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    蘭香文化

    復合高效型液態速凝劑在公路隧道中的應用研究

    來源:工程養護部  作者:杜韋  發布時間:2023年03月28日 10:48:48

    一、引言

    速凝劑是噴射混凝土中一種非常重要的外加劑,早在20世紀40年代速凝劑研制之前,主要噴射砂漿等,且無法達到一定的厚度。速凝劑的研制使用,大大增加了一次噴厚,減少回彈,提高混凝土早期強度,與圍巖表面密貼,使得噴射混凝土技術廣泛應用于各種地下工程與建筑物修復中。

    速凝劑主要有兩種形式,粉狀速凝劑和液態速 凝劑。粉狀速凝劑主要用于干噴混凝土中,隨水泥、砂、石一起投 入噴射機中,通過高壓風運送至噴頭處。液態速凝劑主要用于濕噴混凝土中,在噴頭處通過風壓或泵壓,與混凝土拌合料混合后,噴射至受噴面。速凝劑按主要成分分類,主要有鋁氧熟料加碳酸鹽系、硫鋁酸鹽系、水玻璃系。

    最早的速凝劑是奧地利生產的西卡速凝劑,主要成分是硅酸鈉,是一種具有強烈腐蝕性的液體速凝劑。20世紀70年代,相繼出現了一批以堿金屬為成分的高堿速凝劑。近年來,為了更加適應現場的需要,速凝劑朝著低堿、復合、高效、液態發展。

    目前,我國隧道內噴射混凝土主要使用粉狀速 凝劑,施 工中粉塵量很大,回彈也很大。主要因為:一是粉狀速凝劑與拌合料混合不均勻;二是粉狀速凝劑的計量不精確;三是粉狀速凝劑噴射時揚塵多。我國液態速凝劑發展很不成熟,市場銷售的速凝劑大多摻量過大、適應性差、穩定性低、混凝土后期強度損失嚴重。因此,針對以上情形,研制出一種新型的復合高效型液態速凝劑。它由無機和有機材料復合而成,能增加混凝土的黏聚性,降低回彈量和粉塵量,減少凝結時間,初凝時間在1min左右,終凝時間在4min以內,摻量僅為水泥質量的2%,且PH不大于12,能保障噴射混凝土后期強度。

    二、室內試驗研究

    2.1原材料

    (1)水泥

    采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥,使用前要與速凝劑做相容性試驗,選擇相匹配的水泥,或者根據水泥成分調整速凝劑的摻量與質量配比。

    (2)試劑

    該液態速凝劑為一種鋁酸鹽類速凝劑,主要為鋁酸鉀,并加入一些其它組分復配而成。主要有聚丙烯酰胺、三乙醇胺、減水劑、穩定劑、防結晶劑等。

    (3)骨料

    細骨料:試驗中所用細骨料為細度模數為2.7,質地堅硬的中粗砂。砂子中粒徑小于0.075mm的顆粒不超過20%。

    粗骨料:試驗用粗骨料為5~10mmm的碎石。

    2.2試驗方法

    水泥凈漿凝結時間試驗參照噴射混凝土用速凝劑(JC477—2005)進行,其中液態速凝劑的摻量按照水泥質量的百分比計算。液態速凝劑水泥凈漿試驗,所用水 灰比為0.4,該液態速凝劑的摻量定為1.5%~3%,液態速凝劑的固含量為60%。試驗步驟如下:

    (1)取400g普通硅酸鹽水泥,與計算量用水(160mL水減去液態速凝劑中的水量)混合攪拌均勻。

    (2)按試驗用液態速凝劑摻量加入水泥漿中,迅速攪拌25s~30s,立即裝入圓模,人工振搗數次,削去多余水泥漿,并用潔凈的刀具修平表面。從加入液態速凝劑到表面平整不超過50s。

    (3)將裝滿水泥漿的試模放在水泥凈漿標準稠度與凝結時間測定儀下,使針尖與水泥漿表面接觸。迅速放松測定儀桿上的固定螺絲,針即自由插入水泥凈漿中,觀察指針讀數,每隔10s測定一次,直到終凝為止。

    水泥砂漿試驗步驟為,稱取基準水泥900g,標準砂1350g,計算液態速凝劑中的含水量,從總水量中扣除,加入水將膠砂攪拌至均勻,再加入液態速凝劑人工迅速攪拌40s~50s。

    然后裝入40mm×40mm×160mm的試模中,立即在膠砂振動臺上振動30s,刮去多余部分,抹平。在標準養護室中養護,測得1d和28s的抗壓強度,得出強度比。

    2.3試驗結果及分析

    (1)不同摻量對水泥初終凝時間的影響

    速凝劑的摻量對水泥的初終凝時間影響很大,在一定范圍內,速凝劑隨著摻量的增加,速凝效果越好。超過這個范圍,速凝效果會下降。表1為不同摻量的速凝劑水泥初終凝時間測定結果。

    1水泥初終凝試驗測定結果

    速凝劑摻量

    水灰比

     初凝時間

     終凝時間

    1.5%

    0.4

    2min20s

    4min30s

    2.0%

    0.4

    2min25s

    3min50s

    2.5%

    0.4

    2min10s

    3min20s

    3.0%

    0.4

    2min30s

    4min10s

    從表1中可以看出,該液態速凝劑摻量在2.5% 時,速凝效果最好。一般液態速凝劑與水泥存在一種適應性,對于 不同種類的水泥,其最佳摻量不定。這主要跟水泥中的礦物成分 、石膏類型、摻合料等有關。

    (2)不同摻量對水泥砂漿的強度影響

    速凝劑的添加,能使混凝土的凝結時間大大縮短。但隨著速凝劑摻量的增加,對混凝土后期強度影響很大。該液態 速凝劑采用比較活潑的金屬元素,與水泥反應迅速,使混凝土用水較少,由于采用元素活潑,有很強的活性,因此需要的摻量很少。普通粉狀速凝劑的摻量一般為4%~6%,液 態速凝劑 的摻量一般為4%~8%,該 液態速凝劑摻量一般為2%。同時,該液態速凝劑中復合有一些有機成分,如三乙醇胺、減水劑等,能有效提高混凝土各齡期的強度,減少噴射 施工中的回彈和粉塵。在合適的摻量范圍內,能保 證混凝土28d強度損失在10%以內。表2為水泥砂漿的強度比。

    2水泥砂漿強度比

    速凝劑摻量

    抗壓強度1d

    抗壓強度28d

    28d抗壓強度比

    0

    7.8MPa

    47.8MPa

    100%

    1.5%

    13.6MPa

    46.9MPa

    96.50%

    2.0%

    13.9MPa

    46.1MPa

    94.30%

    2.5%

    14.5MPa

    45MPa

    93.20%

    3.0%

    15.1MPa

    44.6MPa

    90.60%

    從表2中可以看出,在液態速凝劑適宜摻量范 1.5%~3%內,28d 強度損失不超過10%,這樣就有利的保證噴射混凝土支護的效果。減水劑的加入,在和易性不變的情況下,能有效降低混凝土的用水量,一般能減少水量的 15%~35%。用水量的減少,能大大提高混凝土的強度 。

    (3)速凝機理探討

    該液態速凝劑主要為一種鋁酸鹽類復合型速凝劑,鋁酸鹽類速凝劑的速凝機理是,它能與水泥中起緩凝作用的石膏發生反應,石膏被消耗掉,則會促進C3A、C3S的水化從而使混凝土快速凝結硬化。主要反應方程式為:

    KA1O2+3Ca(OH)2+3CaSO4+30H2O→

    CaO·A12O3·3CaSO4·32H2O+2KOH

    速凝劑中含有聚丙烯酰胺 、三乙醇胺、減水劑等 組分,聚丙烯酰胺為一種增稠劑,作用是為了增加噴射混凝土的粘性。三乙醇胺為一種早強劑,能提高 混凝土的初期強度。

    三、工程應用試驗

    為了驗證該液態速凝劑的使用效果,進行實際隧道噴射混凝土試驗。在隧道圍巖級別為 Ⅳ 級,噴射混凝土設計厚度為20cm,設計強度為C20,采用濕噴混凝土方式,濕噴混凝土的配合比為水泥400kg:砂子804kg:石子804kg:水168kg:液態速凝劑8kg,水灰比為0.42,速凝劑摻量為 水泥的2%。設計坍落度為80~120mm,實測坍落度為100mm;原材料各項指標 均符合規 范 要 求。 噴 射 用原 材料均為施工現場材 料,噴射前首先進行水泥的適應性試驗 ,測定水泥凈漿的初終凝時間,從 而選擇最佳摻量,經 試驗,選 用 液態速凝劑的摻量為2%。

    經過一個小時連續噴射,使用該液態速凝劑的噴射混凝土具有良好的現場效果。噴射中,粉塵和回彈都很小,無落漿。經過試驗得出回彈量為9.2%,由于噴射角度、噴射距離、風壓、水壓等對回彈量都有影響,如果操作正確,回彈量有望進一步降低。該液態速凝劑的使用,能充分與混凝土接觸,且混合均勻,因此施工時粉塵量降低,為隧道施工提供了良好的環境。下圖為現場噴射照片。

    四、結論

    (1)復合高效型液態速凝劑摻量一般在1.5%~3%之間,摻量很小,對噴射混凝土強度影響小。摻入后,水泥凈漿的初凝時間在1min左右,終凝時間在4min以內。

    (2)復配組分的加入,能有效提高液態速凝劑的作用效果。增加噴射混凝土的粘聚性,降低回彈,減少用水量,提高混凝土的強度,28d 強度損失能控制在10%以內。

    (3)該液態速凝劑是一種均一穩定的液體,穩定性好,不產生結晶和沉淀,是一種較為理想的噴射混凝土用液態速凝劑,具有很好的推廣應用價值 。

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