁路隧道等工程建设中［1-2］。

为了解决现场喷射混凝土普遍存在的强度低、喷层易开裂、回弹量大、粉尘浓度高等问题，通常在喷射混凝土中加入不同掺量的矿物掺合料替代水泥［3-5］，如粉煤灰可一定程度上减弱在喷射混凝土中使用速凝剂造成的强度损失，并且能改善喷射混凝土的和易性，提高抗渗能力等［6-7］；硅粉能显著提高喷射混凝土强度，改善抗渗性、抗冻性以及抗腐蚀性等性能［8］。随着中国大型基建工程建设重心向西部偏远地区转移，因地制宜地开发地缘性矿物掺合料对缓解当地掺合料供需短缺的矛盾、推动工程顺利建设、节约投资等有着重要意义。凝灰岩粉等天然火山灰质材料分布于中国西部部分地区，且具有一定的火山灰活性，其作为水工混凝土矿物掺合料在漫湾、大朝山等工程已有成功应用的先例［9-11］。将凝灰岩粉代替水泥用于水工混凝土中，可在充分利用当地原材料、降低工程成本的同时，实现提高混凝土抗裂能力等作用，但其作为喷射混凝土掺合料的应用研究仍较少。

本文研究、总结了粉煤灰、硅粉等常用矿物掺合料在喷射混凝土中的应用情况，分析了凝灰岩粉在一般水工混凝土中的应用，并通过将凝灰岩粉掺合于喷射混凝土中的试验研究，验证了凝灰岩粉天然火山灰质材料用于喷射混凝土的可行性。研究成果可为矿物掺合料在喷射混凝土中的应用以及新型矿物掺合料的推广提供技术支撑。

1 粉煤灰在喷射混凝土中的应用

粉煤灰是最常用的矿物掺合料之一，在混凝土中掺加粉煤灰不仅可以节约水泥，还具有改善新拌混凝土和易性、减少水化热、提高混凝土抗渗能力等优良性能［6-7］。

通过在喷射混凝土中掺入一定量的粉煤灰取代水泥，所引起的微珠形态效应可以改善喷射混凝土的和易性，减少施工中卡管、堵管的现象［12］。研究表明：高掺量粉煤灰和聚丙烯纤维的加入可降低喷浆压力、改善混凝土的拌和物性能、提高混凝土的抗冻能力［13-14］。粉煤灰可以弥补喷射混凝土中由速凝剂造成的后期强度损失，且能提高混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力［15］。此外，掺入粉煤灰还能改善喷射混凝土的抗渗性能：Paik等［16］在喷射混凝土中掺15%和30%的粉煤灰，可将电通量分别降低26%和16%；王家滨等［17］研究了粉煤灰对喷射混凝土孔隙结构的影响，并指出掺10%～30%的粉煤灰可将喷射混凝土的总孔隙率由15.1%降至10.3%～14.6%。由于粉煤灰的水化反应依赖于水泥水化产物Ca（OH）2的激发，因此喷射混凝土早期强度较低，但经过一段时间的活性激发后，可以促进混凝土后期强度的增长，而与硅粉等掺合料复掺的方式可提高喷射混凝土的早期强度。研究显示：从既要满足喷射混凝土早期强度要求，又能保证喷射混凝土后期強度增长的角度出发，粉煤灰掺量宜控制在5%～20%［18］。

2 硅粉在喷射混凝土中的应用

硅粉是冶炼工业硅或制造硅铁合金的生产过程中产生的工业副产品，主要成分是SiO2（含量一般在85%以上），硅粉由于高比表面积以及高活性，可以显著提高混凝土的早期强度、密实度以及拌和物黏聚性，减少喷射回弹等。由于硅粉的粒度大小分布合理、致密性强、硬度大、耐磨性能好，有益于提高混凝土的耐磨性、抗渗性以及抗腐蚀性等。

研究表明：硅粉能显著改善喷射混凝土的抗冻抗渗性能，且其改善效果通常优于粉煤灰［19］。Park等［20］指出，在喷射混凝土中加入7%硅粉可将电通量降低60%。硅粉能够提高混凝土抗渗性的机理主要在于硅粉具有填充效应，硅粉填充在水泥颗粒周边，水化产生的硅酸钙凝胶可填充喷射混凝土孔隙，大幅度缩小喷射混凝土孔径，从而减少水分渗透通道，改善抗渗性。张俊儒等［21］通过孔隙结构分析发现，掺8%硅粉可将喷射混凝土80%的孔径都缩小至80 nm以内。硅粉能够减少混凝土泌水离析现象，提高混凝土的抗冻性。混凝土气孔中存在着大量的自由水，在混凝土中加入微硅粉之后，由于微硅粉比表面积大，颗粒极其微小，因此微硅粉会约束混凝土中的自由水，进而大大减少混凝土的泌水率［22］。单掺8%的硅灰能有效促进铝酸盐液态速凝剂的凝结效果，提高混凝土强度，增加黏聚性［23］。

工程中已有将硅粉作为掺合料成功应用于喷射混凝土中的实例。在南水北调中线工程（北京段）西四环暗涵工程中［24］，喷射混凝土设计强度为C30，厚度为30 cm，为预防和抑制碱骨料反应，提出了将Ⅰ级粉煤灰与硅粉分别以15%和6%的比例复掺并控制混凝土总碱含量的综合措施，在工程中成功应用，取得了良好的技术经济效益。在锦屏Ⅱ级电站引水隧洞喷射混凝土工程中［25］，掺入10%硅粉与0.9 kg/m3钢纤维后，喷射混凝土拌和物黏稠，回弹率由23.0%降至14.8%，一次性喷射厚度由8 cm以下提高至10 cm以上，强度由32 MPa提高至36.5 MPa，弯曲韧性也显著改善。巴基斯坦塔贝拉水电站扩建工程永久边坡［26］所用C50喷射混凝土的水胶比为0.31～0.35，硅粉掺量分别为6%，8%和10%时，喷射回弹率在8.5%～11.3%之间，混凝土28 d抗压强度为36.6～62.3 MPa。在辽宁大伙房水库输水工程以及平顶山煤矿支护工程中［27］，也采用了复掺硅粉的掺合料方案，以降低现场回弹率及粉尘浓度。

3 凝灰岩粉在喷射混凝土中的应用研究

3.1 凝灰岩粉在水工混凝土中的应用

凝灰岩属于天然火山灰质材料［28-29］，即本身具有火山灰活性的天然矿物质材料，结构有层理、颜色多样，根据其含有的火山碎屑成分，可分为晶屑凝灰岩、玻屑凝灰岩和岩屑凝灰岩。

已有较多研究将凝灰岩粉应用于混凝土掺合料中。Liguor等通过化学分析和力学性能表征，论证了凝灰岩粉具有火山灰活性，可用于制造环境友好型复合水泥［30-32］。有研究对比了掺粉煤灰和凝灰岩粉复合胶凝材料抗压强度的发展规律［33-34］，结果表明：与粉煤灰相比，碎屑状凝灰岩颗粒的结晶成核效应和微集料效应在水化初期更为显著，因此掺凝灰岩粉的复合胶凝体系早期强度较高，后期发展潜力不大；同等条件下，凝灰岩粉比表面积越大，复合胶凝材料砂浆试件的抗压强度越大。

凝灰岩粉作为矿物掺合料代替水泥用于水工混凝土中，可充分利用当地原材料，降低工程成本，简化温控措施，加快施工进度，并提高混凝土的抗裂能力。漫湾水电站重力坝（最大坝高132 m）［9］将凝灰岩粉应用于大坝混凝土中，为工程投资节约了至少1 000万元。大朝山水电站［10］碾压混凝土重力坝（最大坝高115 m）的大坝混凝土选用磷矿渣和凝灰岩1∶1混磨生产的PT料作为混凝土掺合料，解决了当地粉煤灰资源缺乏的实际问题。

3.2 凝灰岩粉用于喷射混凝土的试验研究

依托西藏街需水电工程，验证凝灰岩粉用于喷射混凝土的可行性。模拟喷射试验主要利用工程原材料及当地凝灰岩资源，统一普硅42.5水泥及其他原材料品种，以粉煤灰与凝灰岩粉为不同掺合料品种，对比不同掺合料方案对喷射混凝土性能的影响。现场无硅粉材料料源，因此未进行对比试验。

掺合料品质检测结果见表1。湿喷混凝土模拟试验按照DL/T 5721-2015《水工喷射混凝土试验规程》进行，采用喷大板切割试件进行相关性能测试。喷射混凝土试验配合比及拌和物性能见表2。

试验结果表明：4组配合比混凝土拌和物的黏聚性良好，无泌水或泌浆现象，坍落度均在120～140 mm范围内。拌和物性能相当时，对比无掺合料的基准组M1，单掺20%粉煤灰的喷射混凝土用水量减少4 kg/m3，单掺凝灰岩粉、复掺凝灰岩粉与粉煤灰的喷射混凝土用水量分别增加4 kg/m3和1 kg/m3。喷射试验过程顺利，各组配合比喷射后均在30 min内硬化。保持混凝土拌和物坍落度相当的情况下［34］，优质粉煤灰因其球形的微观形貌，可发挥减水效果，而凝灰岩粉颗粒为表面粗糙的碎屑狀，会增大多元组分的内摩擦力，从而增加用水量，且掺量越大，混凝土用水量越高。因此，应适当控制凝灰岩粉的最大掺量，而与粉煤灰复掺是较为合理的方案。同时，在室内模拟喷射条件下，混凝土的回弹率为15.5%～18.4%，复掺粉煤灰与凝灰岩粉的回弹率最低，基准混凝土回弹料中浆体略多。

4组配合比的力学性能结果见表3和图1。试验结果表明：模拟喷射混凝土的表观密度在2 130～2 210 kg/m3之间，对比基准配合比M1，掺合料的掺入均增加了喷射混凝土的密实性，而复掺的效果最

好。4组配合比28 d龄期的抗压强度在29.4～32.8 MPa之间，满足C20混凝土的技术要求；单掺及复掺凝灰岩粉的强度值均高于基准组，复掺粉煤灰与凝灰岩粉的强度值略高，源于其较好的密实性。由于水化后期粉煤灰的火山灰效应逐渐体现，因此，单掺粉煤灰的喷射混凝土28 d抗压强度增长率高于单掺凝灰岩粉。劈拉强度及抗折强度的变化规律与抗压强度基本一致。4组喷射混凝土与岩石的28 d粘结强度在0.89～1.06 MPa，复掺粉煤灰与凝灰岩粉的结果略高一些，超过1.0 MPa，达到GB 50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》中Ⅰ类岩石的技术要求。

凝灰岩粉具备一定的火山灰活性［34］，合理的掺量可使喷射混凝土满足工程要求的技术指标。因此，凝灰岩粉天然火山灰质材料用于喷射混凝土是可行的。但凝灰岩粉的火山灰效应多体现在早期，混凝土后期强度增长趋势不及掺粉煤灰的混凝土。综合试验结果，凝灰岩粉与粉煤灰掺合料的掺入，通过微集料效应和颗粒效应，均可改善拌和物的黏聚性和工作性，从而减少喷射回弹、提高喷射混凝土密实性，继而提高喷射混凝土力学性能，提升工程的长期耐久性。降低现场喷射混凝土的回弹率，不仅能节约材料用量、提高施工效率，还能保障工程质量［35］。对比而言，凝灰岩粉与粉煤灰复掺的技术方案更优，可充分发挥2种掺合料的品质特性，保障喷射混凝土性能发展。

4 结 论

矿物掺合料的合理利用，是改善喷射混凝土性能、降低工程成本的重要技术措施。本文通过文献调研与试验研究，分析了粉煤灰、硅粉、凝灰岩粉等不同矿物掺合料在喷射混凝土的性能及应用，结论如下。

（1） 粉煤灰、硅粉掺入喷射混凝土，掺量一般控制在30%和10%以内，能够改善喷射混凝土的和易性、降低喷射回弹，改善内部孔隙结构，并提高喷射混凝土强度，提高抗渗、抗冻及抗硫酸盐侵蚀等耐久性能。

（2） 充分利用地缘性材料，是混凝土矿物掺合料的发展趋势与技术需求。凝灰岩粉作为天然火山灰质材料，其在混凝土中可发挥早期水化活性，在模拟喷射试验中，15%的凝灰岩粉掺量可满足喷射混凝土的技术要求。为充分发挥不同掺合料的品质特性，凝灰岩粉与粉煤灰复掺的技术方案更优。

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（编辑：江 焘，高小雲）

Application research of mineral admixture used in shotcrete

FAN Zhiyong1，SHI Yan2，LUO Shan1，YANG Menghui2

（1.Huaneng Yaluzangbujiang River Hydropower Inc.，Chengdu 610047，China； 2.Materials and Structures Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）Abstract：

In order to research the application of mineral admixture used in shotcrete，through literature research，this paper analyzed the performance characteristics of mineral admixtures such as fly ash，silica fume，tuff powder，etc.，their influence on the concrete performance and their application in shotcrete.By the experiment of shotcrete with different mix proportion，The influence of tuff powder on the performance of shotcrete was studied.The results showed that when the content of fly ash，silica fume and tuff powder was within 30 %，10 % and 15 % respectively，the engineering construction performance and strength requirements could be meet，the workability of shotcrete could be improved，the rebound of shotcrete could be reduced，the internal pore structure could be refined and the durability of the shotcrete would be improved.The technical scheme of composite admixture of tuff powder and fly ash was better than that of single admixture，which could give full play to the respective advantages of the two admixtures and comprehensively improved the construction performance and technical effect of shotcrete.The incorporation of mineral admixtures into shotcrete was an effective way to improve the performance of concrete to reduce the engineering cost and to utilize geomaterials.The research results can provide references for the application of mineral admixtures in shotcrete and the promotion of geo-mineral admixtures.

Key words：

mineral admixture； fly ash； silica fume； tuff powder； shotcrete

收稿日期：

2022-06-21

基金項目：

国家自然科学基金项目（52179122，U2040222）；湖北省自然科学基金项目（2022CFD026）

作者简介：

范志勇，男，高级工程师，主要从事水利水电工程建设管理工作。E-mail：393765709 @qq.com