摘要：高性能噴射混凝土是具有高工作性、高耐久性等諸多優(yōu)越性能的噴射混凝土。為配制這種混凝土，提出了如降低用水量等6項具體措施，提高了混凝土強度等；回彈率降到10%以下；粉塵率降到20mg/m3以下，并有顯著的經(jīng)濟效益。
關鍵詞：高工作性 高耐久性 噴射混凝土 研究
1、高性能噴射混凝土研究目標
高性能噴射混凝土是指具有高工作性(低回彈率和低粉塵)、高耐久性(高強度、高抗?jié)B、高抗碳化、高耐腐蝕)諸多優(yōu)越性能的優(yōu)質(zhì)噴射混凝土。高性能噴射混凝土的設計思想是，不以強度為唯一的指標，而以耐久性為主要指標。這是它與傳統(tǒng)噴射混凝土設計的主要區(qū)別。
經(jīng)過調(diào)查，在我國過去的噴射混凝土支護中，達到設計要求而后期破環(huán)的屢見不鮮。堿—骨料反應導致的強度降低、表面開裂、剝落、甚至坍塌，錨桿銹蝕外露、滲水漏水等問題，足以說明在噴射混凝土設計中，應將耐久性指標放在第一位。噴射混凝土強度一般為C15和C20，為了達到設計強度，巷道挖掘斷面大，噴射混凝土數(shù)量大；同時，干法施工的噴射混凝土回彈率高，粉塵大，材料浪費嚴重，施工效率低，施工質(zhì)量差，距離高性能噴射混凝土的要求甚遠。如把噴射混凝土施工工藝分為3個階段，即噴射階段、硬化早期和硬化后期，則高性能噴射混凝土在各階段的性能特點要求如下：
(1)噴射階段。具有高粘聚性、附著性，回彈率低、粉塵??；
(2)硬化早期。早凝、早強，化學縮減小，干縮小；
(3)硬化后期。強度適應，高抗?jié)B、高抗碳化、高耐腐蝕。
按質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求，通過采取各種措施，使其達到各個階段的性能指標，最終用耐久性指標：滲透系數(shù)、碳化系數(shù)、腐蝕系數(shù)、干縮系數(shù)、長期強度來衡量。當然，在施工時還要測定回彈率和粉塵率。
2、達到高性能的具體技術措施
為了達到高工作性和高耐久性的目標，我們采取以下技術措施。
2.1、降低用水量，降低孔隙率
密實的混凝土明顯具有較高的強度。研究表明，硅酸鹽水泥在水化過程中所需的水灰比僅為0.22。因此，用水量大導致后期水分蒸發(fā)后孔隙率加大，將會降低混凝土強度?；炷粱w的孔隙率每減少1%，其強度幾乎可以增長10%；基體的孔隙主要來自拌和水過多而產(chǎn)生的凝膠孔與毛細孔。由于在高性能噴射混凝土中要使用許多活性摻和料和多種外加劑，用水量要增加，僅用水泥水化的水灰比是不夠的，要根據(jù)水泥用量和摻和料的品種、數(shù)量確定合適的用水量。在實驗中，水灰比為0.45左右。
2.2、選擇適宜的骨料
(1)骨料的強度。采用高強度巖石碎粒做骨料，無疑是高性能噴射混凝土的首要選擇。但是，混凝土的強度除了取決于骨料本身的強度外，還取決于水泥漿與骨料的粘結強度。骨料表面粗糙，界面粘結強度高，因而碎石比卵石要好。
(2)骨料的粒徑。試驗表明，混凝土的強度隨著骨料粒徑的減小而提高。骨料最大粒徑減小，不僅增加了骨料與水泥漿的粘結面積，而且容易拌和均勻，骨料周圍有害氣體減少，水膜減薄，從而提高了混凝土強度。因此，使用小粒徑的骨料較好。根據(jù)研究，大粒徑骨料產(chǎn)生的回彈率也高。我們選用粒徑5～10mm的碎石做粗骨料。
(3)骨料與水泥漿的相容性。要想獲得較好的界面結構，骨料與水泥漿在化學性質(zhì)和結構上應是相容的。只有這樣，水泥水化形成的產(chǎn)物才能與骨料表面物質(zhì)互相接觸連生而形成一個整體。試驗表明，硅酸鹽水泥與硅質(zhì)骨料相容較好。
(4)粗、細骨料的比例。粗、細骨料的比例通常取決于骨料的級配與形狀。根據(jù)研究，高性能混凝土中骨料體積的最佳比例為65%，其中細骨料占骨料總量的40%，因此，粗、細骨料的體積比為3∶2。
2.3、提高膠結料與骨料界面的強度
從骨料與膠結料之間的界面結構看，界面過渡層厚約在20μm范圍內(nèi)，Ca(OH)2富集并定向排列，與其它部分的水泥石相比是一種多孔質(zhì)的結構，強度低。為了改善其界面結構，采取以下措施：
(1)采用水泥裹砂工藝［1］。即將處理過的砂(有一定含水率，雜質(zhì)少)與水泥預先拌和，在砂子的吸附作用下，水泥在砂粒表面形成1個外殼。噴敷時，表面水增加，稀砂漿中水的移動受到約束，從而顯著減少泌水，稠料漿殼體同時阻止了粗骨料沉降，使離析現(xiàn)象大為減少，也使回彈率降低。通過試驗，水泥裹砂法可提高強度10%以上。
(2)采用水泥裹石工藝［1］。與水泥裹砂法不同的是，水泥裹石法是控制石子表面的含水量，將一定含水量的石子預先與水泥拌和。由于石子的吸附作用，石子被水泥顆粒所包裹，噴敷時，表面水增加，水的移動受到約束，從而顯著地減少泌水，阻止了骨料的沉降，回彈率大大降低，界面強度大大提高。通過試驗，水泥裹石法可提高強度20%以上。
2.4、摻入活性摻和料
水泥水化是一個逐步發(fā)展的過程。根據(jù)研究，28d齡期時，水泥中各種礦物成分的水化程度約為11%～84%，水泥的實際利用率僅為60%～70%，相當一部分水泥起到填充作用。這部分未水化水泥中的CaO，后期遇水后生成Ca(OH)2，體積膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應力，給后期強度帶來不利影響，已為實驗所證實。摻入活性礦物質(zhì)摻和料，可以促進水泥水化產(chǎn)物的進一步轉化，提高強度，并可以用來置換一部分水泥。經(jīng)過研究，沸石粉是一種很好的活性摻和料。它是由天然沸石巖經(jīng)過磨細而成的粉狀材料，主要成分為SiO2與Al2O3。它所含的活性成分能與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2進行二次水化反應，生成含水硅酸鈣凝膠與含水鋁酸鈣凝膠。新生成的水化物使水泥石結構更加致密，從而不僅使噴射混凝土的致密性和抗壓強度提高，而且，耐久性也得到改善。摻入的沸石粉重量占水泥重量的10%。
2.5、選擇適宜的外加劑
為了降低用水量，降低回彈率和粉塵率，使噴射混凝土早凝早強，必須使用外加劑。選用了以下幾種外加劑：
(1)SCR聚合劑。它是一種纖維素類抗分散劑。噴射混凝土拌合物顆粒之間粘結力很小，各組分的密度、粒徑也各不相同，由于水和自重的作用，混凝土極易分散，極易從噴壁上掉落。使用SCR聚合劑有兩種作用：①SCR聚合劑中含有長鏈結構的高分子化合物，它將細微顆粒吸附到分子鏈上，通過細微顆粒之間的縱橫交叉，把許多顆粒連接在一起，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結構；②SCR聚合劑是一種表面活性物質(zhì)，它改變了顆粒表面的電位，降低了粒子間的排斥作用，增大了粒子間的相吸作用。由于上述兩種作用的結果，在宏觀上表現(xiàn)為凝聚作用，幾乎不泌水，提高了拌合物的粘性，增強了抗分散能力，從而對噴射混凝土降低回彈率、降低粉塵率起到關鍵作用。SCR聚合劑的摻量以0.4%～0.5%為宜，摻量過多有緩凝作用。
(2)膨脹劑。混凝土的早期收縮嚴重影響后期強度及抗?jié)B能力。要改善這些性能，必須從限制或縮小混凝土的早期收縮入手?；炷僚蛎泟├枚嘞嗟V物的緩釋性膨脹反應，對混凝土的收縮產(chǎn)生明顯的補償作用，從而顯著地提高混凝土的強度及抗?jié)B性能。摻入膨脹劑后，早期膨脹速度較快，后期膨脹速度很慢，這正好適應水泥硬化過程中體積收縮補償?shù)男枰?。硬化后期，部分膨脹轉移到水泥石結構內(nèi)部的孔隙及裂縫中，從而使水泥石的內(nèi)部結構更為致密。摻入膨脹劑，使水泥混凝土在硬化過程中持續(xù)地生成較多的針柱狀鈣礬石晶體，這些晶體會隨時間而不斷長大連生，并向阻力較小的空隙生長發(fā)育；這一過程又伴有C—S—H凝膠的大量交織產(chǎn)生，這些都進一步堵塞各種孔洞，從而使混凝土內(nèi)部結構得到進一步改善，抗?jié)B性能進一步提高。膨脹劑的摻量為5%。
(3)低彈速凝劑。這是我們的研究成果，1995年3月通過河南省煤炭廳鑒定。我們經(jīng)過反復試驗研究，選出合適輔料，制成可降低速凝劑堿性、增加噴射料粘性的復合水泥速凝劑，使用時摻量為水泥重量的4%。
2.6、制訂詳細的操作規(guī)程
工人的操作技術水平極大地影響著噴射混凝土的質(zhì)量。上述技術措施，與傳統(tǒng)的噴射混凝土作業(yè)又有較大的區(qū)別。在噴射前，需要預先進行水泥裹砂和水泥裹石作業(yè)。另外，摻入了活性摻和料和多種外加劑，工序較以往復雜得多。各個工序有先后次序，否則，將達不到預期效果。所以，必須制訂詳細的操作規(guī)程，對工人進行技術培訓。工人必須嚴格按照技術規(guī)程操作。
3、結語
(1)采用水泥裹砂和水泥裹石工藝，噴射混凝土骨料與膠結料的界面結構大大改善；摻入活性摻和料，又促進了水泥水化反應，其結構更加致密。它們共同作用的結果使得混凝土的強度、抗?jié)B能力、抗碳化能力、防腐蝕能力等耐久性大大提高。
(2)通過使用多種外加劑，噴射混凝土的回彈率降低到10%以下，粉塵量降低到20mg/m3以下，工作性能大大改善，并有顯著的經(jīng)濟效益。
關鍵詞：高工作性 高耐久性 噴射混凝土 研究
1、高性能噴射混凝土研究目標
高性能噴射混凝土是指具有高工作性(低回彈率和低粉塵)、高耐久性(高強度、高抗?jié)B、高抗碳化、高耐腐蝕)諸多優(yōu)越性能的優(yōu)質(zhì)噴射混凝土。高性能噴射混凝土的設計思想是，不以強度為唯一的指標，而以耐久性為主要指標。這是它與傳統(tǒng)噴射混凝土設計的主要區(qū)別。
經(jīng)過調(diào)查，在我國過去的噴射混凝土支護中，達到設計要求而后期破環(huán)的屢見不鮮。堿—骨料反應導致的強度降低、表面開裂、剝落、甚至坍塌，錨桿銹蝕外露、滲水漏水等問題，足以說明在噴射混凝土設計中，應將耐久性指標放在第一位。噴射混凝土強度一般為C15和C20，為了達到設計強度，巷道挖掘斷面大，噴射混凝土數(shù)量大；同時，干法施工的噴射混凝土回彈率高，粉塵大，材料浪費嚴重，施工效率低，施工質(zhì)量差，距離高性能噴射混凝土的要求甚遠。如把噴射混凝土施工工藝分為3個階段，即噴射階段、硬化早期和硬化后期，則高性能噴射混凝土在各階段的性能特點要求如下：
(1)噴射階段。具有高粘聚性、附著性，回彈率低、粉塵??；
(2)硬化早期。早凝、早強，化學縮減小，干縮小；
(3)硬化后期。強度適應，高抗?jié)B、高抗碳化、高耐腐蝕。
按質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求，通過采取各種措施，使其達到各個階段的性能指標，最終用耐久性指標：滲透系數(shù)、碳化系數(shù)、腐蝕系數(shù)、干縮系數(shù)、長期強度來衡量。當然，在施工時還要測定回彈率和粉塵率。
2、達到高性能的具體技術措施
為了達到高工作性和高耐久性的目標，我們采取以下技術措施。
2.1、降低用水量，降低孔隙率
密實的混凝土明顯具有較高的強度。研究表明，硅酸鹽水泥在水化過程中所需的水灰比僅為0.22。因此，用水量大導致后期水分蒸發(fā)后孔隙率加大，將會降低混凝土強度?；炷粱w的孔隙率每減少1%，其強度幾乎可以增長10%；基體的孔隙主要來自拌和水過多而產(chǎn)生的凝膠孔與毛細孔。由于在高性能噴射混凝土中要使用許多活性摻和料和多種外加劑，用水量要增加，僅用水泥水化的水灰比是不夠的，要根據(jù)水泥用量和摻和料的品種、數(shù)量確定合適的用水量。在實驗中，水灰比為0.45左右。
2.2、選擇適宜的骨料
(1)骨料的強度。采用高強度巖石碎粒做骨料，無疑是高性能噴射混凝土的首要選擇。但是，混凝土的強度除了取決于骨料本身的強度外，還取決于水泥漿與骨料的粘結強度。骨料表面粗糙，界面粘結強度高，因而碎石比卵石要好。
(2)骨料的粒徑。試驗表明，混凝土的強度隨著骨料粒徑的減小而提高。骨料最大粒徑減小，不僅增加了骨料與水泥漿的粘結面積，而且容易拌和均勻，骨料周圍有害氣體減少，水膜減薄，從而提高了混凝土強度。因此，使用小粒徑的骨料較好。根據(jù)研究，大粒徑骨料產(chǎn)生的回彈率也高。我們選用粒徑5～10mm的碎石做粗骨料。
(3)骨料與水泥漿的相容性。要想獲得較好的界面結構，骨料與水泥漿在化學性質(zhì)和結構上應是相容的。只有這樣，水泥水化形成的產(chǎn)物才能與骨料表面物質(zhì)互相接觸連生而形成一個整體。試驗表明，硅酸鹽水泥與硅質(zhì)骨料相容較好。
(4)粗、細骨料的比例。粗、細骨料的比例通常取決于骨料的級配與形狀。根據(jù)研究，高性能混凝土中骨料體積的最佳比例為65%，其中細骨料占骨料總量的40%，因此，粗、細骨料的體積比為3∶2。
2.3、提高膠結料與骨料界面的強度
從骨料與膠結料之間的界面結構看，界面過渡層厚約在20μm范圍內(nèi)，Ca(OH)2富集并定向排列，與其它部分的水泥石相比是一種多孔質(zhì)的結構，強度低。為了改善其界面結構，采取以下措施：
(1)采用水泥裹砂工藝［1］。即將處理過的砂(有一定含水率，雜質(zhì)少)與水泥預先拌和，在砂子的吸附作用下，水泥在砂粒表面形成1個外殼。噴敷時，表面水增加，稀砂漿中水的移動受到約束，從而顯著減少泌水，稠料漿殼體同時阻止了粗骨料沉降，使離析現(xiàn)象大為減少，也使回彈率降低。通過試驗，水泥裹砂法可提高強度10%以上。
(2)采用水泥裹石工藝［1］。與水泥裹砂法不同的是，水泥裹石法是控制石子表面的含水量，將一定含水量的石子預先與水泥拌和。由于石子的吸附作用，石子被水泥顆粒所包裹，噴敷時，表面水增加，水的移動受到約束，從而顯著地減少泌水，阻止了骨料的沉降，回彈率大大降低，界面強度大大提高。通過試驗，水泥裹石法可提高強度20%以上。
2.4、摻入活性摻和料
水泥水化是一個逐步發(fā)展的過程。根據(jù)研究，28d齡期時，水泥中各種礦物成分的水化程度約為11%～84%，水泥的實際利用率僅為60%～70%，相當一部分水泥起到填充作用。這部分未水化水泥中的CaO，后期遇水后生成Ca(OH)2，體積膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應力，給后期強度帶來不利影響，已為實驗所證實。摻入活性礦物質(zhì)摻和料，可以促進水泥水化產(chǎn)物的進一步轉化，提高強度，并可以用來置換一部分水泥。經(jīng)過研究，沸石粉是一種很好的活性摻和料。它是由天然沸石巖經(jīng)過磨細而成的粉狀材料，主要成分為SiO2與Al2O3。它所含的活性成分能與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2進行二次水化反應，生成含水硅酸鈣凝膠與含水鋁酸鈣凝膠。新生成的水化物使水泥石結構更加致密，從而不僅使噴射混凝土的致密性和抗壓強度提高，而且，耐久性也得到改善。摻入的沸石粉重量占水泥重量的10%。
2.5、選擇適宜的外加劑
為了降低用水量，降低回彈率和粉塵率，使噴射混凝土早凝早強，必須使用外加劑。選用了以下幾種外加劑：
(1)SCR聚合劑。它是一種纖維素類抗分散劑。噴射混凝土拌合物顆粒之間粘結力很小，各組分的密度、粒徑也各不相同，由于水和自重的作用，混凝土極易分散，極易從噴壁上掉落。使用SCR聚合劑有兩種作用：①SCR聚合劑中含有長鏈結構的高分子化合物，它將細微顆粒吸附到分子鏈上，通過細微顆粒之間的縱橫交叉，把許多顆粒連接在一起，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結構；②SCR聚合劑是一種表面活性物質(zhì)，它改變了顆粒表面的電位，降低了粒子間的排斥作用，增大了粒子間的相吸作用。由于上述兩種作用的結果，在宏觀上表現(xiàn)為凝聚作用，幾乎不泌水，提高了拌合物的粘性，增強了抗分散能力，從而對噴射混凝土降低回彈率、降低粉塵率起到關鍵作用。SCR聚合劑的摻量以0.4%～0.5%為宜，摻量過多有緩凝作用。
(2)膨脹劑。混凝土的早期收縮嚴重影響后期強度及抗?jié)B能力。要改善這些性能，必須從限制或縮小混凝土的早期收縮入手?；炷僚蛎泟├枚嘞嗟V物的緩釋性膨脹反應，對混凝土的收縮產(chǎn)生明顯的補償作用，從而顯著地提高混凝土的強度及抗?jié)B性能。摻入膨脹劑后，早期膨脹速度較快，后期膨脹速度很慢，這正好適應水泥硬化過程中體積收縮補償?shù)男枰?。硬化后期，部分膨脹轉移到水泥石結構內(nèi)部的孔隙及裂縫中，從而使水泥石的內(nèi)部結構更為致密。摻入膨脹劑，使水泥混凝土在硬化過程中持續(xù)地生成較多的針柱狀鈣礬石晶體，這些晶體會隨時間而不斷長大連生，并向阻力較小的空隙生長發(fā)育；這一過程又伴有C—S—H凝膠的大量交織產(chǎn)生，這些都進一步堵塞各種孔洞，從而使混凝土內(nèi)部結構得到進一步改善，抗?jié)B性能進一步提高。膨脹劑的摻量為5%。
(3)低彈速凝劑。這是我們的研究成果，1995年3月通過河南省煤炭廳鑒定。我們經(jīng)過反復試驗研究，選出合適輔料，制成可降低速凝劑堿性、增加噴射料粘性的復合水泥速凝劑，使用時摻量為水泥重量的4%。
2.6、制訂詳細的操作規(guī)程
工人的操作技術水平極大地影響著噴射混凝土的質(zhì)量。上述技術措施，與傳統(tǒng)的噴射混凝土作業(yè)又有較大的區(qū)別。在噴射前，需要預先進行水泥裹砂和水泥裹石作業(yè)。另外，摻入了活性摻和料和多種外加劑，工序較以往復雜得多。各個工序有先后次序，否則，將達不到預期效果。所以，必須制訂詳細的操作規(guī)程，對工人進行技術培訓。工人必須嚴格按照技術規(guī)程操作。
3、結語
(1)采用水泥裹砂和水泥裹石工藝，噴射混凝土骨料與膠結料的界面結構大大改善；摻入活性摻和料，又促進了水泥水化反應，其結構更加致密。它們共同作用的結果使得混凝土的強度、抗?jié)B能力、抗碳化能力、防腐蝕能力等耐久性大大提高。
(2)通過使用多種外加劑，噴射混凝土的回彈率降低到10%以下，粉塵量降低到20mg/m3以下，工作性能大大改善，并有顯著的經(jīng)濟效益。
