[分享]岩土技术:喷射混凝土之系统研究

发表于2020-12-02     419人浏览     1人跟帖     总热度:500  




湿喷混凝土的破题之道           

摘要





随着喷射混凝土机具输出能力的持续成长,需要喷射混凝土中的速凝剂更好、更多的反应,能够迅速地拉高喷射混凝土早期强度,实现令人满意的喷浆厚度,尽快起到 支撑作用。不管是在恶劣的地质条件或地下水入渗状况,都是如此。在过去,以碱性硅酸 盐类或铝酸盐类为基底的速凝剂,直接在喷射混凝土系统的喷嘴添加,使喷射混凝土与 速凝剂产生作用,而达成迅速提高早期强度之作用。不幸的是,这两种型式的化学物质, 都不利于喷射混凝土的最终强度。更困扰的是,这些高碱性材料,除了有引发碱骨料反应(ASR)的潜在危险外,对于人体健康、安全、作业环境甚至周遭环境造成的伤害。本文 期待,以理性逻辑思维妥适面对速凝剂-喷射混凝土系统-喷射混凝土的操作与运用,介 绍不同基底的速凝剂,以及对喷射混凝土的影响。









01

前言

速凝剂(Accelerator)一词,有些时候是名词,有些时候被当作动词。当它运用于混凝土的时候,一般被要求:需要 混凝土硬的时候,混凝土就应该要硬(指强度,至于多少强 度,常因人想象而不同)。又有些时候,他被当作代名词,意 味着混凝土加上它,理所当然,强度愈早提升、愈高愈好, 添加比例愈少愈好,不管是哪一种化学性的亦或物理性的 反应。不同化学基底(主成份)的速凝剂,相对波特兰水泥不同组成成份、不同阶段产生交错反应。反应的时间和产物,皆相对应于波特兰水泥的成份。本文期待,以理性逻辑思维,妥适面对速凝剂、喷射混凝土系统、喷射混凝土的操作与运用,藉由喷射混凝土特性需求、喷射混凝土系统发 展与限制,进而推演阐述不同化学基底的速凝剂对喷射混 凝土性能的影响,研讨理论评估与实际操作的关键问题。

02

喷射混凝土特性需求

在进入细节之前,设计喷射混凝土的主要目标参数,必须先行定义:
1)提高早期强;
2)减少晚期强度损失(相对于参考混凝土);
3)可控制的拌合运输延时;
4)必要的良好泵送性;
5)低反弹率;
6)良好的密实度等。
本文阐述运用的各种材料与操作目标,皆基于前述共同的喷射混凝 土目标参数。

喷射混凝土(Shotcrete;Sprayed Concrete)事实上代表了一个完整的技术组合,分别为:
  • ·喷射混凝土材料及拌合;
  • ·喷射混凝土系统;
  • ·喷射混凝土喷布。 


这三种组合定义了喷射混凝土技术,也意味着多元影响的复杂因素。喷射混凝土材料及拌合内部组合,分别将水泥、水、骨料、添加剂,有时还有硅灰、钢纤维等,各种特性迥异的材料组合;藉由喷射混凝土系统稳定传送、气动平衡、速凝剂协同相位转换后;操作手在地质变异、气候、环境变化……等多重外部影响因素下,进行喷射混凝 土喷布。任何一个环节,若无法对于系统整体做出贡献, 即对最终的喷射混凝土产生不尽人意的结果。换个角度来说,任何一个环节,都足以对最终的喷射混凝土的性能,产生决定性的影响,只是程度的多寡而已。速凝剂扮演着这诸多环节中的一环,本文尝试说明,不同化学基底的速凝剂对喷射混凝土性能的影响。

2.1
 喷射混凝土材料及拌合

主要影响设计目标参数之部分为水泥(种类)、骨料(最大粒径、级配)、添加剂、水灰比、稠度(Consistency)、 坍落度损失、混凝土温度等等。

水泥是喷射混凝土强度的主要构成要件,其作用是将骨料胶结包裹并粘结在一起。水泥质量和喷射混凝土每立方米所含水泥重量(kg/m3),决定喷射混凝土喷布过程和强度。骨料最大粒径和级配直接影响泵送性能和反弹量。添加剂用于获得需要的喷射混凝土多方面特性,须具备高减水率;为维护喷布质量及减低反弹量,须具备键结黏性(水泥颗粒间双电层联系力);在动力传送和气动平衡期间,必须维持拌和物的稳定性;应增大喷射混凝土的耐久性;不得影响速凝剂和水泥的作用。

喷射混凝土依混凝土拌合方式,分为干拌混凝土(或干式工法)施工和湿拌混凝土(或湿式工法) 施工,各有其特点。隧道开挖期间,究竟应该采用干或湿式工法,现 仍有讨论空间。由于机具及混凝土添加剂的进步,基于健康、安全与卫生方面的考虑,以及工作环境条件的改善,本文仅针对湿拌混凝土施工评论,主要因为:使用湿拌混凝土施工可彻底减少反弹,易于控制喷射混凝土质量,工作环境条件大幅的改善。湿拌混凝土,主要目标为工作性(可泵性、喷布作用)及拌合运输延时,下述几点必须在意:
  • ·确保早期强度迅速提高
  • ·确保混凝土达到设计要求之性能指标
  • ·确保使用者足够的可工作时间(足够的运输时间和 可能发生的延误)
  • ·容易输送(好的泵送性能)
  • ·容易喷布(高黏性、较高的一次喷层厚度) 喷射混凝土拌合程序,决定了其使用时的效果。


喷射混凝土拌合完成后,运送到喷浆机之位置,随即被置入喷射混凝土系统,然后再喷布完成于施作位置。在过去,由于喷射混凝土机具以及拌合运输的限制(有经验的施工业者应当深知,喷射混凝土的拌合本身并不成问题,拌合运输的时间长短,才是所有关键之处),各种形式的喷浆机(干拌合和湿拌合),以及各种形式的速凝剂(干粉和液 状)被混合使用。因此,不易保证喷射混凝土的质量。试验数据明确指出,湿拌混凝土运送到现场,再加上液态速凝剂立即喷布的工艺,可以获得最佳的喷射混凝土质量。

水灰比仍然是强度控制的主要机制,在不影响强度的情况下,适当的使用强塑剂,调整混凝土浆液的粘稠度,使拌和运输时间增加,喷射混凝土喷布能力增加,喷射混 凝土质量控制较容易确保。

根据需求以及设计主要目标参数,调整决定之配比组合。只有技术上正确以及经济上可行的解决方案,才能使人人满意。并由于喷射混凝土经常被运用于特殊或相对 较困难施工的位置,喷射混凝土设计,必须容易应用于不同机具、设备。

2.2
 添加剂

添加剂用于获得需要的喷射混凝土多方面特性,诸如高混凝土拌和物稳定性、粘聚性、泵送性能、低反弹量、高早期强度、较高的后期强度和耐久性,等等。综整相关需 求,对添加剂有如下要求:
  • ·具备高减水率
  • ·具备键结黏性
  • ·能增进喷射混凝土的耐久性
  • ·维持足够且可控制的拌和物稳定性
  • ·不得影响速凝剂和水泥的作用
  • ·不得使用醣类。

喷射混凝土在用于喷射施工系统前,必须先行确认性能是否满足要求,喷射混凝土一离开喷射系统的喷嘴(混 合速凝剂)后,到达附着点即凝结和发展强度,喷射混凝土结构立即定型,没有机会进行任何调整。

当我们费尽心思,调整并拌合完成合适的喷射混凝土材料,经由喷射混凝土机具内部钢管、橡胶软管泵送传递、压气吹送后,喷射混凝土必须稳定地附着于隧道岩盘 上,形成完整的支护结构。

喷射混凝土系统必须担负稳定传送、气动平衡、相位转换的基本职责。

03
喷射混凝土系统

系统需求的主要目标参数为:
  • ·符合设计期待的喷射混凝土;
  • ·高输出负载能力;
  • ·迅速提供高早期强度;
  • ·低反弹量;
  • ·不能造成强度损失;
  • ·安全和健康需求。

为使喷射混凝土材料在整个过程中,确保连续、规则而稳定的传送,需要特别对喷射混凝土设备的输送泵、传输管径、喷嘴系统、速凝剂流量控制单元说明:
输送泵:输送泵也称作喷浆机,湿式喷浆机一般区分为两大类:
  1. 转子式(Rotorly Type,Squeeze Pump);
  2. 活 塞式往复式(Piston Type,Duplex Pump)。

转子式喷浆机 主要利用压缩空气将喷射混凝土送出,喷射混凝土在喷浆管输送过程中与压缩空气混合喷出。一般而言,所使用的空气压力为5kg/cm2~7kg/cm2。由于喷射混凝土在输送过程中与压缩空气充分混合,降低了喷射混凝土的容重,加上后端一直有压缩空气持续不断吹送,使得喷射混凝土在喷浆管中分布较为均匀,在传输过程中呈现稀薄流动方式, 或可称为稀流控制(Thin stream)。由于设计上的限制,转子式喷浆机目前最大的输出流量约为20m3/hr 左右。

活塞式喷浆机则与工地常见的混凝土泵送车相类似, 主要利用活塞压力将喷射混凝土输送至喷嘴处,速凝剂在喷嘴系统以精准计量且高压方式,侵入湿拌混凝土达 成混合,并吹送出喷嘴。活塞式喷浆机只能使用湿拌混凝土。由于活塞运动的泵压作用于喷射混凝土,使混凝土容重较转子式大,在输送的过程为一段一段的浓稠流动,或可称为稠流控制(Dense stream)。活塞式喷浆机的瞬间最大压力可达50kg/cm2以上,零件损耗率较转子式喷浆机为大;目前最大的输出流量约为50m3/hr。由于输出能量与特性的不同,混凝土的工作度与黏滞度,务必因应机具种类的不同而调整。

传输管径:不管是转子式泵或活塞式泵,都必须经过刚性管路和橡胶软管的交替传输。为避免喷射混凝土材料析离,或产生不连续,刚性管路以及橡胶软管的材质、管径,都必须经过计算及设计。许多实际的经验使人讶异,在刚性管路(尤其是转弯处)和橡胶软管的交替传输过程中, 如果喷射混凝土材料产生析离,机具表面以及动作并不会有太大差异;然而,喷嘴系统内部的速凝剂,只能与波特兰水泥反应,离析的骨料因缺乏水泥胶结而回归大地,导致喷射混凝土产生空隙及不连续面,强度降低、反弹量增加、速凝剂用量增加,以及诸多莫名而毫无头绪的争议。

速凝剂流量控制单元:速凝剂剂量调整单元,或称为的性能与质量。目前,市场上粉状速凝剂与液状速凝剂计量器都有供应和使用。粉状速凝剂计量器,主要利用齿轮将速凝剂压送出,计量方面较难掌控。由于粉状速凝剂难以在短时间内与混凝土充分混和,其所导致的反弹量及粉尘量亦较大,对于隧道作业环境以及工作人员的损害极大。液状速凝剂计量器以液体流量控制,利用压缩空气输送,计量相当精准,且反弹量及粉尘量的产生亦较小。

喷嘴系统:前述所有设备,职司喷射混凝土系统中稳定传送、气动平衡的部分。喷嘴系统必须促使速凝剂协同进行相位转换。值得特别注意的是,速凝剂于此时始与喷射混凝土材料相结合,喷嘴系统必须创造速凝剂与波特兰水泥均匀混合的方式,并迅速、连续的、稳定的、完整的 将喷射混凝土材料喷出,架构于隧道岩盘上。不合适的混合系统,由于空气压力及物理性作动环,将使得喷射混 凝土材料与速凝剂混合不匀,反应不完整,导致喷射混凝 土强度波动,孔隙率、反弹量、速凝剂使用剂量等增大。多数时候,人们会选择使用较高剂量的速凝剂,试图解决这 种混合反应不完整的现象,但不仅消耗更多的速凝剂,反 而产生更大的反弹量和质量更不好的喷射混凝土结构。

每立方米的喷射混凝土约重2400kg,相当于一头象的重量;其中波特兰水泥约重4 00kg,速凝剂一般约匹配12kg~20kg。12kg~20kg的喷射混凝土速凝剂,如何使 2400kg大象重量般的喷射混凝土迅速的凝结起来,凭借的不是神奇的力量,而是喷嘴系统创造的理想化学反应环境,与物理性混合模式,促使速凝剂与波特兰水泥结合进行化学反应。

图1左显示一座台湾地区公路隧道喷射混凝土损耗量实际案例,Y轴为喷射混凝土损耗量(实际喷射混凝土使 用量-喷射混凝土设计量=喷射混凝土损耗量;一般笼统称呼为反弹量,这是不正确的;它包含超挖、反弹及损耗;此处正名为喷射混凝土损耗),X轴为轮进数。红色方格点显示为喷射混凝土系统未整合时,喷射混凝土损耗量分布情形,发散区间趋大,没有收敛的现象,平均值为 179.74%,意味着喷射混凝土损耗量是喷射混凝土设计量 的2.8倍(一般通称反弹量为2.8倍)。经诊断审视后,决定初步先行由系统整合着手调整;绿色圆点显示为喷射混凝土系统经初步调整后,喷射混凝土损耗量分布情形,发散混凝土配比及拌合调整,最后再合并整个技术组合进行调整,完备整体需求,以符合各方期待。依照图左的进度 以及喷射混凝土损耗量推估,图1右虚线表示未整合系统+损耗+系统耗能…等等的总体支出,圆点实线表示整合系统的总体支出。整合系统的圆点实线表明整合的初期成本较高,约六个月后,虚线和圆点实线将交叉转换。实际上,依本案使用一般喷射混凝土的实例,六个月损耗的总支出,足以添购全新的喷射混凝土系统;若是使用钢纤维喷射混凝土,三个月或更少一点,就可添购全新的喷射混凝 土系统。在未整合匹配的喷射混凝土系统中,执行喷射混凝土作业,损耗量可能会是不可避免的噩梦。

岩土技术:喷射混凝土之系统研究_1
图 1  台湾地区隧道喷射混凝土损耗量实际案例,多数隧道几乎都有相同现象

在整合的喷射混凝土系统中,速凝剂是最重要之添加剂。含碱金属的水溶性盐类,均可用来诱发波特兰水泥里不同的组成成分,作为速凝剂来使用,最常见的是氯(Cl)、硅(Si)、钙(Ca)及铝(Al)。

04

不同化学基底的速凝剂作用于喷射混凝土的影响

不同化学基底(成分)的速凝剂,相对波特兰水泥不同组成成份、不同阶段产生交错反应。反应的时间和组 成相对应波特兰水泥的成分,亦皆有局限。多次试验的结果,是不同化学基底的速凝剂,相对波特兰水泥会有最佳的剂量区间。过多的速凝剂剂量,多数会导致强度的损失。在实验室理想环境操作中,得到如此结果,实际操作中有更多元的影响。此处强度的损失,是指相对于参考混凝土强度较低之现象。

喷射混凝土速凝剂的种类,依型态可区分为粉状速凝剂和液状速凝剂。分述如下:

4.1
  粉状速凝剂(Powder accelerator)

铝酸盐类粉状速凝剂,是第一种用来加速喷射混凝土凝结的速凝剂,主要应用于干拌混凝土喷浆。由于并没有全面发展出精确的速凝剂混合系统及控制单元,通常施 以手工加料,因而很难确保使用比例的准确性。其结果,往往使速凝剂剂量难以预期,分配较不均匀。一些数据显 示,这种状况常使得喷射混凝土比未加速凝剂的参考混凝土28天强度低35%以上,严重降低了喷射混凝土质量。


水泥系粉状速凝剂,主要应用于日本。为了以侵蚀性较少的产品,取代腐蚀性强的铝酸盐类,日本粉体工业积极发展以硫铝酸钙(Calcium-Sulph-Aluminates)、铝酸钙聚合物(Polymer Calcium-Aluminates)及其他无机盐类为基础的粉状速凝剂。

由于碱(Alkali)直接影响喷射混凝土的强度损失,且会增加其干缩及盐类的结晶析出。一种简易运用,初步满足一般基本需求的中间技术产品,硫酸铝(aluminumsulfate, Al2(SO43)以及添加其他小量化学成分的粉状低碱性速凝剂(酸性,具腐蚀性),于1980年左右出现于市场。由于具腐蚀性,硫酸铝的浓度应予在意。

这些使用粉体技术的速凝剂,往往参与波特兰水泥水化反应不均匀或不完全,整体喷射混凝土质量需再一步确认。

4.2
 液状速凝剂(Liquid accelerator)

我们尝试将实验室理想环境所得结果,结合实际喷 射混凝土系统,并固定一些影响因子(早 期强度、泵送性、压实度……等),搭配不同化学基底的液状速凝剂,进行实际操作。原则上,喷射混凝土配比设计,采用早强特性较佳的波特兰水泥CEM I 42.5,用量425kg/m3;骨 料最大粒径8mm,其中0~4mm粒径占55%,4mm~8mm 粒径占45%;水灰比(W/C)为0.44;高性能减水剂(聚羧酸类,Polycarboxylates)掺量1%;喷射混凝土系统采用分布较为均匀,稀流控制(Thin  stream)的转子式系统(为 AlivaRotorly Type,Squeeze Pump),空气压力为5Pa;喷射混凝土输出量约7m3/hr。

4.2.1 铝酸盐类液状速凝剂(Aluminate liquid accelerator)

铝酸盐类速凝剂是最早用来加速喷射混凝土凝结的速凝剂,多数地区仍有一般应用,但法国禁止使用,主要是因为在操作期间,此类高碱性材料可能导致工作人员发生了意外事件。铝酸盐类速凝剂主要为铝酸钠(sodium aluminate, Na2O·Al2O3)和铝酸钾(potassium aluminate,K2O·Al2O3),由 铝工业废料与强碱氢氧化钾、钠反应取得。

图2 左上显示铝酸盐类速凝 剂(alu minate  l iquid accelerator),应用于喷射混凝土实际操作的一般结果,印证于实际隧道施工所得经验,也有相同接近的数据。不管是化学组成交互影响,或是喷射混凝土混合速凝剂过程物理性的影响,添加铝酸盐类速凝剂的喷射混凝土,抗压强度的损失都很明显。大家最关注的速凝剂添加剂量(为波特兰水泥用量的百分比),在较佳的剂量区间4%~6%,显现出较低的反弹量和强度损失率。添加剂量偏高时,强度损失暨反弹量明显较大。前文提到,在较高速凝剂剂量时,因混合不均匀,对各种化学基底的速凝剂都有直接的 不利影响。这并非单纯喷射混凝土化学组成问题,而是兼含速凝剂和喷射混凝土系统混合问题。多数时候(极端恶劣地质状况除外),速凝剂相对波特兰水泥在合适的剂量区间,都能满足隧道对喷射混凝土的要求;过量的速凝剂,牺牲的是喷射混凝土的质量、强度、速凝剂及反弹量。使用这类型的速凝剂必须采取完备的保护措施,运输和操作喷浆作业人员,必须注意戴手套、口罩、护目镜等,以避免与这类型的速凝剂直接接触。

岩土技术:喷射混凝土之系统研究_2
图 2  不同化学基底的速凝剂应用于喷射混凝土实际操作的一般结果

此类型速凝剂借助水溶性硅酸盐(多为硅酸 钠)与水泥中的钙反应, 生成不溶性硅酸钙析出,高黏性硅酸钙胶体使混凝土快速凝结。其用量取决于水灰比,水灰比越高,需要越大的剂量才能确保速凝 。由于硅酸盐类速凝剂的活性高,能争夺拌和水优先与水泥的钙反应,且加入剂量相当高,造成喷射混凝土固结后孔隙率大增,渗透性很高,早期和后期强度均有较大损失,整体喷射混凝土质量大幅降低。此外这类速凝剂会溶解析出,干燥结块可能造成排水系统的阻塞。现在,硅酸盐类速凝剂在德国、澳大利亚及瑞士被禁止使用。图2右上显示硅酸盐类速凝剂(silicate liquid accelerator),应用于喷射混凝土实际操作的一般结果。基本上,硅酸盐类速凝剂相对于波特兰水泥用量的百分比越高,相对应的反弹量越低,强度损失也越大,喷射混凝土的质量、强度则越低。

4.2.3 硫酸铝液状速凝剂(Aluminumsulph liquid accelerator )

为避免碱(alkali)对于人体伤害和强度损失,硫酸铝(a luminumsulfate,Al2(SO43)以及添加其他小量化学成分的低碱性速凝剂,于1980 年左右用作喷射混凝土速凝剂。这种低碱性液状速凝剂,是一种避免问题和简单运用的中间产品。图2左下示意硫酸铝速凝剂(aluminumsulphliquid  accelerator),应用于喷射混凝土实际操作的一般效果。较佳的速凝剂添加剂量区间在 7%~9%,反弹量较低,强度损失率在可接受的范围。速凝剂添加剂量偏高时,反弹量亦趋升高。
较高的硫酸铝速凝剂剂量,会改变喷射混凝土中硫酸盐(sulfate)平衡,进而对喷射混凝土系统的强度及整体行为产生影响。喷射混凝土系统(喷射混凝土+速凝剂)中的硫酸铝比例(aluminumsulfateratio)必须适当控制[1]。
对于硫酸铝液状速凝剂的一般评论:
1)碱含量使碱 骨料反应的风险减少;
2)相对于参考混凝土强度损失较 小;
3)硫酸铝的絮凝特性,促进沉淀和凝结;
4)pH值在 1~3范围,有腐蚀性;
5)喷射混凝土系统中的硫酸铝比例 必须适当控制。

3.2.4 偏铝酸盐类液状速凝剂(Meta-aluminate liquid accelerator )

另一种效能较佳的低碱、无硫酸盐类速凝剂—偏铝酸盐(meta-aluminate)类高分子化合物(macro molecular compound)液态低碱速凝剂,一方面可改进技术性能,另一方面避免酸碱腐蚀性,改进与生态环境的亲和性。图2右下显示低碱性高分子化合物液状速凝剂(macro molecular compoundliquid ccelerator)
应用于喷射混凝土 实际操作的一般效果。

液状低碱高分子化合物速凝剂,较佳的剂 量在5%~7%之间,反弹量最低,且不会明显降低喷射混凝土的抗压强度。一些隧道工程实测试验数据显示,这种速凝剂对28天抗压强度几乎没有影响。

必须再次强调,在相对化学反应合适区间外,在较高速凝剂剂量时,因混合不均匀,对各种化学基底的速凝剂都有直接的不利影响。这并非单纯喷射混凝土化学组成问题,而是兼含速凝剂和喷射混凝土系统混合问题。多数时候(极端恶劣地质状况除外),喷射混凝土速凝剂相对波特兰水泥,合适的剂量区间,都能满足隧道喷射混凝土的需求;过量的速凝剂,牺牲的是喷射混凝土的质量、强度、速凝剂及反弹量。对于液状偏铝酸盐类速凝剂的一般评论:
  1. 弱酸性(pH为4左右),需避免皮肤灼伤、保护眼睛、防止呼吸道侵蚀;
  2. 有腐蚀性,避免储存与机具的腐 蚀损坏;
  3. 改善作业环境以及生态亲和性;
  4. 相对于参考 混凝土强度损失很小;
  5. 低碱含量,使碱骨料反应的风险 减少。


05

喷射混凝土的速凝剂

传统上,干拌混凝土以运输车运送,喷浆手以控制水的方式,控制喷射混凝土的喷布,喷射混凝土水灰比不是固定的,并由于没有精准的速凝剂剂量设备,喷射混凝 土、速凝剂的混合常流于形式。常见的方式是:  运输车运送二立方米的干拌混凝土材料,搭配一包25kg的速凝剂, 意味着添加3%速凝剂剂量。有时直接手动约略计量混合,有时进入机具后,凭印象中的想象混合。喷射混凝土混合状况、喷射混凝土质量和反弹量,转眼间变成了操作手的 “原罪”。

喷射混凝土受多元复杂因素的影响,从各种特性迥异的材料混合而成喷射混凝土材料,经由喷射混凝土系统稳定传送、气动平衡、速凝剂协同相位转换后,由操作手进行喷射混凝土喷布。任何一个环节,若无法对于系统整体做出贡献,对最终的喷射混凝土就可能产生不尽人意的结果。

波特兰水泥的水化过程,交错着物理性粘聚和化学 性反应变化同时发生,这些交互影响效应及内容,并未完全地被了解。迄今,并没有相关严谨的理论和实验室的试验,可提供有关水泥兼容性、添加剂及速凝剂相互影响的 代表性结果。很多工程实践,结果往往使人惊讶,因为得到的并不是预期的结果。传统干拌混凝土施工,由于没有精准的速凝剂剂量设备,喷射混凝土、速凝剂的混合常常仅是形式上的,无法保证喷射混凝土质量。

喷射混凝土被要求能够形成一定强度的结构,必须完整且稳定的附着于隧道岩盘上,与一般混凝土具有相似的强度特性;但,作用原理、特性需求不同,其结构形成特性、凝结硬化过程、施工方法与观念又大不相同。混凝土的工作度以及黏滞性,相对应于喷射混凝土系统,以及速凝剂的反应程度,同等重要。速凝剂必须能与喷射混凝土混合均匀,使速凝剂充分发挥其特性。不同化学基底的速凝剂,相对波特兰水泥化学反应,会有不同的作用区间。过多或过少的速凝剂剂量,就经济和质量两个方面,并不全然为现代喷射混凝土技术所能接受。喷射混凝土输出流量与速凝剂添加剂量必须精准控制,实际输出剂量应尽量接近理论的输出量,喷射混凝土质量更趋稳定易于管控。唯有技术上正确,以及经济上可行的解决方案,才能使人人满意。

06

结束语

(1)就经济角度而言,速凝剂相对波特兰水泥的剂量,最好是1%、0.1%,甚至趋近于0%是最理想的,但这种想法是不切实际的。由于不同化学基底的速凝剂,相对波特兰水泥的不同成份会有最佳的剂量区间,过多或过少的速凝剂剂量,牺牲的是反弹量、喷射混凝土质量、喷射混凝土强度,以及背负“原罪”的操作手。然而,如何使实验室理想环境操作中所得结果,尽量实现于受多元影响的实际操作,喷射混凝土系统的整合,是喷射混凝土技术的关键所在。

(2)添加剂对于喷射混凝土的影响非常重要,因为在喷浆期间或等待期间,过多的工作度损失不可被接受;工作度有一定损失时,整个喷射混凝土系统必须进行调整, 以避免操作手为了工作度,而加水在混凝土中。由于隧道施工变异空间较大,混凝土添加剂必须具备高减水率及足够且可控制的拌合运输延时。在喷射混凝土系统中动力传送和气动平衡期间,必须维持混凝土拌和物的良好泵送性。添加剂必须有效提高混凝土的键结黏性。需注意,喷射混凝土一旦离开喷嘴系统立即凝结硬化,没有机会进行 任何调整,添加剂绝对不能影响速凝剂和水泥的作用。

(3)“碱”(alkali)这个字来自阿拉伯文,意思是“植 物的灰烬”,一般可理解为两种意思:其一,它是一种碱性溶液(pH值介于7~14);另一,它是一种含碱阳离子,这些元素最外层都只具有一个电子,活性高,溶于水,易与存在于骨料内的一些敏感物质(如SiO2、碳酸盐类等)发生碱性反应形成凝胶(碱-骨料反应),吸水产生膨胀。也就是说,速凝剂中的“碱”有引发碱-骨料反应危险,对混凝土耐久性不利;也会对人体和环境造成伤害。“无碱”之意义在于避免这类危险或伤害。


(4)喷射混凝土损耗量正以其庞大而强悍的能耐,严重侵蚀着隧道工程正常的运作。这些莫可名状的争议,天天不断的持续存在,日复一日的累积。无可幸免的,首先受到指责的绝对是弱势的坑夫(喷浆手)。但,这绝对是技术上而且可解决的问题。然而,不幸的是,最终皆以协调认知的方式解决。最终的最大输家一般是业主,不管是资金投入或是工程质量。面对喷射混凝土技术高度不确定性,理性逻辑分析,妥适利用阶段程序适理判断,可达收敛风险之效果。唯有技术上正确,以及经济上可行的解决方案,才能使人人满意。

作者简介:陈东扬,硕士,现任台湾西卡股分有限公司隧道部经理,主要从事隧道工程设计 及施工相关技术研究及执行工作。
来源:岩土新鲜事
版权归原作者所有

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 发表于2020-12-03   |  只看该作者       筑龙币+10

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喷射混凝土的系统研究

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