高含气量湿喷混凝土性能与组成设计方法研究

摘要

湿喷混凝土因具有改善施工作业环境、便于混凝土集中生产及质量控制、有利于发展成高性能喷射混凝土等优越性而备受关注,但其可压送性与可喷性难以协调、组成设计无章可循,可压送性差、一次喷射厚度小、回弹率高、液体速凝剂掺量大等缺陷极大限制了它在当今基础设施建设中的广泛应用。本文就普通湿喷混凝土与高含气量湿喷混凝土的工作性及硬化特性、组成设计方法进行了系统研究,主要做了下列工作:
　　(1)优化了新拌湿喷混凝土一次喷射厚度、回弹率等性能测评方法,提出了用椎体贯入新拌混凝土深度表征湿喷混凝土稠度、用直剪法测试新拌湿喷混凝土内聚力的新方法。
　　(2)将入湿喷机坍落度≮50mm且相对压力泌水率 S10≯40％作为普通湿喷混凝土可压送性的评价指标,研究了组成材料对普通湿喷混凝土可压送性的影响。结果表明,新拌湿喷混凝土的压力泌水率比易于满足要求,影响新拌湿喷混凝土可压送性的主要因素为流动性。
　　(3)提出了高含气量湿喷混凝土引气剂类型优选方法,揭示了组成材料对高含气量湿喷混凝土工作性的影响规律。结果表明,掺量为0.02%AES引气剂与掺量为0.5%聚羧酸减水剂复合配制的新拌混凝土含气量达18%左右,流动性大、稳定性好,喷射后新拌湿喷混凝土含气量降至6%以下,不掺速凝剂的一次喷射厚度达170mm以上,解决了湿喷混凝土可压送性与可喷性难以统一的矛盾。
　　(4)利用直剪法试验,借助 XRD图谱,采用正交设计方法分析了组成材料对新拌混凝土内聚力的影响规律,得出了影响新拌混凝土内聚力的主次因素及排序结果。根据材料力学横力弯曲理论,建立了一次喷射厚度力学模型,分析了一次喷射厚度的受力特点,确立了一次喷射厚度与湿喷混凝土内聚力的关系,验证了力学模型的有效性。
　　(5)剖析了混凝土稠度、工作风压、喷射厚度、组成材料对回弹率的影响规律,基于 Armelin建立的干喷混凝土的回弹判定准则,探析了湿喷混凝土的回弹机理。结果表明:工作风压存在理想值;回弹率随混凝土流动性降低有增大趋势,随喷射厚度增大逐渐降低,达50 mm时,趋于稳定;高含气量湿喷混凝土较普通湿喷混凝土回弹率降低约5%左右,掺入粉煤灰可改善湿喷混凝土的可喷性。
　　(6)对比了高含气量湿喷混凝土与普通湿喷混凝土喷射后的抗压强度及抗冻性能,研究了湿喷混凝土水化物的 SEM形貌与强度生长机理,分析了组成材料对强度与抗冻性的影响。结果表明,高含气量湿喷混凝土喷射后28 d抗压强度达34.4 MPa,满足设计强度 C25要求,抗冻等级满足 F300技术要求。
　　(7)利用计算法、简易试验法综合确定混合骨料紧装堆积空隙体积,基于 Dennis等建立的管径与润滑层厚度关系计算润滑层体积,由混合骨料紧装堆积空隙体积和润滑层体积确定最小胶浆体积,提出了高含气量湿喷混凝土组成设计方法,并在隧洞的斜井与仰坡工程中进行了应用,对1m3湿喷混凝土的经济成本对比分析表明,高含气量湿喷混凝土具有明显的价格优势。

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第 1 章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 喷射混凝土概述

1.3 湿喷混凝土性能研究现状

1.4 湿喷混凝土组成设计方法研究现状

1.5 存在的问题

1.6 研究内容与技术路线

第 2 章 原材料与研究测试方法

2.1 试验材料

2.2 湿喷混凝土可压送性测试

2.3 新拌混凝土含气量测试

2.4 湿喷混凝土喷射后稠度测试

2.5 新拌混凝土内聚力测试

2.6 湿喷混凝土可喷性测试

2.7 湿喷混凝土硬化后性能测试

2.8 本章小结

第 3 章 湿喷混凝土可压送性及其影响因素

3.1 普通湿喷混凝土可压送性影响因素

3.2 高含气量混凝土引气剂类型确定

3.3 高含气量混凝土可压送性影响因素

3.4 本章小结

第 4 章 湿喷混凝土可喷性及其影响因素

4.1 新拌混凝土内聚力影响因素

4.2 湿喷混凝土一次喷射厚度

4.3 湿喷混凝土回弹率影响因素

4.4 本章小结

第 5 章 湿喷混凝土硬化后特性

5.1 湿喷混凝土抗压强度影响因素

5.2 湿喷混凝土抗冻性能及其影响因素

5.3 水化产物 SEM 微观形貌与强度生长机理

5.4 本章小结

第 6 章 湿喷混凝土组成设计方法及工程应用

6.1 组成设计思路

6.2 组成设计步骤及相关参数确定

6.3 湿喷混凝土组成设计工程应用

6.4 经济效益分析

6.5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读博士期间取得的研究成果

致谢