摘要
隨著噴射混凝土機(jī)具輸出能力的持續(xù)成長,需要噴射混凝土中的速凝劑更好、更多的反應(yīng),能夠迅速地拉高噴射混凝土早期強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)令人滿意的噴漿厚度,盡快起到 支撐作用。不管是在惡劣的地質(zhì)條件或地下水入滲狀況,都是如此。在過去,以堿性硅酸 鹽類或鋁酸鹽類為基底的速凝劑,直接在噴射混凝土系統(tǒng)的噴嘴添加,使噴射混凝土與 速凝劑產(chǎn)生作用,而達(dá)成迅速提高早期強(qiáng)度之作用。不幸的是,這兩種型式的化學(xué)物質(zhì), 都不利于噴射混凝土的最終強(qiáng)度。更困擾的是,這些高堿性材料,除了有引發(fā)堿骨料反應(yīng)(ASR)的潛在危險(xiǎn)外,對于人體健康、安全、作業(yè)環(huán)境甚至周遭環(huán)境造成的傷害。本文 期待,以理性邏輯思維妥適面對速凝劑-噴射混凝土系統(tǒng)-噴射混凝土的操作與運(yùn)用,介 紹不同基底的速凝劑,以及對噴射混凝土的影響。01前言
速凝劑(Accelerator)一詞,有些時(shí)候是名詞,有些時(shí)候被當(dāng)作動(dòng)詞。當(dāng)它運(yùn)用于混凝土的時(shí)候,一般被要求:需要 混凝土硬的時(shí)候,混凝土就應(yīng)該要硬(指強(qiáng)度,至于多少強(qiáng) 度,常因人想象而不同)。又有些時(shí)候,他被當(dāng)作代名詞,意 味著混凝土加上它,理所當(dāng)然,強(qiáng)度愈早提升、愈高愈好, 添加比例愈少愈好,不管是哪一種化學(xué)性的亦或物理性的 反應(yīng)。不同化學(xué)基底(主成份)的速凝劑,相對波特蘭水泥不同組成成份、不同階段產(chǎn)生交錯(cuò)反應(yīng)。反應(yīng)的時(shí)間和產(chǎn)物,皆相對應(yīng)于波特蘭水泥的成份。本文期待,以理性邏輯思維,妥適面對速凝劑、噴射混凝土系統(tǒng)、噴射混凝土的操作與運(yùn)用,藉由噴射混凝土特性需求、噴射混凝土系統(tǒng)發(fā) 展與限制,進(jìn)而推演闡述不同化學(xué)基底的速凝劑對噴射混 凝土性能的影響,研討理論評估與實(shí)際操作的關(guān)鍵問題。
02噴射混凝土特性需求
在進(jìn)入細(xì)節(jié)之前,設(shè)計(jì)噴射混凝土的主要目標(biāo)參數(shù),必須先行定義:
1)提高早期強(qiáng);
2)減少晚期強(qiáng)度損失(相對于參考混凝土);
3)可控制的拌合運(yùn)輸延時(shí);
4)必要的良好泵送性;
5)低反彈率;
6)良好的密實(shí)度等。
本文闡述運(yùn)用的各種材料與操作目標(biāo),皆基于前述共同的噴射混凝 土目標(biāo)參數(shù)。
噴射混凝土(Shotcrete;Sprayed Concrete)事實(shí)上代表了一個(gè)完整的技術(shù)組合,分別為:
·噴射混凝土材料及拌合;
·噴射混凝土系統(tǒng);
·噴射混凝土噴布。
這三種組合定義了噴射混凝土技術(shù),也意味著多元影響的復(fù)雜因素。噴射混凝土材料及拌合內(nèi)部組合,分別將水泥、水、骨料、添加劑,有時(shí)還有硅灰、鋼纖維等,各種特性迥異的材料組合;藉由噴射混凝土系統(tǒng)穩(wěn)定傳送、氣動(dòng)平衡、速凝劑協(xié)同相位轉(zhuǎn)換后;操作手在地質(zhì)變異、氣候、環(huán)境變化……等多重外部影響因素下,進(jìn)行噴射混凝 土噴布。任何一個(gè)環(huán)節(jié),若無法對于系統(tǒng)整體做出貢獻(xiàn), 即對最終的噴射混凝土產(chǎn)生不盡人意的結(jié)果。換個(gè)角度來說,任何一個(gè)環(huán)節(jié),都足以對最終的噴射混凝土的性能,產(chǎn)生決定性的影響,只是程度的多寡而已。速凝劑扮演著這諸多環(huán)節(jié)中的一環(huán),本文嘗試說明,不同化學(xué)基底的速凝劑對噴射混凝土性能的影響。
2.1噴射混凝土材料及拌合
主要影響設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)之部分為水泥(種類)、骨料(最大粒徑、級配)、添加劑、水灰比、稠度(Consistency)、 坍落度損失、混凝土溫度等等。
水泥是噴射混凝土強(qiáng)度的主要構(gòu)成要件,其作用是將骨料膠結(jié)包裹并粘結(jié)在一起。水泥質(zhì)量和噴射混凝土每立方米所含水泥重量(kg/m3),決定噴射混凝土噴布過程和強(qiáng)度。骨料最大粒徑和級配直接影響泵送性能和反彈量。添加劑用于獲得需要的噴射混凝土多方面特性,須具備高減水率;為維護(hù)噴布質(zhì)量及減低反彈量,須具備鍵結(jié)黏性(水泥顆粒間雙電層聯(lián)系力);在動(dòng)力傳送和氣動(dòng)平衡期間,必須維持拌和物的穩(wěn)定性;應(yīng)增大噴射混凝土的耐久性;不得影響速凝劑和水泥的作用。
噴射混凝土依混凝土拌合方式,分為干拌混凝土(或干式工法)施工和濕拌混凝土(或濕式工法) 施工,各有其特點(diǎn)。隧道開挖期間,究竟應(yīng)該采用干或濕式工法,現(xiàn) 仍有討論空間。由于機(jī)具及混凝土添加劑的進(jìn)步,基于健康、安全與衛(wèi)生方面的考慮,以及工作環(huán)境條件的改善,本文僅針對濕拌混凝土施工評論,主要因?yàn)椋菏褂脻癜杌炷潦┕た蓮氐诇p少反彈,易于控制噴射混凝土質(zhì)量,工作環(huán)境條件大幅的改善。濕拌混凝土,主要目標(biāo)為工作性(可泵性、噴布作用)及拌合運(yùn)輸延時(shí),下述幾點(diǎn)必須在意:
·確保早期強(qiáng)度迅速提高
·確?;炷吝_(dá)到設(shè)計(jì)要求之性能指標(biāo)
·確保使用者足夠的可工作時(shí)間(足夠的運(yùn)輸時(shí)間和 可能發(fā)生的延誤)
·容易輸送(好的泵送性能)
·容易噴布(高黏性、較高的一次噴層厚度) 噴射混凝土拌合程序,決定了其使用時(shí)的效果。
噴射混凝土拌合完成后,運(yùn)送到噴漿機(jī)之位置,隨即被置入噴射混凝土系統(tǒng),然后再噴布完成于施作位置。在過去,由于噴射混凝土機(jī)具以及拌合運(yùn)輸?shù)南拗疲ㄓ薪?jīng)驗(yàn)的施工業(yè)者應(yīng)當(dāng)深知,噴射混凝土的拌合本身并不成問題,拌合運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間長短,才是所有關(guān)鍵之處),各種形式的噴漿機(jī)(干拌合和濕拌合),以及各種形式的速凝劑(干粉和液 狀)被混合使用。因此,不易保證噴射混凝土的質(zhì)量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)明確指出,濕拌混凝土運(yùn)送到現(xiàn)場,再加上液態(tài)速凝劑立即噴布的工藝,可以獲得最佳的噴射混凝土質(zhì)量。
水灰比仍然是強(qiáng)度控制的主要機(jī)制,在不影響強(qiáng)度的情況下,適當(dāng)?shù)氖褂脧?qiáng)塑劑,調(diào)整混凝土漿液的粘稠度,使拌和運(yùn)輸時(shí)間增加,噴射混凝土噴布能力增加,噴射混 凝土質(zhì)量控制較容易確保。
根據(jù)需求以及設(shè)計(jì)主要目標(biāo)參數(shù),調(diào)整決定之配比組合。只有技術(shù)上正確以及經(jīng)濟(jì)上可行的解決方案,才能使人人滿意。并由于噴射混凝土經(jīng)常被運(yùn)用于特殊或相對 較困難施工的位置,噴射混凝土設(shè)計(jì),必須容易應(yīng)用于不同機(jī)具、設(shè)備。
2.2 添加劑
添加劑用于獲得需要的噴射混凝土多方面特性,諸如高混凝土拌和物穩(wěn)定性、粘聚性、泵送性能、低反彈量、高早期強(qiáng)度、較高的后期強(qiáng)度和耐久性,等等。綜整相關(guān)需 求,對添加劑有如下要求:
·具備高減水率
·具備鍵結(jié)黏性
·能增進(jìn)噴射混凝土的耐久性
·維持足夠且可控制的拌和物穩(wěn)定性
·不得影響速凝劑和水泥的作用
·不得使用醣類。
噴射混凝土在用于噴射施工系統(tǒng)前,必須先行確認(rèn)性能是否滿足要求,噴射混凝土一離開噴射系統(tǒng)的噴嘴(混 合速凝劑)后,到達(dá)附著點(diǎn)即凝結(jié)和發(fā)展強(qiáng)度,噴射混凝土結(jié)構(gòu)立即定型,沒有機(jī)會(huì)進(jìn)行任何調(diào)整。
當(dāng)我們費(fèi)盡心思,調(diào)整并拌合完成合適的噴射混凝土材料,經(jīng)由噴射混凝土機(jī)具內(nèi)部鋼管、橡膠軟管泵送傳遞、壓氣吹送后,噴射混凝土必須穩(wěn)定地附著于隧道巖盤 上,形成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)。
噴射混凝土系統(tǒng)必須擔(dān)負(fù)穩(wěn)定傳送、氣動(dòng)平衡、相位轉(zhuǎn)換的基本職責(zé)。
03噴射混凝土系統(tǒng)
系統(tǒng)需求的主要目標(biāo)參數(shù)為:
·符合設(shè)計(jì)期待的噴射混凝土;
·高輸出負(fù)載能力;
·迅速提供高早期強(qiáng)度;
·低反彈量;
·不能造成強(qiáng)度損失;
·安全和健康需求。
為使噴射混凝土材料在整個(gè)過程中,確保連續(xù)、規(guī)則而穩(wěn)定的傳送,需要特別對噴射混凝土設(shè)備的輸送泵、傳輸管徑、噴嘴系統(tǒng)、速凝劑流量控制單元說明:
輸送泵:輸送泵也稱作噴漿機(jī),濕式噴漿機(jī)一般區(qū)分為兩大類:
轉(zhuǎn)子式(Rotorly Type,Squeeze Pump);
活 塞式往復(fù)式(Piston Type,Duplex Pump)。
轉(zhuǎn)子式噴漿機(jī) 主要利用壓縮空氣將噴射混凝土送出,噴射混凝土在噴漿管輸送過程中與壓縮空氣混合噴出。一般而言,所使用的空氣壓力為5kg/cm2~7kg/cm2。由于噴射混凝土在輸送過程中與壓縮空氣充分混合,降低了噴射混凝土的容重,加上后端一直有壓縮空氣持續(xù)不斷吹送,使得噴射混凝土在噴漿管中分布較為均勻,在傳輸過程中呈現(xiàn)稀薄流動(dòng)方式, 或可稱為稀流控制(Thin stream)。由于設(shè)計(jì)上的限制,轉(zhuǎn)子式噴漿機(jī)目前最大的輸出流量約為20m3/hr 左右。
活塞式噴漿機(jī)則與工地常見的混凝土泵送車相類似, 主要利用活塞壓力將噴射混凝土輸送至噴嘴處,速凝劑在噴嘴系統(tǒng)以精準(zhǔn)計(jì)量且高壓方式,侵入濕拌混凝土達(dá) 成混合,并吹送出噴嘴?;钊焦芾扰潘鍑姖{機(jī)只能使用濕拌混凝土。由于活塞運(yùn)動(dòng)的泵壓作用于噴射混凝土,使混凝土容重較轉(zhuǎn)子式大,在輸送的過程為一段一段的濃稠流動(dòng),或可稱為稠流控制(Dense stream)?;钊絿姖{機(jī)的瞬間最大壓力可達(dá)50kg/cm2以上,零件損耗率較轉(zhuǎn)子式噴漿機(jī)為大;目前最大的輸出流量約為50m3/hr。由于輸出能量與特性的不同,混凝土的工作度與黏滯度,務(wù)必因應(yīng)機(jī)具種類的不同而調(diào)整。
傳輸管徑:不管是轉(zhuǎn)子式泵或活塞式泵,都必須經(jīng)過剛性管路和橡膠軟管的交替?zhèn)鬏?。為避免噴射混凝土材料析離,或產(chǎn)生不連續(xù),剛性管路以及橡膠軟管的材質(zhì)、管徑,都必須經(jīng)過計(jì)算及設(shè)計(jì)。許多實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)使人訝異,在剛性管路(尤其是轉(zhuǎn)彎處)和橡膠軟管的交替?zhèn)鬏斶^程中, 如果噴射混凝土材料產(chǎn)生析離,機(jī)具表面以及動(dòng)作并不會(huì)有太大差異;然而,噴嘴系統(tǒng)內(nèi)部的速凝劑,只能與波特蘭水泥反應(yīng),離析的骨料因缺乏水泥膠結(jié)而回歸大地,導(dǎo)致噴射混凝土產(chǎn)生空隙及不連續(xù)面,強(qiáng)度降低、反彈量增加、速凝劑用量增加,以及諸多莫名而毫無頭緒的爭議。
速凝劑流量控制單元:速凝劑劑量調(diào)整單元,或稱為的性能與質(zhì)量。目前,市場上粉狀速凝劑與液狀速凝劑計(jì)量器都有供應(yīng)和使用。粉狀速凝劑計(jì)量器,主要利用齒輪將速凝劑壓送出,計(jì)量方面較難掌控。由于粉狀速凝劑難以在短時(shí)間內(nèi)與混凝土充分混和,其所導(dǎo)致的反彈量及粉塵量亦較大,對于隧道作業(yè)環(huán)境以及工作人員的損害極大。液狀速凝劑計(jì)量器以液體流量控制,利用壓縮空氣輸送,計(jì)量相當(dāng)精準(zhǔn),且反彈量及粉塵量的產(chǎn)生亦較小。
噴嘴系統(tǒng):前述所有設(shè)備,職司噴射混凝土系統(tǒng)中穩(wěn)定傳送、氣動(dòng)平衡的部分。噴嘴系統(tǒng)必須促使速凝劑協(xié)同進(jìn)行相位轉(zhuǎn)換。值得特別注意的是,速凝劑于此時(shí)始與噴射混凝土材料相結(jié)合,噴嘴系統(tǒng)必須創(chuàng)造速凝劑與波特蘭水泥均勻混合的方式,并迅速、連續(xù)的、穩(wěn)定的、完整的 將噴射混凝土材料噴出,架構(gòu)于隧道巖盤上。不合適的混合系統(tǒng),由于空氣壓力及物理性作動(dòng)環(huán),將使得噴射混 凝土材料與速凝劑混合不勻,反應(yīng)不完整,導(dǎo)致噴射混凝 土強(qiáng)度波動(dòng),孔隙率、反彈量、速凝劑使用劑量等增大。多數(shù)時(shí)候,人們會(huì)選擇使用較高劑量的速凝劑,試圖解決這 種混合反應(yīng)不完整的現(xiàn)象,但不僅消耗更多的速凝劑,反 而產(chǎn)生更大的反彈量和質(zhì)量更不好的噴射混凝土結(jié)構(gòu)。
每立方米的噴射混凝土約重2400kg,相當(dāng)于一頭象的重量;其中波特蘭水泥約重4 00kg,速凝劑一般約匹配12kg~20kg。12kg~20kg的噴射混凝土速凝劑,如何使 2400kg大象重量般的噴射混凝土迅速的凝結(jié)起來,憑借的不是神奇的力量,而是噴嘴系統(tǒng)創(chuàng)造的理想化學(xué)反應(yīng)環(huán)境,與物理性混合模式,促使速凝劑與波特蘭水泥結(jié)合進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。
圖1左顯示一座臺灣地區(qū)公路隧道噴射混凝土損耗量實(shí)際案例,Y軸為噴射混凝土損耗量(實(shí)際噴射混凝土使 用量-噴射混凝土設(shè)計(jì)量=噴射混凝土損耗量;一般籠統(tǒng)稱呼為反彈量,這是不正確的;它包含超挖、反彈及損耗;此處正名為噴射混凝土損耗),X軸為輪進(jìn)數(shù)蓄排水板施工。紅色方格點(diǎn)顯示為噴射混凝土系統(tǒng)未整合時(shí),噴射混凝土損耗量分布情形,發(fā)散區(qū)間趨大,沒有收斂的現(xiàn)象,平均值為 179.74%,意味著噴射混凝土損耗量是噴射混凝土設(shè)計(jì)量 的2.8倍(一般通稱反彈量為2.8倍)。經(jīng)診斷審視后,決定初步先行由系統(tǒng)整合著手調(diào)整;綠色圓點(diǎn)顯示為噴射混凝土系統(tǒng)經(jīng)初步調(diào)整后,噴射混凝土損耗量分布情形,發(fā)散混凝土配比及拌合調(diào)整,最后再合并整個(gè)技術(shù)組合進(jìn)行調(diào)整,完備整體需求,以符合各方期待。依照圖左的進(jìn)度 以及噴射混凝土損耗量推估,圖1右虛線表示未整合系統(tǒng)+損耗+系統(tǒng)耗能…等等的總體支出,圓點(diǎn)實(shí)線表示整合系統(tǒng)的總體支出。整合系統(tǒng)的圓點(diǎn)實(shí)線表明整合的初期成本較高,約六個(gè)月后,虛線和圓點(diǎn)實(shí)線將交叉轉(zhuǎn)換。實(shí)際上,依本案使用一般噴射混凝土的實(shí)例,六個(gè)月?lián)p耗的總支出,足以添購全新的噴射混凝土系統(tǒng);若是使用鋼纖維噴射混凝土,三個(gè)月或更少一點(diǎn),就可添購全新的噴射混凝 土系統(tǒng)。在未整合匹配的噴射混凝土系統(tǒng)中,執(zhí)行噴射混凝土作業(yè),損耗量可能會(huì)是不可避免的噩夢。
圖 1 臺灣地區(qū)隧道噴射混凝土損耗量實(shí)際案例,多數(shù)隧道幾乎都有相同現(xiàn)象
在整合的噴射混凝土系統(tǒng)中,速凝劑是最重要之添加劑。含堿金屬的水溶性鹽類,均可用來誘發(fā)波特蘭水泥里不同的組成成分,作為速凝劑來使用,最常見的是氯(Cl)、硅(Si)、鈣(Ca)及鋁(Al)。
04不同化學(xué)基底的速凝劑作用于噴射混凝土的影響
不同化學(xué)基底(成分)的速凝劑,相對波特蘭水泥不同組成成份、不同階段產(chǎn)生交錯(cuò)反應(yīng)。反應(yīng)的時(shí)間和組 成相對應(yīng)波特蘭水泥的成分,亦皆有局限。多次試驗(yàn)的結(jié)果,是不同化學(xué)基底的速凝劑,相對波特蘭水泥會(huì)有最佳的劑量區(qū)間。過多的速凝劑劑量,多數(shù)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的損失。在實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境操作中,得到如此結(jié)果,實(shí)際操作中有更多元的影響。此處強(qiáng)度的損失,是指相對于參考混凝土強(qiáng)度較低之現(xiàn)象。
噴射混凝土速凝劑的種類,依型態(tài)可區(qū)分為粉狀速凝劑和液狀速凝劑。分述如下:
4.1 粉狀速凝劑(Powder accelerator)
鋁酸鹽類粉狀速凝劑,是第一種用來加速噴射混凝土凝結(jié)的速凝劑,主要應(yīng)用于干拌混凝土噴漿。由于并沒有全面發(fā)展出精確的速凝劑混合系統(tǒng)及控制單元,通常施 以手工加料,因而很難確保使用比例的準(zhǔn)確性。其結(jié)果,往往使速凝劑劑量難以預(yù)期,分配較不均勻。一些數(shù)據(jù)顯 示,這種狀況常使得噴射混凝土比未加速凝劑的參考混凝土28天強(qiáng)度低35%以上,嚴(yán)重降低了噴射混凝土質(zhì)量。
水泥系粉狀速凝劑,主要應(yīng)用于日本。為了以侵蝕性較少的產(chǎn)品,取代腐蝕性強(qiáng)的鋁酸鹽類,日本粉體工業(yè)積極發(fā)展以硫鋁酸鈣(Calcium-Sulph-Aluminates)、鋁酸鈣聚合物(Polymer Calcium-Aluminates)及其他無機(jī)鹽類為基礎(chǔ)的粉狀速凝劑。
由于堿(Alkali)直接影響噴射混凝土的強(qiáng)度損失,且會(huì)增加其干縮及鹽類的結(jié)晶析出。一種簡易運(yùn)用,初步滿足一般基本需求的中間技術(shù)產(chǎn)品,硫酸鋁(aluminumsulfate, Al2(SO4)3)以及添加其他小量化學(xué)成分的粉狀低堿性速凝劑(酸性,具腐蝕性),于1980年左右出現(xiàn)于市場。由于具腐蝕性,硫酸鋁的濃度應(yīng)予在意。
這些使用粉體技術(shù)的速凝劑,往往參與波特蘭水泥水化反應(yīng)不均勻或不完全,整體噴射混凝土質(zhì)量需再一步確認(rèn)。
4.2 液狀速凝劑(Liquid accelerator)
我們嘗試將實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境所得結(jié)果,結(jié)合實(shí)際噴 射混凝土系統(tǒng),并固定一些影響因子(早 期強(qiáng)度、泵送性、壓實(shí)度&樓房地基下沉解決hellip;…等),搭配不同化學(xué)基底的液狀速凝劑,進(jìn)行實(shí)際操作。原則上,噴射混凝土配比設(shè)計(jì),采用早強(qiáng)特性較佳的波特蘭水泥CEM I 42.5,用量425kg/m3;骨 料最大粒徑8mm,其中0~4mm粒徑占55%,4mm~8mm 粒徑占45%;水灰比(W/C)為0.44;高性能減水劑(聚羧酸類,Polycarboxylates)摻量1%;噴射混凝土系統(tǒng)采用分布較為均勻,稀流控制(Thin stream)的轉(zhuǎn)子式系統(tǒng)(為 AlivaRotorly Type,Squeeze Pump),空氣壓力為5Pa;噴射混凝土輸出量約7m3/hr。
4.2.1 鋁酸鹽類液狀速凝劑(Aluminate liquid accelerator)
鋁酸鹽類速凝劑是最早用來加速噴射混凝土凝結(jié)的速凝劑,多數(shù)地區(qū)仍有一般應(yīng)用,但法國禁止使用,主要是因?yàn)樵诓僮髌陂g,此類高堿性材料可能導(dǎo)致工作人員發(fā)生了意外事件。鋁酸鹽類速凝劑主要為鋁酸鈉(sodium aluminate, Na2O·Al2O3)和鋁酸鉀(potassium aluminate,K2O·Al2O3),由 鋁工業(yè)廢料與強(qiáng)堿氫氧化鉀、鈉反應(yīng)取得。
圖2 左上顯示鋁酸鹽類速凝 劑(alu minate l iquid accelerator),應(yīng)用于噴射混凝土實(shí)際操作的一般結(jié)果,印證于實(shí)際隧道施工所得經(jīng)驗(yàn),也有相同接近的數(shù)據(jù)。不管是化學(xué)組成交互影響,或是噴射混凝土混合速凝劑過程物理性的影響,添加鋁酸鹽類速凝劑的噴射混凝土,抗壓強(qiáng)度的損失都很明顯。大家最關(guān)注的速凝劑添加劑量(為波特蘭水泥用量的百分比),在較佳的劑量區(qū)間4%~6%,顯現(xiàn)出較低的反彈量和強(qiáng)度損失率。添加劑量偏高時(shí),強(qiáng)度損失暨反彈量明顯較大。前文提到,在較高速凝劑劑量時(shí),因混合不均勻,對各種化學(xué)基底的速凝劑都有直接的 不利影響。這并非單純噴射混凝土化學(xué)組成問題,而是兼含速凝劑和噴射混凝土系統(tǒng)混合問題。多數(shù)時(shí)候(極端惡劣地質(zhì)狀況除外),速凝劑相對波特蘭水泥在合適的劑量區(qū)間,都能滿足隧道對噴射混凝土的要求;過量的速凝劑,犧牲的是噴射混凝土的質(zhì)量、強(qiáng)度、速凝劑及反彈量。使用這類型的速凝劑必須采取完備的保護(hù)措施,運(yùn)輸和操作噴漿作業(yè)人員,必須注意戴手套、口罩、護(hù)目鏡等,以避免與這類型的速凝劑直接接觸。
里面是真空的
圖 2 不同化學(xué)基底的速凝劑應(yīng)用于噴射混凝土實(shí)際操作的一般結(jié)果
此類型速凝劑借助水溶性硅酸鹽(多為硅酸 鈉)與水泥中的鈣反應(yīng), 生成不溶性硅酸鈣析出,高黏性硅酸鈣膠體使混凝土快速凝結(jié)。其用量取決于水灰比,水灰比越高,需要越大的劑量才能確保速凝 。由于硅酸鹽類速凝劑的活性高,能爭奪拌和水優(yōu)先與水泥的鈣反應(yīng),且加入劑量相當(dāng)高,造成噴射混凝土固結(jié)后孔隙率大增,滲透性很高,早期和后期強(qiáng)度均有較大損失,整體噴射混凝土質(zhì)量大幅降低。此外這類速凝劑會(huì)溶解析出,干燥結(jié)塊可能造成排水系統(tǒng)的阻塞?,F(xiàn)在,硅酸鹽類速凝劑在德國、澳大利亞及瑞士被禁止使用。圖2右上顯示硅酸鹽類速凝劑(silicate liquid accelerator),應(yīng)用于噴射混凝土實(shí)際操作的一般結(jié)果?;旧希杷猁}類速凝劑相對于波特蘭水泥用量的百分比越高,相對應(yīng)的反彈量越低,強(qiáng)度損失也越大,噴射混凝土的質(zhì)量、強(qiáng)度則越低。
4.2.3 硫酸鋁液狀速凝劑(Aluminumsulph liquid accelerator )
為避免堿(alkali)對于人體傷害和強(qiáng)度損失,硫酸鋁(a luminumsulfate,Al2(SO4)3)以及添加其他小量化學(xué)成分的低堿性速凝劑,于1980 年左右用作噴射混凝土速凝劑。這種低堿性液狀速凝劑,是一種避免問題和簡單運(yùn)用的中間產(chǎn)品。圖2左下示意硫酸鋁速凝劑(aluminumsulphliquid accelerator),應(yīng)用于噴射混凝土實(shí)際操作的一般效果。較佳的速凝劑添加劑量區(qū)間在 7%~9%,反彈量較低,強(qiáng)度損失率在可接受的范圍。速凝劑添加劑量偏高時(shí),反彈量亦趨升高。
較高的硫酸鋁速凝劑劑量,會(huì)改變噴射混凝土中硫酸鹽(sulfate)平衡,進(jìn)而對噴射混凝土系統(tǒng)的強(qiáng)度及整體行為產(chǎn)生影響。噴射混凝土系統(tǒng)(噴射混凝土+速凝劑)中的硫酸鋁比例(aluminumsulfateratio)必須適當(dāng)控制[1]。
對于硫酸鋁液狀速凝劑的一般評論:
1)堿含量使堿 骨料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)減少;
2)相對于參考混凝土強(qiáng)度損失較 ??;
3)硫酸鋁的絮凝特性,促進(jìn)沉淀和凝結(jié);
4)pH值在 1~3范圍,有腐蝕性;
5)噴射混凝土系統(tǒng)中的硫酸鋁比例 必須適當(dāng)控制。
3.2.4 偏鋁酸鹽類液狀速凝劑(Meta-aluminate liquid accelerator )
另一種效能較佳的低堿、無硫酸鹽類速凝劑—偏鋁酸鹽(meta-aluminate)類高分子化合物(macro molecular compound)液態(tài)低堿速凝劑,一方面可改進(jìn)技術(shù)性能,另一方面避免酸堿腐蝕性,改進(jìn)與生態(tài)環(huán)境的親和性。圖2右下顯示低堿性高分子化合物液狀速凝劑(macro molecular compoundliquid ccelerator)
應(yīng)用于噴射混凝土 實(shí)際操作的一般效果。
液狀低堿高分子化合物速凝劑,較佳的劑 量在5%~7%之間,反彈量最低,且不會(huì)明顯降低噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度。一些隧道工程實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,這種速凝劑對28天抗壓強(qiáng)度幾乎沒有影響。
必須再次強(qiáng)調(diào),在相對化學(xué)反應(yīng)合適區(qū)間外,在較高速凝劑劑量時(shí),因混合不均勻,對各種化學(xué)基底的速凝劑都有直接的不利影響。這并非單純噴射混凝土化學(xué)組成問題,而是兼含速凝劑和噴射混凝土系統(tǒng)混合問題。多數(shù)時(shí)候(極端惡劣地質(zhì)狀況除外),噴射混凝土速凝劑相對波特蘭水泥,合適的劑量區(qū)間,都能滿足隧道噴射混凝土的需求;過量的速凝劑,犧牲的是噴射混凝土的質(zhì)量、強(qiáng)度、速凝劑及反彈量。對于液狀偏鋁酸鹽類速凝劑的一般評論:
弱酸性(pH為4左右),需避免皮膚灼傷、保護(hù)眼睛、防止呼吸道侵蝕;
有腐蝕性,避免儲存與機(jī)具的腐 蝕損壞;
改善作業(yè)環(huán)境以及生態(tài)親和性;
相對于參考 混凝土強(qiáng)度損失很?。?/p>
低堿含量,使堿骨料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn) 減少。
05噴射混凝土的速凝劑
傳統(tǒng)上,干拌混凝土以運(yùn)輸車運(yùn)送,噴漿手以控制水的方式,控制噴射混凝土的噴布,噴射混凝土水灰比不是固定的,并由于沒有精準(zhǔn)的速凝劑劑量設(shè)備,噴射混凝 土、速凝劑的混合常流于形式。常見的方式是: 運(yùn)輸車運(yùn)送二立方米的干拌混凝土材料,搭配一包25kg的速凝劑, 意味著添加3%速凝劑劑量。有時(shí)直接手動(dòng)約略計(jì)量混合,有時(shí)進(jìn)入機(jī)具后,憑印象中的想象混合。噴射混凝土混合狀況、噴射混凝土質(zhì)量和反彈量,轉(zhuǎn)眼間變成了操作手的 原罪。
噴射混凝土受多元復(fù)雜因素的影響,從各種特性迥異的材料混合而成噴射混凝土材料,經(jīng)由噴射混凝土系統(tǒng)穩(wěn)定傳送、氣動(dòng)平衡、速凝劑協(xié)同相位轉(zhuǎn)換后,由操作手進(jìn)行噴射混凝土噴布。任何一個(gè)環(huán)節(jié),若無法對于系統(tǒng)整體做出貢獻(xiàn),對最終的噴射混凝土就可能產(chǎn)生不盡人意的結(jié)果。
波特蘭水泥的水化過程,交錯(cuò)著物理性粘聚和化學(xué) 性反應(yīng)變化同時(shí)發(fā)生,這些交互影響效應(yīng)及內(nèi)容,并未完全地被了解。迄今,并沒有相關(guān)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)室的試驗(yàn),可提供有關(guān)水泥兼容性、添加劑及速凝劑相互影響的 代表性結(jié)果。很多工程實(shí)踐,結(jié)果往往使人驚訝,因?yàn)榈玫降牟⒉皇穷A(yù)期的結(jié)果。傳統(tǒng)干拌混凝土施工,由于沒有精準(zhǔn)的速凝劑劑量設(shè)備,噴射混凝土、速凝劑的混合常常僅是形式上的,無法保證噴射混凝土質(zhì)量。
噴射混凝土被要求能夠形成一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu),必須完整且穩(wěn)定的附著于隧道巖盤上,與一般混凝土具有相似的強(qiáng)度特性;但,作用原理、特性需求不同,其結(jié)構(gòu)形成特性、凝結(jié)硬化過程、施工方法與觀念又大不相同?;炷恋墓ぷ鞫纫约梆?,相對應(yīng)于噴射混凝土系統(tǒng),以及速凝劑的反應(yīng)程度,同等重要。速凝劑必須能與噴射混凝土混合均勻,使速凝劑充分發(fā)揮其特性。不同化學(xué)基底的速凝劑,相對波特蘭水泥化學(xué)反應(yīng),會(huì)有不同的作用區(qū)間。過多或過少的速凝劑劑量,就經(jīng)濟(jì)和質(zhì)量兩個(gè)方面,并不全然為現(xiàn)代噴射混凝土技術(shù)所能接受。噴射混凝土輸出流量與速凝劑添加劑量必須精準(zhǔn)控制,實(shí)際輸出劑量應(yīng)盡量接近理論的輸出量,噴射混凝土質(zhì)量更趨穩(wěn)定易于管控。唯有技術(shù)上正確,以及經(jīng)濟(jì)上可行的解決方案,才能使人人滿意。
06結(jié)束語
(1)就經(jīng)濟(jì)角度而言,速凝劑相對波特蘭水泥的劑量,最好是1%、0.1%,甚至趨近于0%是最理想的,但這種想法是不切實(shí)際的。由于不同化學(xué)基底的速凝劑,相對波特蘭水泥的不同成份會(huì)有最佳的劑量區(qū)間,過多或過少的速凝劑劑量,犧牲的是反彈量、噴射混凝土質(zhì)量、噴射混凝土強(qiáng)度,以及背負(fù)原罪的操作手。然而,如何使實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境操作中所得結(jié)果,盡量實(shí)現(xiàn)于受多元影響的實(shí)際操作,噴射混凝土系統(tǒng)的整合,是噴射混凝土技術(shù)的關(guān)鍵所在。
(2)添加劑對于噴射混凝土的影響非常重要,因?yàn)樵趪姖{期間或等待期間,過多的工作度損失不可被接受;工作度有一定損失時(shí),整個(gè)噴射混凝土系統(tǒng)必須進(jìn)行調(diào)整, 以避免操作手為了工作度,而加水在混凝土中。由于隧道施工變異空間較大,混凝土添加劑必須具備高減水率及足夠且可控制的拌合運(yùn)輸延時(shí)。在噴射混凝土系統(tǒng)中動(dòng)力傳送和氣動(dòng)平衡期間,必須維持混凝土拌和物的良好泵送性。添加劑必須有效提高混凝土的鍵結(jié)黏性。需注意,噴射混凝土一旦離開噴嘴系統(tǒng)立即凝結(jié)硬化,沒有機(jī)會(huì)進(jìn)行 任何調(diào)整,添加劑絕對不能影響速凝劑和水泥的作用。
(3)堿(alkali)這個(gè)字來自阿拉伯文,意思是植 物的灰燼,一般可理解為兩種意思:其一,它是一種堿性溶液(pH值介于7~14);另一,它是一種含堿陽離子,這些元素最外層都只具有一個(gè)電子,活性高,溶于水,易與存在于骨料內(nèi)的一些敏感物質(zhì)(如SiO2、碳酸鹽類等)發(fā)生堿性反應(yīng)形成凝膠(堿-骨料反應(yīng)),吸水產(chǎn)生膨脹。也就是說,速凝劑中的堿有引發(fā)堿-骨料反應(yīng)危險(xiǎn),對混凝土耐久性不利;也會(huì)對人體和環(huán)境造成傷害。無堿之意義在于避免這類危險(xiǎn)或傷害。
(4)噴射混凝土損耗量正以其龐大而強(qiáng)悍的能耐,嚴(yán)重侵蝕著隧道工程正常的運(yùn)作。這些莫可名狀的爭議,天天不斷的持續(xù)存在,日復(fù)一日的累積。無可幸免的,首先受到指責(zé)的絕對是弱勢的坑夫(噴漿手)。但,這絕對是技術(shù)上而且可解決的問題。然而,不幸的是,最終皆以協(xié)調(diào)認(rèn)知的方式解決。最終的最大輸家一般是業(yè)主,不管是資金投入或是工程質(zhì)量。面對噴射混凝土技術(shù)高度不確定性,理性邏輯分析,妥適利用階段程序適理判斷,可達(dá)收斂風(fēng)險(xiǎn)之效果。唯有技術(shù)上正確,以及經(jīng)濟(jì)上可行的解決方案,才能使人人滿意。
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