[分享]湿喷技术系列(三):湿喷技术常见问题解决

发表于2020-06-24     318人浏览     1人跟帖     总热度:734  


来源:思考隧道

湿喷技术系列(三):湿喷技术常见问题解决_1
-----国家建筑材料工业技术监督研究中心/齐冬有


说明
最近几年,湿喷混凝土技术得到了极大的发展和进步,湿喷应用越来越多,已从铁路向公路、地铁延伸,湿喷混凝土配合比技术路线、湿喷机械手、无碱速凝剂、喷射技术工都得到了一定的发展,但也暴露出很多问题,比如消耗与回弹问题、早期强度不足的问题、后期强度倒缩问题、粘接力、握裹力问题。国家建材监督研究中心齐冬有教授发来他的研究成果,在喷射混凝土配合比及速凝剂源头上有深度的思考,现共享给大家,希望引来更多的关注和思考,有力促进湿喷配合比技术路线的革命性变化


导读
湿喷混凝土普遍存在回弹大、成本高、早期强度低、后期强度比低、粉尘大等问题,见图1。这些问题形成机理是什么?解决方案如何?

湿喷技术系列(三):湿喷技术常见问题解决_2
一、

湿喷混凝土回弹问题的形成机理

我们经常发现一个问题:
按照GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》检测速凝剂时,净浆凝结时间效果很好,初凝时间小于3分钟,达到一等品技术指标,但实际湿喷混凝土的回弹仍然很大。由此可见,速凝剂凝结时间快,不一定湿喷混凝土的回弹就小。影响湿喷混凝土回弹率的决定性因素并不是凝结时间

当然影响湿喷混凝土回弹率的因素很多,下面仅从湿喷混凝土的水化机理这一本质因素进行分析。湿喷混凝土使用的速凝剂种类很多,速凝机理很复杂,为了便于理解,简单的可以分为碱性速凝剂和无碱速凝剂。

碱性速凝剂和无碱速凝剂的作用机理是不一样的。硅酸盐水泥在生产时会加入适量二水石膏,主要是同水化速度很快的熟料矿物C3A反应,在熟料矿物表面形成无定型的水化硫铝酸钙细密薄膜,阻止了熟料矿物C3A的过快反应,从而起到缓凝的作用,也使得硅酸盐水泥在加水以后具有较好施工性能。


湿喷混凝土施工时,湿喷混凝土与速凝剂混合后立即改变了混凝土浆体溶液中各种离子间的平衡。
碱性速凝剂的加入,使得溶液中OH-离子浓度的大幅度提高,过饱和的OH-与Ca2+反应生成Ca(OH)2析出。
此时,溶液中Ca2+浓度降低,打破原有的浓度平衡,已经在熟料矿物表面形成无定型的水化硫铝酸钙薄膜破裂,C3A加速水化,Ca2+、AlO2-大量进入溶液并与H2O快速反应生成六方板状的水化铝酸钙(C3AH6)。
由于水泥中石膏含量有限,并在高碱度环境下,石膏的缓凝作用不再发生,C3AH6快速结晶成长,并结合大量H2O,从而使得混凝土变干,凝结并产生强度。

湿喷技术系列(三):湿喷技术常见问题解决_3

在加入含NaAlO2的碱性速凝剂时,上述反应过程中增加了溶液中的AlO2-含量,加速和加大了C3AH6的形成,这也是铝氧熟料速凝效果比一般的碱性速凝剂要好原因。
无碱速凝剂(例如主要成分为Al2(SO4)3的速凝剂)的加入,主要是增加了溶液中Al3+和SO42-的溶度,从而首先在混凝土浆体溶液中生成水化硫铝酸钙(钙矾石,C63H32),并逐渐生长成针状晶体,交错形成网状结构
在钙矾石的生成过程中,降低了溶液中Ca2+浓度,打破原有的浓度平衡,促进了C3A的快速水化。此时,在溶液中SO42-足够的条件下,C3A的水化也将形成针状钙矾石晶体。最终喷射混凝土凝结硬化。



分析上述碱性速凝剂和无碱速凝剂的水化机理,我们可以知道,在加入碱性速凝剂的早期,混凝土浆体溶液中原有固相的溶解和新的固相形成基本平衡,固液比没有增加,反而,由于液体碱性速凝剂加入带入的水分使得液体量有一定提高。

从宏观上就表现为,加入液体碱性速凝剂,在喷射混凝土凝结前,混凝土不但不变稠反而会变稀。加入无碱速凝剂的早期,混凝土浆体溶液中由于额外加入的Al3+和SO42-与溶液中的Ca2+反应生成钙矾石晶体,并结合了32个H2O,使得喷射混凝土的固液比快速、持续增大,从宏观上就表现为,喷射混凝土会有变稠变粘的趋势。

但是,由于硅酸盐水泥中C3A含量有限,喷射混凝土变稠变粘的程度有限,但喷射混凝土从喷出到围岩表面只需几秒钟,而喷射混凝土凝结时间是数分钟,甚至更长,因此,喷射混凝土到达围岩表面时,并没有凝结,而是需要经过数分钟,甚至数十分钟才能凝结硬化。此时,决定喷射混凝土与围岩、钢筋网的粘结力的主要因素是混凝土自身粘聚性。

所以,在湿喷混凝土凝结硬化前,决定湿喷混凝土回弹大小的根本因素在于混凝土的自身粘度。

我们在实际工程经常也会遇到,在二次喷射时会出现混凝土整块掉的现象,极大的增加回弹率。这种现象产生的主要原因就是二次喷射时,已喷射混凝土未能凝结或硬化强度不够
湿喷技术系列(三):湿喷技术常见问题解决_4


二、

湿喷混凝土早期强度低的原因

湿喷混凝土早期强度低的主要原因是硅酸盐水泥中C3A含量低,速凝剂的加入,促进了C3A的快速水化,消耗了大量的H2O,使得混凝土变干,生成强度矿物,宏观上表现为初凝。但是,随着C3A水化结束,湿喷混凝土中强度矿物不能快速和持续增多,强度增长变得十分缓慢,直到C3S水化的大量发生。在湿喷混凝土体系中,C3S水化的大量发生往往在数小时后,甚至在1天之后。这就是一些工程实际中湿喷混凝土10个小时的抗压强度不到1MPa的原因。

三、

使用碱性速凝剂的湿喷混凝土后期强度比低的原因

使用碱性速凝剂的湿喷混凝土后期强度比低的主要原因是高碱环境下C3A水化生成的是六方板状水化铝酸钙,晶体尺寸大、形态单一,结构缺陷大,从而造成后期强度比低。而使用无碱速凝剂的湿喷混凝土,C3A水化生成的是针状钙矾石晶体,并且相互搭接,形成网状结构,结构合理,所以对后期强度影响不大,甚至对后期强度有利。

四、

使用碱性速凝剂的湿喷混凝土施工现场扬尘大的原因

使用碱性速凝剂的湿喷混凝土施工现场扬尘大的主要原因是混凝土粘度低,浆体在高压空气作用下雾化严重,并且回弹加大了扬尘,从而使得现场扬尘大,危害施工人员安全。粘度适宜的湿喷混凝土则扬尘很小。

除了上述常见问题外,使用碱性速凝剂的湿喷混凝土还存在返碱、开裂、硫酸盐侵蚀等问题,见图2。
这都是由高碱性环境下硅酸盐水化矿物的特性决定的。

湿喷技术系列(三):湿喷技术常见问题解决_5
湿喷技术系列(三):湿喷技术常见问题解决_6
湿喷技术系列(三):湿喷技术常见问题解决_7
图2(ABC) 某工程掺碱性速凝剂和无碱速凝剂实验室对比

解决办法
根据前面的分析我们知道,硅酸盐水泥中C3A含量很少,速凝剂虽然也能激发C3S等熟料矿物的水化,但速凝的主导矿物还是C3A,因此,在数分钟、数小时的早期,速凝机理对湿喷混凝土的粘度起决定性作用,高活性熟料矿物含量对早期强度的大小起着决定性作用。因此,解决湿喷混凝土回弹问题,改变碱性速凝机理,提高活性熟料矿物含量是根本路径。

目前,降低湿喷混凝土回弹率的途径有很多,例如,掺硅灰、粉煤灰等超细或纳米掺合料,添加合成纤维和钢纤维,改进速凝剂等都取得较好的改善效果。例如,硅灰、粉煤灰等超细或纳米掺合料提高了固相比表面积,增大了混凝土的粘聚性,从而改善了回弹大的问题。但是,这些方法较大的增加了湿喷混凝土的成本,且未从混凝土中水泥熟料矿物水化这一根本因素上解决问题
根据各种问题的形成机理,我们可以从熟料矿物的种类、含量、结晶程度、晶体形态、晶格缺陷、离子掺杂等方面设计、生产出一种能够与硅酸盐水泥熟料矿物、混凝土减水剂等具有较好相容性的高活性的矿物掺合料,同时找到一种与之匹配的无碱速凝剂,使得湿喷混凝土在喷出时,就能快速发生反应,固液比迅速提高,混凝土快速变粘,直至硬化,并且产生强度的水化矿物持续增加,强度持续提高,水化矿物晶型结构合理,后期强度、抗硫酸侵蚀等耐久性能大幅度提高,从而在根本上解决湿喷混凝土的常见问题。
目前,我们已经设计、生产出一种早期高活性矿物掺合料,在多个工程中试用,并取得了很好的应用效果。
湿喷技术系列(三):湿喷技术常见问题解决_8
案例1
北京某地铁由于隧道截面小,采用的是湿喷砂浆。这是一个高活性矿物掺合料使用的典型案例,完全依靠高活性矿物掺和料改善砂浆浆材的粘聚性,不用速凝剂即可一次喷射较大厚度。实现降低湿喷砂浆的材料损耗,提高湿喷砂浆早期强度的要求。现场配制的湿喷砂浆性能:初凝时间30分钟,初始坍落度160mm-180mm,20分钟坍落度80mm-120mm。使用时,3分钟完成制浆,15分钟喷完。虽然,湿喷砂浆的凝结时间达到30分钟,因为其粘聚性好,湿喷砂浆的平均回弹率小于15%。


案例2
在贵州正习公路某隧道项目对掺无碱速凝剂的普通湿喷混凝土、掺8%硅灰的普通湿喷混凝土、掺10%高活性掺合料的湿喷混凝土三者进行了对比,对比结果见表1。



案例3
在新疆G575某隧道项目对掺5%高活性矿物掺合料的C25湿喷混凝土进行了对比试验。试验配合比见表2。

试验时,实验室温度16℃,成型好的试块放置在实验室自然养护到相应龄期。试验测定不同配合比的现场和实验室3h、6h、12h、24h、1d、3d、7d、28d抗压强度。实验室成型的强度试模采用100mm立方体,并自动转换成150mm立方体混凝土强度数值;现场分别采用100mm立方体测试早期强度,大板试模测试中后期强度。实验结果见图1和图2。

湿喷技术系列(三):湿喷技术常见问题解决_9
湿喷技术系列(三):湿喷技术常见问题解决_10

综上所述:

回弹大、成本高、早期强度低、后期强度比低、粉尘大等是湿喷混凝土普遍存在的问题,其产生原因在于:湿喷混凝土中硅酸盐水泥熟料矿物的速凝和高活性熟料矿物含量决定早期粘度和早期强度。综合考虑熟料矿物的种类、含量、结晶程度、晶体形态、晶格缺陷、离子掺杂等机理,设计并生产一种能够与硅酸盐水泥熟料矿物、混凝土减水剂等具有较好相容性的高活性的矿物掺合料,经多个隧道工程中应用实践,可以取得非常好的使用效果。
本文来源于网络,仅供学习交流

扫码加入筑龙学社  ·  路桥市政微信群 为您优选精品资料、免费课程、高端讲座
分享至

分享到微信朋友圈 ×

打开微信"扫一扫",扫描上方二维码
请点击右上角按钮 ,选择 

 发表于2020-06-24   |  只看该作者      

2

湿喷混凝土技术常见问题及解决方法

猜你爱看

查看原图
分享
开始 ||
x