高海拔地质复杂地区喷射混凝土超早强材料应用研究*

徐 锋,曾 超,刘 明,周晋筑,吴 雄

(1.中建铁路投资建设集团有限公司,北京 102600;2.中建西部建设建材科学研究院有限公司,四川 成都 610218)

0 引言

高海拔地质复杂地区地层岩性繁杂、地质活动断裂发育、新构造运动强烈、岩浆侵入体分布广泛,存在大量高地应力、软岩大变形、地下水等地质环境,隧道工程围岩稳定性差,初期支护难度大[1]。为保证工程的质量安全与施工进度,起到快速封闭和支护的作用,隧道设计中对喷射混凝土幼龄期强度提出了极高的要求[2-3]。同时,高原低温低湿环境又会对喷射混凝土的早期强度发展造成一定的负面影响。混凝土早强性能一般指3d抗压强度不低于设计值的70%,7d抗压强度不低于设计值的90%。目前针对地质条件较差的围岩,采取增大喷射厚度或增加胶凝材料用量,提高喷射混凝土初期支护刚度[4]。研究表明,喷射混凝土厚度过大,会增大初期支护结构的弯曲应力、脆性及施工成本[5]。同时,增加喷射混凝土的强度等级并不能明显提升混凝土幼龄期强度发展速度,很难实现早期的超早强性能。混凝土幼龄期强度一般指3d以内的抗压强度,甚至是数小时内的强度发展;超早强性能指混凝土幼龄期抗压强度的快速提升。目前为了实现喷射混凝土的超早强性能往往会加入无机盐、醇胺类早强剂及快硬早强型水泥,但加入过多的早强剂会对混凝土的后期强度和耐久性产生负面影响[6-7]。同时采用快硬早强型水泥与早强剂均会对混凝土的工作性能产生不利影响,造成混凝土的流动性损失过快,不能满足喷射混凝土的可泵性和可喷性[8-10]。

本文围绕喷射混凝土的超早强性能与工作性能保持、长龄期强度增长两方面的矛盾,采用纳米早强功能材料与增强型无碱速凝剂,快速提升喷射混凝土早期强度,并保障混凝土后期强度的增长。同时采用相匹配的混凝土稳态保塑剂,提高混凝土的流动度保持性能,改善混凝土的黏聚性,提升喷射混凝土的可泵性与可喷性。本文将纳米早强功能材料、增强型无碱速凝剂及混凝土稳态保塑剂进行有机结合,开发了高海拔地质复杂地区喷射混凝土超早强材料以解决上述技术难题。

1 试验

1.1 原材料

P·O 42.5水泥、纳米早强功能材料、增强型无碱速凝剂性能如表1～3所示。混凝土稳态保塑剂主要性能为改善混凝土黏聚性与保坍性能,其性能如表4 所示。减水剂性能如表5所示。细集料采用二区机制砂,细度模数2.5,含泥量0.8%,石粉含量8.5%;粗集料为5～10mm碎石,表观密度2 685kg/m3,空隙率34%,含泥量0.5%,压碎指标值6%。

表1 水泥性能

表2 纳米早强功能材料性能

表3 增强型无碱速凝剂性能(掺量8%)

表4 混凝土稳态保塑剂性能(掺量0.01%)

表5 减水剂性能

1.2 配合比

本文试验所采用喷射混凝土配合比为:单方混凝土胶凝材料总量为470kg,纳米早强功能材料等量替代P·O 42.5水泥(表6中替代量为6%),水胶比0.42,砂率0.5,减水剂掺量1%,稳态保塑剂0.01%,无碱速凝剂掺量6%～8%(表6中掺量为7%),容重为2 340kg/m3。具体配合比如表6所示。

表6 喷射混凝土配合比

1.3 表征与性能测试

1)水化热采用Thermometric TAM Air 型八通道热导式等温量热仪进行测试,水灰比为0.4,减水剂折固掺量0.1%,分析纳米早强功能材料对水泥水化进程的影响。

2)水化产物形貌采用Phenom pharos型场发射扫描电镜进行测试,测试龄期为1d和28d,养护条件为海拔3 600.000m的实验室自然养护,温度10℃,相对湿度50%～60%,分析纳米早强功能材料对水化产物的影响。

3)参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》对混凝土拌合物的工作性能进行测试。参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》与JGJ/T 372—2016《喷射混凝土应用技术规程》对混凝土的力学性能进行测试。实验室抗压强度测试采用100mm×100mm×100mm的模具振捣成型,工程应用抗压强度测试采用大板切割成直径和高度均为100mm的圆柱体试件。实验室测试养护条件为标准养护,工程应用测试养护条件为现场养护[11]。实验室试验在常压冬季开展,温度5～10℃,相对湿度60%～70%,包括混凝土拌合物性能测试及试件成形。

2 结果与讨论

2.1 水胶比与减水剂掺量对喷射混凝土流动性和抗压强度的影响

水胶比是影响混凝土强度等级的关键指标之一,对混凝土的强度发展及工作性能有直接影响,而对掺入速凝剂的喷射混凝土早期强度发展作用尚未可知。同时减水剂掺量会对混凝土工作性能产生显著影响,而对于混凝土幼龄期的强度发展影响并未进行研究[11-12]。因此,本小节围绕水胶比与减水剂掺量对喷射混凝土流动性和抗压强度的影响进行研究。采用表6的配合比,不加入纳米早强功能材料和混凝土稳态保塑剂,早期抗压强度测试时间为8h和24h。

不同水胶比对喷射混凝土坍落度及8h和24h抗压强度的影响如图1所示。由图1可知,在减水剂掺量相同条件下,水胶比从0.44变化至0.38,混凝土坍落度从220mm降低至155mm,但混凝土8h抗压强度并没有随水胶比降低而明显增大,呈现出与普通混凝土不同的变化规律。24h抗压强度与普通混凝土变化规律一致,从19.2MPa增大至23.7MPa。推测其原因为:在速凝剂的促凝条件下,混凝土超早期强度的发展主要取决于胶凝材料与速凝剂的总量和比例,而伴随速凝剂促凝作用的减弱,后期的强度发展逐渐由胶凝材料水化及自由水含量来决定。因此,在喷射混凝土中通过降低水胶比来提升幼龄期抗压强度的方法可行性较低,反而会降低喷射混凝土的可泵性与可喷性。

图1 不同水胶比对喷射混凝土坍落度及8,24h抗压强度影响

减水剂掺量对喷射混凝土坍落度及8h和24h抗压强度的影响如图2所示。在相同水胶比条件下,减水剂掺量从0.9%增加至1.2%,混凝土坍落度从18mm增大至225mm,而混凝土8h抗压强度从3.4MPa降低至1.3MPa。24h抗压强度无明显变化,集中在20.8～21.5MPa。抗压强度呈现出不同的变化规律,其原因可能为:减水剂会吸附到水泥颗粒表面,减少了孔隙液中游离Ca2+浓度及裸露的有效接触面积,特别是水化早期,该种缓凝作用更显著。伴随水泥水化作用的进行,水化产物覆盖了吸附的减水剂,阻碍水化的效果减弱,对后期的强度发展影响较小,试验组的水胶比相同,后期强度基本保持一致。由此可看出,相同水胶比条件下,减水剂掺量越高,喷射混凝土幼龄期强度越低。因此,通过直接添加减水剂来提升混凝土工作性能的方法并不适用于配制幼龄期超早强混凝土。

图2 不同减水剂掺量对喷射混凝土坍落度及8,24h抗压强度的影响

2.2 增强型无碱速凝剂对喷射混凝土抗压强度的影响

速凝剂是保证喷射混凝土在短时间内硬化产生强度的关键材料,对于混凝土的幼龄期强度增长及后期强度发展有显著影响[13]。本小节对速凝剂种类及掺量对喷射混凝土的早期强度影响进行了研究。

不同速凝剂对喷射混凝土8,24h抗压强度的影响如图3所示。相较于有碱和低碱速凝剂,无碱速凝剂的喷射混凝土抗压强度更高,8h和24h的抗压强度分别提升200%,36%和130%,51%。其原因为:有碱和低碱速凝剂为了达到快速硬化的效果,含碱量过高或引入氟离子均不利于混凝土抗压强度的增长[14-15]。增强型无碱速凝剂额外引入一定量的混凝土强度增强组分,同时尽量减少对强度发展不利的组分,可显著提升混凝土抗压强度。相比于普通无碱速凝剂,8h和24h的抗压强度分别提升73%,16%。

图3 速凝剂种类对喷射混凝土8,24h抗压强度的影响

不同增强型无碱速凝剂掺量对喷射混凝土8h,24h抗压强度的影响如图4所示。随着增强型无碱速凝剂掺量的增加,混凝土8h和24h抗压强度呈增大趋势,由此看出,可通过增加其掺量来提升混凝土幼龄期的抗压强度。掺量从6%增加至7%,喷射混凝土8h,24h抗压强度分别提升37%和10%;掺量从7%增加至8%,8h,24h抗压强度分别提升8%和4%,提升效果不明显。因此增强型无碱速凝剂的最佳掺量为胶凝材料的7%。

2.3 纳米早强功能材料对喷射混凝土工作性和抗压强度的影响

通过掺入早强剂与快硬早强型水泥来提升喷射混凝土的幼龄期抗压强度,往往会对混凝土的流动性、坍落度保持性、后期强度与耐久性等产生负面影响。本小节采用自研的纳米早强功能材料作为喷射混凝土的早强材料,研究了其对混凝土工作性与不同龄期抗压强度的影响。所采用的配合比如表6所示,不加入混凝土稳态保塑剂,抗压强度测试时间为8h,24h与28d。

不同掺量的纳米早强功能材料对喷射混凝土1.5h坍落度损失及8h,24h,28d抗压强度的影响如图5所示。掺入4%～8%的纳米早强功能材料,8h,24h与28d的混凝土抗压强度分别提升219%～350%,9%～21%,13%～16%。随着纳米早强功能材料掺量的增加,混凝土坍落度损失增大至20mm,坍落度仍可保持在180mm左右,具有较好的流动性,可保证喷射混凝土的可泵性。

图5 纳米早强功能材料掺量对喷射混凝土1.5h坍落度损失及8h,24h,28d抗压强度的影响

2.4 混凝土稳态保塑剂对喷射混凝土工作性能与抗压强度的影响

由2.3节可知,掺入纳米早强功能材料会造成混凝土一定程度的坍落度损失,为了保证喷射混凝土良好的可泵性与可喷性,需添加一定量稳态保塑剂对混凝土的坍落度损失进行调控。

不同掺量的稳态保塑剂对喷射混凝土1.5h坍落度损失及8h,24h,28d抗压强度的影响如图6所示。混凝土坍落度损失随稳态保塑剂用量的增大而减小,掺量为0.01%时1.5h混凝土坍落度损失仅为4mm。当掺量达到胶凝材料的0.015%时,混凝土1.5h后出现坍落度增大现象,对喷射混凝土的可泵性与可喷性产生不利影响,同时8h的抗压强度减小12.5%,因此稳态保塑剂的掺量不宜超过0.015%。稳态保塑剂掺量过大时,仅会轻微降低混凝土8h的抗压强度,而对混凝土24h和28d抗压强度无负面影响。

图6 混凝土稳态保塑剂掺量对喷射混凝土1.5h坍落度损失及8h,24h,28d抗压强度的影响

2.5 高海拔地质复杂地区喷射混凝土超早强材料的作用原理分析

为了研究高海拔地质复杂地区喷射混凝土超早强材料的早强作用机理,分别对比空白组、加入6%纳米早强功能材料、加入6%纳米早强功能材料与0.01%混凝土稳态保塑剂的水泥水化进程及空白组与掺入纳米早强功能材料的1d和28d水化产物形貌。

掺入纳米早强功能材料与稳态保塑剂的水泥水化曲线如图7所示。掺入纳米早强功能材料会显著加快水泥的水化放热速率,同时提高早期的放热量[16-17]。与空白组相比,纳米早强材料的最大放热峰在9h左右,水化放热峰提前11.6h,峰高增强50%,表明纳米早强功能材料能高效促进水泥早期的水化,从而快速提升混凝土早期的抗压强度[18-19]。加入稳态保塑剂后,最大放热峰前出现一个短暂的平台期,水泥开始快速升温的时间推迟1.2h。可推测,加入稳态保塑剂后可在一定程度上延缓水泥在1h左右的水化速率,从而减小混凝土的坍落度损失。而最大放热峰仅延迟0.7h,表明稳态保塑剂对混凝土早期强度增长的影响较小,恰好可满足具有早强要求混凝土的保坍性能提升。

图7 纳米早强功能材料与稳态保塑剂对水泥水化的影响

不同龄期水泥水化产物形貌的SEM图如图8所示。由图8a,b可知,掺入纳米早强功能材料的水泥水化产物中生成大量针棒状结构,其顶部团簇交错连接形成三维空间网状结构,分布广泛且均匀,这类结构为C—S—H凝胶[20]。相较于空白组,图8b中1d水化产物中的C—S—H凝胶结构明显更多。表明水泥中掺加纳米早强功能材料后,纳米早强功能材料能在水泥早期水化过程中提供额外的成核位点,降低水化产物 C—S—H 凝胶的成核势垒,促使水化产物在纳米早强功能材料表面快速成核生长。结合水化热进行分析,这种水化成核结构有效减弱了覆盖在水泥颗粒表面的水化产物膜层,缩短了诱导期,从而加快水泥水化速率。同时生成大量的水化产物,提高结构的密实度,进而加速水泥浆体早期强度的发展[21]。由图8c,d可知,掺入纳米早强功能材料并不会影响后期的水化产物结构,反而有助于提高水化产物结构的密实度,表明该种早强材料并不会对混凝土的后期强度发展产生负面影响。

图8 水泥水化产物的SEM图

2.6 高海拔地质复杂地区喷射混凝土超早强材料的工程应用

本文依托某工程进行应用评价。该工程平均海拔高度3 600.000m以上,年平均气温7.1℃,相对湿度73%,属于川西高原典型的高原高寒气候。

同时沿线地质活动频繁、断裂发育、新构造运动强烈、岩浆侵入体分布广泛,存在大量构造应力高度集中的地质环境。因此,该工程对隧道喷射混凝土的幼龄期强度发展提出了超早强的性能要求,以保证工程质量安全和施工效率。

根据上述研究和现场试验结果,本工程应用的喷射混凝土超早强材料由胶凝材料质量6%的纳米早强功能材料、7%增强型无碱速凝剂及0.01%混凝土稳态保塑剂组成。施工喷射混凝土配合比如表7所示。参照《喷射混凝土应用技术规程》进行抗压强度测试,试件为采用大板钻芯取样制得的直径和高度均为100mm的圆柱体,测试龄期为8h,24h和28d。

表7 施工喷射混凝土配合比

通过现场混凝土取样测试,1.5h后混凝土具有良好的工作性能,保证了喷射混凝土优良的可泵性。从现场喷射施工情况可看出,掺入超早强材料的喷射混凝土具有良好的可喷性,对回弹率等无负面影响。大板钻芯取样试件切面光滑整齐,无缺角,碎石、砂浆分布均匀,表明喷射混凝土具有良好的匀质性及较高的硬化强度。经过检测8h,24h和28d的抗压强度分别为11.9,25.6,53.3MPa。

3 结语

本文针对高海拔地质复杂地区喷射混凝土的超早强性能要求,研究了水胶比、减水剂掺量、纳米早强功能材料、增强型无碱速凝剂及混凝土稳态保塑剂对喷射混凝土的工作性能及抗压强度的影响,将三者有机结合开发了高海拔地质复杂地区喷射混凝土超早强材料,并通过水化热和水化产物探究了超早强和工作性保持性能的作用机制,并在某工程进行了工程应用评价。

1)混凝土水胶比越低,24h抗压强度越高,但8h幼龄期的抗压强度无明显提升,且工作性能变差;相同水胶比条件下,减水剂掺量越高,工作性能提升,但喷射混凝土幼龄期强度越低。

2)增强型无碱速凝剂能显著提升喷射混凝土8h和24h抗压强度,相比于普通无碱速凝剂,8h和24h的抗压强度分别提升73%和16%;掺量越高抗压强度提升越大,最佳掺量为胶凝材料的7%。

3)掺入8%的纳米早强功能材料,8h,24h与28d的混凝土抗压强度分别提升350%,21%,15%;随着纳米早强功能材料掺量的增加,混凝土坍落度损失增大,最佳掺量为胶凝材料的6%。

4)稳态保塑剂可有效降低掺入纳米早强材料混凝土的坍落度损失,掺量为0.01%时1.5h混凝土坍落度损失仅为4mm,对混凝土的抗压强度无负面影响,最佳掺量为胶凝材料的0.01%。

5)掺入纳米早强材料可高效促进水泥早期的水化,水化放热峰提前11.6h,峰高增强50%;水泥水化产物中生成大量针棒状结构,表明在水泥早期水化过程中提供额外的成核位点,促使水化产物快速成核生长。

6)高海拔地质复杂地区喷射混凝土超早强材料在某工程进行应用评价,经检测8h,24h和28d的抗压强度分别达到11.9,25.6,53.3MPa。