硫酸鹽環(huán)境中噴射混凝土配合比設計

1、2010年第5期(總第247期)Number5in2010(TotalNo247)混凝土Concrete預拌混凝土READYMIXEDCONCRETEdoi：103969~issn1002—3550201005027硫酸鹽環(huán)境中噴射混凝土配合比設計廖乃鳳，鄧德華，黃波，杜火文，鐘磊(中南大學土木建筑學院，湖南長沙410075)摘要：介紹了加摻合料噴射混凝土配合比的一般設計方法及步驟，從理論上分析了硫酸鹽腐蝕環(huán)境中通過加摻合料的方式對噴射

2、混凝土配合比進行優(yōu)化的可行性，并通過試驗研究了雙摻粉煤灰和硅灰對噴射昆凝土凝結時間和早期強度的影響。結果表明：以10％的粉煤灰5％的硅灰雙摻等量取代水泥，其凝結時間、強度增長等性能均能滿足施工及設計承載力要求。關鍵詞：噴射混凝土；硫酸鹽侵蝕；配合比設計；等量取代中圖分類號：TU528062文獻標志碼：A文章編號：1002—3550(2010)05—0083—04MixdesignofshotconcreteinSlJIfateenvir

3、onmentLIAONai—feng，DENGDe—hua，HUANGBo，DUHuo—well，ZHONGLei(CivilEngineeringandArchitectureCollege，CentralSouthUniversity，Changsha410075，China)Abstract：Ageneralmethodandapproachesofthemixdesignofshotconcretewithadmixturewe

4、reintroducedThefeasibilityoftheoptimiza—tionofshotconcretemixpropoaionwasdiscussedtheoreticallyTheinfluenceoftheadmixtureofflyashandsilicafumeonsettingtimeandstrengthintheearlystageofshotconcretewasstudiedexperimentallyR

5、esultsshowedthat，shotconcreteresistancetosulfateattackcanbeobvi—ouslyimprovedbyequalreplacementofcementwith10％flyashand5％silicafumeTheconcr~epropertiessuchassetingtimeands~engthgrowthmetthedemandsofconstructionandbearing

6、capacitydesignedKeywords：shotconcrete；sulfateattack；mixdesign；equalreplacement0引言硫酸鹽侵蝕是混凝土劣化的一個重要因素[1】，嚴重影響混凝土結構耐久性。處于硫酸鹽環(huán)境中的混凝土構筑物，由于侵蝕性離子的滲入，會引起混凝土強度降低、表面結晶剝落、鋼筋銹蝕、結構過早開裂并導致混凝土內部結構破壞，使構筑物的承載力下降，影響結構的安全。在我國很多地區(qū)均存在嚴重的硫酸鹽

7、腐蝕，如我國西南、西北和沿海地區(qū)均發(fā)現過因硫酸鹽侵蝕而引起混凝土建筑物破壞的實例『2J，在西南地區(qū)部分鐵路隧道工程中表現特別明顯。如筆者在成昆線某隧道調研時發(fā)現，襯砌滲漏水中so~濃度高達3378mgm，使隧道初支噴射混凝土受到了嚴重侵蝕，某些地段已嚴重危及了隧道的安全運營。處于這類地質條件下的混凝土構件，使用普通水泥混凝土會產生嚴重的硫酸鹽侵蝕，故此類工程須使用具有優(yōu)良抗硫酸鹽侵蝕能力的混凝土，以提高結構耐久性。噴射混凝土的配合比設計

8、方法和技術要求不同于普通混凝土，它具有自身的工藝特點。其配合比一般采用經驗公式和圖表計算確定，在目前發(fā)表的文獻資料中并不常見，特別是應用于硫酸鹽侵蝕環(huán)境中的噴射混凝土設計目前更是鮮有報導。因此，對于處在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中的噴射混凝土結構(例如隧道初支)，設計出具有抗硫酸鹽侵蝕性能的噴射混凝土配合比，是提高硫酸鹽環(huán)境條件下噴射混凝土結構耐久性的一個重要方法。首先闡述了采用外摻方式改善噴射混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的配合比設計方法，并通過理論分析

9、確定了摻合料種類及其改善噴射混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的機理，最后通過試配性能試驗確定摻合料的摻量比例。1噴射混凝土配合比設計噴射混凝土的配合比設計應先通過計算求出初始配合比，再通過現場試配確定其施工配合比，最終的施工配合比須滿足設計強度和噴射工藝要求，即易噴射、不堵塞、回彈量小和粉塵少，同時要滿足工程設計的質量好、強度高、密實度高、防水性能好等要求。設計配合比時應兼顧混凝土的黏聚力、稠度和強度(抗壓強度、抗拉強度及與巖面的黏結強度)。11

10、確定砂率S砂率系根據粗骨料的最大粒徑D和砂的細度模數來確定，可由經驗式(1)求得[3]：Sp=50／／anOmax~~“xlO0％(1)式中：s砂率，％；，I一砂的細度模量；——粗集料的最大粒徑，flin。計算求得的砂率，若其值不在規(guī)范參考取值范圍內，可根據規(guī)范做相應調整，還應通過在不同部位的試噴效果進行調整，確定實用的砂率。收稿日期：201001—19基金項目：鐵道部重大科技專項“鐵路隧道混凝土結構鹽侵蝕防治技術”(2008G025一

11、C)83學兔兔www.xuetutu.com該反應使混凝土中氫氧化鈣濃度降低，石膏及鈣礬石生成數量相應減少，緩解了結晶膨脹，隨著摻量的增加，這種緩解作用越明顯；同時，此反應消耗了混凝土中薄弱的Ca(OH)：結晶，大大降低了混凝土內部孔隙率，改善了混凝土孔結構，提高了混凝土的密實性。(2)形態(tài)效應：粉煤灰由大小不等的球狀玻璃體組成，其表面光滑致密在混凝土中具有滾珠軸承的作用；同時，粉煤灰微細顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，阻止了水泥顆粒黏聚，

12、減少用水量，提高混凝土的密實度。(3)微集料效應：粉煤灰微細顆粒填充到未水化水泥顆粒之間，改善混凝土的微觀結構，增強混凝土的密實性。由此可見，粉煤灰在混凝土中，一方面，通過活性效應穩(wěn)定了易引起侵蝕的組分，限制了侵蝕的發(fā)生，摻量越大，這種作用越大；另一方面，提高了混凝土密實度，從而提高其抗?jié)B性，減少了硫酸鹽的滲透。總之，由于粉煤灰在混凝土中產生的三大效應相互作用，從而提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。22摻入硅灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的作用硅灰

13、是硅鐵合金廠在冶煉硅鐵合金或金屬硅時從煙塵中收集的超細粉末，主要南顆粒極細的非晶態(tài)SiO所組成，活性SiO含量高，平均粒徑小，比表面積大。在工程中大量應用的礦物摻合料中硅灰被認為是活性最高的礦物摻合料。硅灰的摻入能夠顯著提高新拌混凝土的黏聚性、減少泌水和防止混凝土離析，改善混凝土的微細觀結構，提高混凝土的強度，增加其抗腐蝕能力和耐久性。研究表明“】：摻入硅灰可以提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕的能力；摻人硅灰還可以使硅酸鹽水泥水化物中的鈣硅比減

14、小。與粉煤灰類似，硅灰在混凝土中也會發(fā)生火山灰效應、微集料效應和孔隙溶液化學效應。(1)火山灰效應：硅灰中活性SiO：含量高，平均粒徑小，極易與氫氧化鈣反應生成C—S—H凝膠，即：Ca(OH)2SiO2H20—C—S—H硅灰接觸拌合水后首先形成富硅的凝膠，并吸收水分；凝膠在未水化水泥顆粒之間聚集，逐漸包裹水泥顆粒；ca(OH)：與該富硅凝膠的表面反應產生c—sH凝膠，這些由硅灰和Ca(OH)作用產生的cs—H凝膠多生成于水泥水化的csH

15、凝膠孔隙之中，大大提高了混凝土結豐句密實度。(2)微集料效應：硅灰顆粒直徑遠遠小于水泥，填充于水泥顆粒的孔隙問，其效果如同水泥顆粒填充在骨料孑L隙之間和細骨料填充在粗骨料孔隙之間一樣，從微觀尺度上增加昆凝土的密實度。(3)孔隙溶液化學效應：摻人硅灰還可以使硅酸鹽水泥水化物中的鈣硅比減小，提高水化物與其他離子(鋁、堿金屬(K，Na)離子)的結合能力，使孔隙溶液的堿金屬離子濃度大幅度降低，孔隙溶液的pH值降低，這就是所謂的孑L隙溶液化學效應

16、。它使水泥石抗離子侵入能力增強，大幅度降低sO的滲透速率，增強了混凝土抵抗硫酸鹽侵蝕能力。23雙摻粉煤灰和硅灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的作用硅灰與粉煤灰的雙摻是提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的一個有效途徑。研究表明[1215]，雙摻粉煤灰、硅灰的混凝土具有更好的抗硫酸鹽侵蝕性能，主要是因為：①硅灰和粉煤灰都是活性摻合料，加入水泥中能與水泥的水化物Ca(OH)：發(fā)生二次水化反應，生成CSH凝膠，粉煤灰效應從化學角度能夠穩(wěn)定Ca(OH)：，從物理角

17、度可細化毛細孔，減少硫酸鹽介質的滲透；②雙摻兩種摻合料能起到性能互補作用，硅灰本身顆粒極小，可以填充于粉煤灰顆粒間的孔隙，使得混凝土的微觀結構變得更致密，能有效阻止離子的進入，減少混凝土的透水性；③粉煤灰和硅灰的共同作用能更好地填充混凝土中的孑L隙，增加密實度并最終提高抗硫酸鹽侵蝕性能。總的來說，硅灰與粉煤灰的摻量越大，混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能越好，但由于噴射混凝土自身的特性，為了同時滿足混凝土的噴射要求和強度要求，粉煤灰和硅灰的摻量也并

18、非越大越好，須控制在一定范圍之內。以下通過試驗確定適用于硫酸鹽侵蝕環(huán)境下噴射混凝土的摻合料用量。3雙摻混凝土性能試驗為了確定粉煤灰及硅灰的合理摻量，在最大限度提高噴射混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的同時滿足其施衛(wèi)l生能要求。筆者對凈漿的凝結時間及噴射混凝土早期強度的發(fā)展進行了試驗研究。根據上文的配合比設計步驟，筆者根據原材料情況確定了以下試驗參數：W／B=O41；5n==50％；B=450kg；S=852kg；G=852kg；速凝劑摻量比例Ag

19、=5％。31試驗原材料(1)水泥：試驗采用韶峰牌PO425級水泥，密度312g／cm，其化學成分見表1。表1水泥化學成分％(2)粉煤灰：采用湘潭電力粉煤灰開發(fā)有限公司生產的I級粉煤灰，質量指標見表2。表2粉煤灰質量指標(3)硅灰：采用?？腺Q易(上海)有限公司生產的埃肯微硅粉920U。(4)拌合水：長沙市自來水。32試驗結果與分析321凝結時問試驗采用水膠比W／B=041，速凝劑摻量5％?？紤]到硅灰摻量過大會對昆凝土的流動性及可泵性產生負