硫酸鹽環(huán)境中噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)

1、2010年第5期(總第247期)Number5in2010(TotalNo247)混凝土Concrete預(yù)拌混凝土READYMIXEDCONCRETEdoi：103969~issn1002—3550201005027硫酸鹽環(huán)境中噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)廖乃鳳，鄧德華，黃波，杜火文，鐘磊(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075)摘要：介紹了加摻合料噴射混凝土配合比的一般設(shè)計(jì)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(duì)噴射

2、混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化的可行性，并通過試驗(yàn)研究了雙摻粉煤灰和硅灰對(duì)噴射昆凝土凝結(jié)時(shí)間和早期強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：以10％的粉煤灰5％的硅灰雙摻等量取代水泥，其凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度增長(zhǎng)等性能均能滿足施工及設(shè)計(jì)承載力要求。關(guān)鍵詞：噴射混凝土；硫酸鹽侵蝕；配合比設(shè)計(jì)；等量取代中圖分類號(hào)：TU528062文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(gè)重要因素[1】，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。處于硫酸鹽環(huán)境中的混凝土構(gòu)筑物，由于侵蝕性離子的滲入，會(huì)引起混凝土強(qiáng)度降低、表面結(jié)晶剝落、鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)過早開裂并導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，使構(gòu)筑物的承載力下降，影響結(jié)構(gòu)的安全。在我國(guó)很多地區(qū)均存在嚴(yán)重的硫酸鹽

7、腐蝕，如我國(guó)西南、西北和沿海地區(qū)均發(fā)現(xiàn)過因硫酸鹽侵蝕而引起混凝土建筑物破壞的實(shí)例『2J，在西南地區(qū)部分鐵路隧道工程中表現(xiàn)特別明顯。如筆者在成昆線某隧道調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，襯砌滲漏水中so~濃度高達(dá)3378mgm，使隧道初支噴射混凝土受到了嚴(yán)重侵蝕，某些地段已嚴(yán)重危及了隧道的安全運(yùn)營(yíng)。處于這類地質(zhì)條件下的混凝土構(gòu)件，使用普通水泥混凝土?xí)a(chǎn)生嚴(yán)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(jié)構(gòu)耐久性。噴射混凝土的配合比設(shè)計(jì)

8、方法和技術(shù)要求不同于普通混凝土，它具有自身的工藝特點(diǎn)。其配合比一般采用經(jīng)驗(yàn)公式和圖表計(jì)算確定，在目前發(fā)表的文獻(xiàn)資料中并不常見，特別是應(yīng)用于硫酸鹽侵蝕環(huán)境中的噴射混凝土設(shè)計(jì)目前更是鮮有報(bào)導(dǎo)。因此，對(duì)于處在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中的噴射混凝土結(jié)構(gòu)(例如隧道初支)，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)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(shè)計(jì)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(jī)理，最后通過試配性能試驗(yàn)確定摻合料的摻量比例。1噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)噴射混凝土的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)先通過計(jì)算求出初始配合比，再通過現(xiàn)場(chǎng)試配確定其施工配合比，最終的施工配合比須滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)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(shí)要滿足工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量好、強(qiáng)度高、密實(shí)度高、防水性能好等要求。設(shè)計(jì)配合比時(shí)應(yīng)兼顧混凝土的黏聚力、稠度和強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及與巖面的黏結(jié)強(qiáng)度)。11

10、確定砂率S砂率系根據(jù)粗骨料的最大粒徑D和砂的細(xì)度模數(shù)來確定，可由經(jīng)驗(yàn)式(1)求得[3]：Sp=50／／anOmax~~“xlO0％(1)式中：s砂率，％；，I一砂的細(xì)度模量；——粗集料的最大粒徑，flin。計(jì)算求得的砂率，若其值不在規(guī)范參考取值范圍內(nèi)，可根據(jù)規(guī)范做相應(yīng)調(diào)整，還應(yīng)通過在不同部位的試噴效果進(jìn)行調(diào)整，確定實(shí)用的砂率。收稿日期：201001—19基金項(xiàng)目：鐵道部重大科技專項(xiàng)“鐵路隧道混凝土結(jié)構(gòu)鹽侵蝕防治技術(shù)”(2008G025一

11、C)83學(xué)兔兔www.xuetutu.com該反應(yīng)使混凝土中氫氧化鈣濃度降低，石膏及鈣礬石生成數(shù)量相應(yīng)減少，緩解了結(jié)晶膨脹，隨著摻量的增加，這種緩解作用越明顯；同時(shí)，此反應(yīng)消耗了混凝土中薄弱的Ca(OH)：結(jié)晶，大大降低了混凝土內(nèi)部孔隙率，改善了混凝土孔結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的密實(shí)性。(2)形態(tài)效應(yīng)：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(shí)，粉煤灰微細(xì)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(shí)度。(3)微集料效應(yīng)：粉煤灰微細(xì)顆粒填充到未水化水泥顆粒之間，改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性。由此可見，粉煤灰在混凝土中，一方面，通過活性效應(yīng)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(shí)度，從而提高其抗?jié)B性，減少了硫酸鹽的滲透?？傊捎诜勖夯以诨炷林挟a(chǎn)生的三大效應(yīng)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(duì)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(shí)從煙塵中收集的超細(xì)粉末，主要南顆粒極細(xì)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(yīng)用的礦物摻合料中硅灰被認(rèn)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(xì)觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土的強(qiáng)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(huì)發(fā)生火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)和孔隙溶液化學(xué)效應(yīng)。(1)火山灰效應(yīng)：硅灰中活性SiO：含量高，平均粒徑小，極易與氫氧化鈣反應(yīng)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(yīng)產(chǎn)生c—sH凝膠，這些由硅灰和Ca(OH)作用產(chǎn)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(jié)豐句密實(shí)度。(2)微集料效應(yīng)：硅灰顆粒直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xì)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(shí)度。(3)孔隙溶液化學(xué)效應(yīng)：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(jié)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(xué)效應(yīng)

16、。它使水泥石抗離子侵入能力增強(qiáng)，大幅度降低sO的滲透速率，增強(qiáng)了混凝土抵抗硫酸鹽侵蝕能力。23雙摻粉煤灰和硅灰對(duì)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(gè)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?yàn)椋孩俟杌液头勖夯叶际腔钚該胶狭?，加入水泥中能與水泥的水化物Ca(OH)：發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成CSH凝膠，粉煤灰效應(yīng)從化學(xué)角度能夠穩(wěn)定Ca(OH)：，從物理角

17、度可細(xì)化毛細(xì)孔，減少硫酸鹽介質(zhì)的滲透；②雙摻兩種摻合料能起到性能互補(bǔ)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(jié)構(gòu)變得更致密，能有效阻止離子的進(jìn)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(shí)度并最終提高抗硫酸鹽侵蝕性能?？偟膩碚f，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(shí)滿足混凝土的噴射要求和強(qiáng)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(nèi)。以下通過試驗(yàn)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(yàn)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(shí)滿足其施衛(wèi)l生能要求。筆者對(duì)凈漿的凝結(jié)時(shí)間及噴射混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展進(jìn)行了試驗(yàn)研究。根據(jù)上文的配合比設(shè)計(jì)步驟，筆者根據(jù)原材料情況確定了以下試驗(yàn)參數(shù)：W／B=O41；5n==50％；B=450kg；S=852kg；G=852kg；速凝劑摻量比例Ag

19、=5％。31試驗(yàn)原材料(1)水泥：試驗(yàn)采用韶峰牌PO425級(jí)水泥，密度312g／cm，其化學(xué)成分見表1。表1水泥化學(xué)成分％(2)粉煤灰：采用湘潭電力粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰，質(zhì)量指標(biāo)見表2。表2粉煤灰質(zhì)量指標(biāo)(3)硅灰：采用埃肯貿(mào)易(上海)有限公司生產(chǎn)的?？衔⒐璺?20U。(4)拌合水：長(zhǎng)沙市自來水。32試驗(yàn)結(jié)果與分析321凝結(jié)時(shí)問試驗(yàn)采用水膠比W／B=041，速凝劑摻量5％?？紤]到硅灰摻量過大會(huì)對(duì)昆凝土的流動(dòng)性及可泵性產(chǎn)生負(fù)