C30噴射混凝土力學與耐久性能分析

1實驗

1.1原材料

水泥：采用鶴林牌P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理性能。

骨料：粗骨料為5mm?10mm單粒級配石灰巖質碎石，表觀密

度2980kg/m3。細骨料為H區中型河砂,細度模數2.7,表觀密

度2630kg/m3,含泥量0.8%,泥塊含量0.5%。

外加劑：減水劑采用聚竣酸類高性能減水劑，減水率25%。速凝

劑分為液體無堿速凝劑和液體有堿速凝劑，主要成分分別為硫酸

鋁和鋁酸鈉，性能均符合GB/T35159-2017噴射混凝土用速凝劑

規定。

1.2配合比參數設計

參考噴射混凝土相關標準并結合實際工程設計經驗，確定

C25/C30噴射混凝土的配合比°在C30噴射混凝土配合比的基礎

上，研究不同水灰比（質量比）（0.38,0.40,0.42,0.45）和不

同速凝劑種類（無堿速凝劑，有堿速凝劑）對噴射混凝土力學性

能與耐久性能的影響，具體配合比見表2,表3。其中，摻無堿

速凝劑的C30噴射混凝土記為“AFC30"、摻有堿速凝劑的C30

噴射混凝土記為“AKC30"，C30模筑混凝土記為“CMC30”，

C25噴射混凝土記為“AFC25”。

1.3實驗方法

力學性能按照GB/T50081-2019混凝土物理力學性能試驗方法標

準進行，測試硬化混凝土Id,7d,28d,56d立方體抗壓強度。

耐久性能按照GB/T50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能

試驗方法標準進行，主要測試內容為抗水滲透性能、抗氯離子滲

透性能和抗碳化性能，其中抗水滲透性能采用滲水高度法，抗氯

離子滲透性能采用電通量法和RCM法。噴射混凝土試件成型采

用濕噴法工藝進行，具體制備方法參考JGJ/T372-2016噴射混凝

土應用技術規程附錄B。模筑混凝土試件制備方法為：拌合物攪

拌均勻后置于相應試模振動成型，在溫度（20±2）°C、相對濕

度大于50%的室內靜置Id后脫模并標準養護至相應齡期。

2結果與討論

2.1力學性能

不同水灰比與速凝劑種類對C30噴射混凝土力學性能的影響如

圖1所不。由圖1(a模筑混凝土體系CMC30強度低，且后期強

度發展緩慢。濕法噴射工藝導致噴射混凝土內部截留大量小孔徑

氣泡降低了結構致密性，同時在速凝劑的作用下水化產物生成過

快，覆蓋在未水化的水泥顆粒表面從而影響噴射混凝土后期強度

發展。

比較兩種速凝劑對C30噴射混凝土的影響可以看出無堿速凝劑

摻入下的噴射混凝土強度在同一齡期均高于有堿速凝劑，且后期

強度保有率高，例如：無堿速凝劑摻入下AFC30的28d和56d

強度分別為同齡期模筑混凝土CMC30的85.5%和82.4%,而有堿

速凝劑摻入下AKC30的28d和56d強度分別為同齡期模筑混凝土

CMC30的68.7%和73.3%。造成該現象的原因主要在于無堿速凝

劑會與水泥顆粒反應生成大量鈣磯石，雖然會使混凝土快速失去

流動性但其不會完全覆蓋在水泥顆粒表面，因此無堿速凝劑對水

泥顆粒后期水化程度影響不大；有堿速凝劑與水泥顆粒反應生成

的水化產物主要由水化鋁酸鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣組成，同時

含有少量C6-H凝膠，這些水化產物包裹在水泥顆粒表面并具有

良好的熱穩定性，影響了水泥顆粒進一步的水化，從而影響混凝

土后期強度發展。相似研究也表明有堿速凝劑快速消耗水泥奘溶

液中的C2+與SO2-4,石膏在水化的前20min內就已消耗殆盡，

使得鋁酸三鈣進一步水化生成溶解度更低的水化鋁酸鈣和單硫

型水化硫鋁酸鈣，阻礙了硅酸三鈣的溶解從而抑制其進一步水化;

而無堿速凝劑的主要成分為硫酸鋁，含有充足的硫酸鹽控制鋁酸

三鈣的水化進程，因而硅酸三鈣的水化得以正常進行。

在強度等級方面，AKC30與AFC25均為摻無堿速凝劑的噴射混凝

土體系，其中AFC30的28d抗壓強度為40.7mPa,AFC25的28d

抗壓強度為33.7mPa,均大于理論配制強度，C30噴射混凝土的

強度相比C25噴射混凝土提高幅度在10.9%?24.0%范圍內。

由圖1（b）可知，C30噴射混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增大

逐漸減小，其中0.38水灰比（質量比）和0.40水灰比（質量比）

的抗壓強度相差不大，當水灰比（質量比）提升至0.42和0.45

時，強度明顯下降，例如0.45水灰比（質量比）時的56d抗壓

強度僅為0.40水灰比（質量比）的77.9%。對于起結構性支護作

用的噴射混凝土而言，其早期強度和28d強度通常要求較高，早

期強度一般取Id強度為標準，我國GB50086-2015巖土錨桿與噴

射混凝土支護工程技術規范要求Id強度不小于8mPa,而

TB10753-2010高速鐵路水工隧洞工程施工質量驗收標準更是要

求Id強度不小于lOmPa。然而在施工現場中經常存在混凝土“力口

水”現象，加水會導致噴射混凝土的實際水灰比偏高從而影響強

度。根據實驗結果，當C30噴射混凝土的水灰比由0.40提高至

0.45時,Id強度低于lOmPa；當水灰比(質量比)為0.42或0.45

時，28d強度均無法滿足C30的理論配制強度，因此在混凝土噴

射施工前嚴禁加水。

2.2耐久性能

2.2.1抗水滲透性能

已建和在建的水工隧洞工程調研結果表明，存在開裂滲水問題的

水工隧洞數量達到了70%,其中嚴重滲漏的水工隧洞數量達到了

1/3左右，素有“十隧九漏”的說法，因此研究噴射混凝土的抗

水滲透性能具有重要的工程意義。圖2為不同混凝土在1.2mPa

恒壓24h后的滲水高度情況，在成型工藝與速凝劑種類方面，

試件的抗滲性由高到低依次為模筑混凝土體系CMC30(16.3mm)、

無堿速凝劑噴射混凝土體系AFC30(22.6mm)、無堿速凝劑噴

射混凝土體系AFC25(28.5mm)、有堿速凝劑噴射混凝土體系

AKC30(36.7mm)o噴射混凝土體系的整體強度及致密性不如模

筑混凝土體系導致其抗水滲透性能較差，AFC30的滲水高度為模

筑混凝土的1.39倍。有堿速凝劑對C30噴射混凝土抗滲性的不

利影響更加明顯，其滲水高度相比無堿體系AFC30增加62.4%,

有研究表明有堿速凝劑會使水泥水化產物結構疏松、微裂紋增加、

有害孔含量更多，因此降低了強度及耐久性能，相對而言無堿速

凝劑影響程度較小。在強度等級方面，C30噴射混凝土的滲水高

度相比噴射混凝土降低

C2520.7%0

如圖2(b)所示，C30噴射混凝土的抗水滲透性能隨著水灰比的

增加逐漸下降，與強度規律類似，當水灰比較小時(0.38,0.40)

抗滲性相差不大，當水灰比繼續提高，抗滲性下降明顯，例如在

0.45水灰比時試件的滲水高度已經達到了51.2mm,約為0.40水

灰比的2.3倍。水灰比增加會導致噴射混凝土內部的孔隙率增加,

因而對外界水起到的阻力更小。

2.2.2抗氯離子滲透性能

近年來，在我國一些發達沿海地區逐漸興起海底水工隧洞建設,

例如青島膠州灣海底水工隧洞、廈門翔安海底水工隧洞等。海洋

環境復雜多變，尤其是高濃度的氯離子侵蝕對噴射混凝土的耐久

性是一個巨大的考驗，因此有必要對噴射混凝土的抗氯離子滲透

性能進行全面的評價。

由圖3（a）可知，在成型工藝方面，模筑混凝土體系的抗氯離

子滲透性能優于噴射混凝土體系，AFC30試件的56d電通量和氯

離子遷移系數（DRM）分別為同配比模筑混凝土的1.13倍和1.07

倍。在速凝劑種類方面，有堿體系AKC30的抗氯離子滲透性能略

差于無堿體系AFC30,其56d電通量和氯離子遷移系數相對無堿

體系分別增加13.5%和4.5%,主要原因還是在于有堿速凝劑后期

對混凝土自身微結構的破壞從而加快了CI—的侵蝕速度。在強度

等級方面，C30噴射混凝土的抗氯離子滲透性能相比C25噴射混

凝土有明顯提升，56d電通量和氯離子遷移系數分別下降20.6%

和19.8%。TB10005-2010鐵路混凝土結構耐久性設計規范要求

對于設計使用年限為100年（例如水工隧洞等主體結構）的C30

混凝土，其56d電通量應小于1200C,56ddRCM應不大于7X10

—12m2/s,由圖3（a）可知C30噴射混凝土的抗氯離子滲透性

能處于中等水平，無法滿足標準的要求。如圖3（b）所示，噴

射混凝土的抗氯離子滲透性能隨著水灰比的增大逐漸下降，相比

C30基準組（0.40水灰比（質量比）），0.45水灰比（質量比）

時的56d電通量和氯離子遷移系數分別為基準組的1.37倍和

1.30倍。當水灰比降低至0.38時，試件的抗氯離子滲透性能提

升并不明顯，這表明單一提升噴射混凝土的強度不能有效解決抗

氯離子滲透性能較差的問題，大量研究表明在噴射混凝土中摻入

適量的粉煤灰或硅灰，能夠顯著提升噴射混凝土抗氯離子滲透性

能。因此，建議在氯鹽侵蝕環境較為嚴重的水工隧洞工程中復摻

一定比例的礦物摻合料如粉煤灰、硅灰等。

2.2.3抗碳化性能

由于水工隧洞內部環境相對封閉，空氣中二氧化碳濃度及溫濕度

較高，噴射混凝土發生碳化的程度更高，碳化使得混凝土內部堿

性下降易引起鋼筋銹蝕，因而影響水工隧洞整體結構的穩定性。

由圖4(a)可知，不同試件在碳化前期碳化速度較快，碳化后

期速度減緩。在成型工藝方面，模筑混凝土由于自身密實程度高,

抗碳化性能明顯優于噴射混凝土體系，其中無堿體系AFC30與有

堿體系AKC30在28d碳化齡期時的碳化深度分別為12.4mm和

13.3mm,相對模筑混凝土分別增加24%和33%。有堿體系AKC30

的抗碳化性能相比無堿體系AFC30略差,28d碳化深度提高7.3%,

一方面歸因于自身強度及致密性不足導致C02早期擴散速度較

快，另一方面有堿速凝劑的有效成分在水化過程中生成了大量堿

性化合物如氫氧化鈣等，使得可碳化物質含量增加，同時碳化過

程中不斷生成CaC03等物質充填在孔隙中從而緩解C02進一步

侵入。同為無堿體系，C30噴射混凝土的抗碳化性能優于C25噴

射混凝土，其28d碳化深度降低21.5%。

由圖4（b）可知，C30噴射混凝土的抗碳化性能隨著水灰比的增

加而下降，0.45水灰比（質量比）時的28d碳化深度相比0.40

水灰比（質量比）提高29.8%。碳化前期四種不同水灰比試件的

碳化深度差距不大，隨著碳化時間的延長差距愈加明顯。水灰比

增加，混凝土的孔隙率增大，密實性下降，有利于CO2的擴散，

同時水泥用量相對減少，可碳化物質的生成量降低，碳化速度因

此加快。當水灰比（質量比）降低至0.38時，，C30噴射混凝土的

28d碳化深度相比水灰比（質量比）0.40時下降24.2%,說明控

制水灰比是提升噴射混凝土抗碳化性能的有效措施。

3結論

試驗以C30噴射混凝土為研究對象，分析不同成型工藝（濕噴法、

模筑法）、水灰比（質量比）（0.38,0.40,0.42,0.45）和速凝

劑種類（無堿速凝劑、有堿速凝劑）對C30噴射混凝土力學及耐

久性能的影響，并與C25噴射混凝土進行對比，主要結論如下：

1）成型工藝方面，由于噴射混凝土特殊的施工工藝以及速凝劑

的影響，噴射混凝土的力學及耐久性能均不如同配比模筑混凝土。

無堿體系C30噴射混凝土的56d強度為同齡期模筑混凝土的

82.4%,滲水高度為模筑混凝土的1.39倍，56d電通量和氯離子

遷移系數分別為模筑混凝土的1.13倍和1.07倍，28d碳化深度

相比模筑混凝土增加24%o

2）水灰比因素方面，在水泥用量一定的情況下，隨著水灰比的

增大，噴射混凝土的力學及耐久性能均有所卜降。以0.45水灰

比（質量比）為例，相比C30噴射混凝土基準組