半岛体育官方网站:复合高效型液态速凝剂在公路隧道中的应用研究
来源:工程养护部 作者:杜韦 发布时间:2023年03月28日 10:48:48
半岛体育官方网站: 一、引言
速凝剂是喷射混凝土中一种非常重要的外加剂,早在20世纪40年代速凝剂研制之前,主要喷射砂浆等,且无法达到一定的厚度。速凝剂的研制使用,大大增加了一次喷厚,减少回弹,提高混凝土早期强度,与围岩表面密贴,使得喷射混凝土技术广泛应用于各种地下工程与建筑物修复中。
速凝剂主要有两种形式,粉状速凝剂和液态速 凝剂。粉状速凝剂主要用于干喷混凝土中,随水泥、砂、石一起投 入喷射机中,通过高压风运送至喷头处。液态速凝剂主要用于湿喷混凝土中,在喷头处通过风压或泵压,与混凝土拌合料混合后,喷射至受喷面。速凝剂按主要成分分类,主要有铝氧熟料加碳酸盐系、硫铝酸盐系、水玻璃系。
最早的速凝剂是奥地利生产的西卡速凝剂,主要成分是硅酸钠,是一种具有强烈腐蚀性的液体速凝剂。20世纪70年代,相继出现了一批以碱金属为成分的高碱速凝剂。近年来,为了更加适应现场的需要,速凝剂朝着低碱、复合、高效、液态发展。
目前,我国隧道内喷射混凝土主要使用粉状速 凝剂,施 工中粉尘量很大,回弹也很大。主要因为:一是粉状速凝剂与拌合料混合不均匀;二是粉状速凝剂的计量不精确;三是粉状速凝剂喷射时扬尘多。我国液态速凝剂发展很不成熟,市场销售的速凝剂大多掺量过大、适应性差、稳定性低、混凝土后期强度损失严重。因此,针对以上情形,研制出一种新型的复合高效型液态速凝剂。它由无机和有机材料复合而成,能增加混凝土的黏聚性,降低回弹量和粉尘量,减少凝结时间,初凝时间在1min左右,终凝时间在4min以内,掺量仅为水泥质量的2%,且PH不大于12,能保障喷射混凝土后期强度。
半岛体育官方网站: 二、室内试验研究
2.1原材料
(1)水泥
采用P.O42.5普通硅酸盐水泥,使用前要与速凝剂做相容性试验,选择相匹配的水泥,或者根据水泥成分调整速凝剂的掺量与质量配比。
(2)试剂
该液态速凝剂为一种铝酸盐类速凝剂,主要为铝酸钾,并加入一些其它组分复配而成。主要有聚丙烯酰胺、三乙醇胺、减水剂、稳定剂、防结晶剂等。
(3)骨料
细骨料:试验中所用细骨料为细度模数为2.7,质地坚硬的中粗砂。砂子中粒径小于0.075mm的颗粒不超过20%。
粗骨料:试验用粗骨料为5~10mmm的碎石。
2.2试验方法
水泥净浆凝结时间试验参照喷射混凝土用速凝剂(JC477—2005)进行,其中液态速凝剂的掺量按照水泥质量的百分比计算。液态速凝剂水泥净浆试验,所用水 灰比为0.4,该液态速凝剂的掺量定为1.5%~3%,液态速凝剂的固含量为60%。试验步骤如下:
(1)取400g普通硅酸盐水泥,与计算量用水(160mL水减去液态速凝剂中的水量)混合搅拌均匀。
(2)按试验用液态速凝剂掺量加入水泥浆中,迅速搅拌25s~30s,立即装入圆模,人工振捣数次,削去多余水泥浆,并用洁净的刀具修平表面。从加入液态速凝剂到表面平整不超过50s。
(3)将装满水泥浆的试模放在水泥净浆标准稠度与凝结时间测定仪下,使针尖与水泥浆表面接触。迅速放松测定仪杆上的固定螺丝,针即自由插入水泥净浆中,观察指针读数,每隔10s测定一次,直到终凝为止。
水泥砂浆试验步骤为,称取基准水泥900g,标准砂1350g,计算液态速凝剂中的含水量,从总水量中扣除,加入水将胶砂搅拌至均匀,再加入液态速凝剂人工迅速搅拌40s~50s。
然后装入40mm×40mm×160mm的试模中,立即在胶砂振动台上振动30s,刮去多余部分,抹平。在标准养护室中养护,测得1d和28s的抗压强度,得出强度比。
2.3试验结果及分析
(1)不同掺量对水泥初终凝时间的影响
速凝剂的掺量对水泥的初终凝时间影响很大,在一定范围内,速凝剂随着掺量的增加,速凝效果越好。超过这个范围,速凝效果会下降。表1为不同掺量的速凝剂水泥初终凝时间测定结果。
表1水泥初终凝试验测定结果
速凝剂掺量 |
水灰比 |
初凝时间 |
终凝时间 |
1.5% |
0.4 |
2min20s |
4min30s |
2.0% |
0.4 |
2min25s |
3min50s |
2.5% |
0.4 |
2min10s |
3min20s |
3.0% |
0.4 |
2min30s |
4min10s |
从表1中可以看出,该液态速凝剂掺量在2.5% 时,速凝效果最好。一般液态速凝剂与水泥存在一种适应性,对于 不同种类的水泥,其最佳掺量不定。这主要跟水泥中的矿物成分 、石膏类型、掺合料等有关。
(2)不同掺量对水泥砂浆的强度影响
速凝剂的添加,能使混凝土的凝结时间大大缩短。但随着速凝剂掺量的增加,对混凝土后期强度影响很大。该液态 速凝剂采用比较活泼的金属元素,与水泥反应迅速,使混凝土用水较少,由于采用元素活泼,有很强的活性,因此需要的掺量很少。普通粉状速凝剂的掺量一般为4%~6%,液 态速凝剂 的掺量一般为4%~8%,该 液态速凝剂掺量一般为2%。同时,该液态速凝剂中复合有一些有机成分,如三乙醇胺、减水剂等,能有效提高混凝土各龄期的强度,减少喷射 施工中的回弹和粉尘。在合适的掺量范围内,能保 证混凝土28d强度损失在10%以内。表2为水泥砂浆的强度比。
表2水泥砂浆强度比
速凝剂掺量 |
抗压强度1d |
抗压强度28d |
28d抗压强度比 |
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% |
从表2中可以看出,在液态速凝剂适宜掺量范 围1.5%~3%内,28d 强度损失不超过10%,这样就有利的保证喷射混凝土支护的效果。减水剂的加入,在和易性不变的情况下,能有效降低混凝土的用水量,一般能减少水量的 15%~35%。用水量的减少,能大大提高混凝土的强度 。
(3)速凝机理探讨
该液态速凝剂主要为一种铝酸盐类复合型速凝剂,铝酸盐类速凝剂的速凝机理是,它能与水泥中起缓凝作用的石膏发生反应,石膏被消耗掉,则会促进C3A、C3S的水化从而使混凝土快速凝结硬化。主要反应方程式为:
2KA1O2+3Ca(OH)2+3CaSO4+30H2O→
3CaO·A12O3·3CaSO4·32H2O+2KOH
速凝剂中含有聚丙烯酰胺 、三乙醇胺、减水剂等 组分,聚丙烯酰胺为一种增稠剂,作用是为了增加喷射混凝土的粘性。三乙醇胺为一种早强剂,能提高 混凝土的初期强度。
半岛体育官方网站: 三、工程应用试验
为了验证该液态速凝剂的使用效果,进行实际隧道喷射混凝土试验。在隧道围岩级别为 Ⅳ 级,喷射混凝土设计厚度为20cm,设计强度为C20,采用湿喷混凝土方式,湿喷混凝土的配合比为水泥400kg:砂子804kg:石子804kg:水168kg:液态速凝剂8kg,水灰比为0.42,速凝剂掺量为 水泥的2%。设计坍落度为80~120mm,实测坍落度为100mm;原材料各项指标 均符合规 范 要 求。 喷 射 用原 材料均为施工现场材 料,喷射前首先进行水泥的适应性试验 ,测定水泥净浆的初终凝时间,从 而选择最佳掺量,经 试验,选 用 液态速凝剂的掺量为2%。
经过一个小时连续喷射,使用该液态速凝剂的喷射混凝土具有良好的现场效果。喷射中,粉尘和回弹都很。蘼浣。经过试验得出回弹量为9.2%,由于喷射角度、喷射距离、风压、水压等对回弹量都有影响,如果操作正确,回弹量有望进一步降低。该液态速凝剂的使用,能充分与混凝土接触,且混合均匀,因此施工时粉尘量降低,为隧道施工提供了良好的环境。下图为现场喷射照片。
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(1)复合高效型液态速凝剂掺量一般在1.5%~3%之间,掺量很。耘缟浠炷燎慷扔跋煨。掺入后,水泥净浆的初凝时间在1min左右,终凝时间在4min以内。
(2)复配组分的加入,能有效提高液态速凝剂的作用效果。增加喷射混凝土的粘聚性,降低回弹,减少用水量,提高混凝土的强度,28d 强度损失能控制在10%以内。
(3)该液态速凝剂是一种均一稳定的液体,稳定性好,不产生结晶和沉淀,是一种较为理想的喷射混凝土用液态速凝剂,具有很好的推广应用价值 。
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