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喷涂混凝土
1.1成分和混合设计
lsquo;喷射混凝土是在压力下通过气动软管或管道输送并以高速投射到同一压实位置的混凝土#39;（DIN 18551（1992））。 它与混凝土的行为方式相同，但与传统浇筑混凝土相比，SCL隧道的施工方法和喷涂混凝土的布置方法需要混凝土的不同组成，并赋予材料不同的特性。 喷涂混凝土由水，水泥和骨料以及各种添加剂组成。 在命名上，喷涂混凝土也被称为“喷浆混凝土”，而“喷浆”通常是指喷涂砂浆，即只有细骨料或沙子的混合物。
混凝土的组成是为了：
bull;它可以传送到喷嘴并以最小的努力进行喷涂;
bull;它会粘附在挖掘的表面上，支撑它自身的重量和地面载荷的发展;
bull;它在中长期达到其用途的强度和耐久性要求。
表2.1列出了高质量喷射混凝土和等效强度现浇混凝土的成分比较。 考虑到每个组成部分，人们可能会注意到：
bull;喷射混凝土中的水/水泥比例更高，以便混合物可以轻松泵送和喷洒;
bull;普通硅酸盐水泥通常与粉煤灰（PFA）等水泥替代品一起使用，但有时使用特殊水泥;
bull;为了提高可泵性，混合物被“过度打磨”（Norris 1999）（分级曲线参见图2.1）;
bull;最大骨料尺寸通常限制在10或12毫米;
bull;添加剂用于加速水化反应（见图2.2，增加加速剂用量对强度增加的影响）;
表2.1典型的混合设计
|
高品质的湿混喷射混凝土（Darby和Leggett 1997） |
具体现场投射（来自Neville 1995） |
|
|
等级 |
C40 |
C40 |
|
水/水泥比 |
0.43 |
0.40 |
|
水泥重度PFA等 |
430 kg/m3 |
375 kg/m3 |
|
加速剂 |
4% |
– |
|
增塑剂 |
1.6％bwc |
1.5% |
|
稳定剂 |
0.7% bwc |
– |
|
硅微粉 |
60 kg/m3 |
– |
|
最大骨料大小 |
10 mm |
30 mm |
|
骨料lt;0.6毫米 |
30–55% |
32% |
bull;增加增塑剂和稳定剂以提高常规混凝土的可加工性;
bull;其他组分可能包括微硅粉，为了提高即时粘附性（可以减少促进剂用量）和提高长期密度（提高强度和耐久性）或钢纤维，增加了结构强化 或者控制裂缝。
每个组成部分本身就代表了一个很大的主题，其中大部分信息都可以在标准的混凝土技术教科书中找到（例如Byfors 1980和Neville 1995）。 在相关的地方，他们对喷射混凝土的力学性能的影响将在2.2节中简要讨论。 关于喷射混凝土成分的更多细节可参见国际隧道协会的最新评论（Malmberg 1993）和其他文章（例如ACI 506R（1990），Melbye 2005，Austin和Robins 1995，Brite Euram 1998 ，Brooks 1999）。
1.1.1水泥
对于湿混喷涂混凝土，通常使用普通波特兰水泥（OPC）。 水泥不必具有任何特殊性能。 加速器用于加速水合作用，因此不需要“快速硬化水泥”。 但是，水泥的化学性质很重要。 如果快速凝固组分铝酸三钙的比例异常低，水泥反应速度太慢，不适用于喷涂混凝土。
干混喷涂混凝土通常也使用OPC。然而，为了减少对加速剂的需求，新型水泥 - 所谓的“喷雾水泥”已经开发用于干混工艺（Testor 1997，Lukas等1998）。如果从水泥中除去石膏（水合硫酸钙），则水合反应的速度急剧增加。通常，石膏在水泥颗粒中的铝酸三钙表面形成一层硫铝酸钙（钙矾石），否则铝酸三钙可立即自由反应并直接形成水合铝酸钙（Neville 1995，Atzwanger 1999）。反应速度非常快，大多数这些新水泥只能用于烘干的骨料;否则在输送软管中可能发生水合作用。不需要加速器。最新的“喷雾水泥”也可用于自然潮湿的骨料。尽管不必使用加速剂可以降低成本，但是在制备和储存水泥和骨料时会产生额外的成本。
1.1.2水
普通水用于喷涂混凝土。 和传统混凝土一样，水灰比对混凝土的强度影响很大。 在湿法混合过程中，如在普通混凝土中一样，在混凝土配料过程中添加水。 在干混过程中，喷洒过程中将水加入隧道中。 第3.4节更详细地描述了湿法和干法混合工艺。
1.1.3沙子和骨料
砂和骨料形成喷射混凝土的大部分。 混凝土的正常规则决定了岩石的选择。 抽水和喷洒过程对混合物提出了繁重的要求。 平滑的分级曲线是必不可少的，圆角聚集体优于角粒子。 如上所述，在喷射的混凝土混合料中往往会有更细微的颗粒。 超大尺寸宝石（即直径大于10毫米）的混合物的污染是喷涂过程中堵塞的常见原因。 堵塞会导致昂贵的延误和混凝土的浪费。 因此，仔细设计混合和控制配料是可取的。
骨料中的水分有助于混合物中的水分，这会影响强度等性能。 有时需要采取特殊措施来控制含水量。
1.1.4加速器
加速器是早期喷涂混凝土的主要问题之一。 虽然它们可以获得较高的早期强度，但化学物质 - 例如基于铝酸盐的化学物 - 非常苛刻，因此对工人构成危险。 有时也有水合产物不稳定，喷涂混凝土的强度实际上随着时间的推移而下降，特别是当使用水玻璃（改性硅酸钠）时。
表2.2加速水泥可接受的凝结时间（Melbye 2005）
|
苛性碱促进剂 |
无碱促进剂 |
|
|
初始设定 |
lt;60秒 |
lt;300秒 |
|
最终设置 |
lt;240秒 |
lt;600秒 |
现代加速器没有这些问题。 它们通常基于铝盐（硫酸盐，氢氧化物和羟基硫酸盐）的组合（DiNoia和Sandberg 2004）。 现代加速器被归类为“非腐蚀性”，因此它们更安全使用。 他们也是#39;无碱#39;- 当量Na2O含量lt;1.0％ - 这降低了混凝土中碱 - 硅反应的风险。 在湿混合物中，促进剂在喷雾过程中在喷嘴处以液体形式加入。 干混使用相同的方法，但是当使用预装袋的混合物时，加速剂也可以作为粉末形式的固定剂量加入。 现代加速器的唯一缺点是它们的速度不如旧腐蚀速度快（见表2.2）。
当今市场上的一些产品是胶凝剂而不是加速水合过程的化学品。 这两种产品不应该混淆。 虽然胶凝剂会帮助混凝土粘附在基材上，但厚层不能用胶凝剂喷涂，因为它不足以保持混凝土的自重。 这也意味着，直到混凝土开始水合时，它将不能承受来自地面的任何负荷。
由于这是一个专业领域，所以最好咨询加速器制造商如何最好地使用他们的产品。 实验室和/或现场测试需要检查加速器的性能。
1.1.5添加剂
为了满足设计优势（包括短期和长期）的冲突需求，适用期长，易于泵送和喷洒，添加了外加剂混合物。
增塑剂（木质素硫酸盐）和超塑化剂（萘/蜜胺或改性聚羧酸酯）在不增加水/水泥比率的情况下（增塑剂本身含有的水除外）提高了可加工性。
缓凝剂（也称为“稳定剂”或“水合控制剂”）延迟水合作用延长混凝土的适用期，同时活化剂消除缓凝剂的抑制作用。 一些制造商声称他们的产品可以延长湿混料的适用期从正常的1.5小时延长到72小时（Melbye 2005）。 在实践中，如果高剂量的缓凝剂被使用时，可能难以重新激活混凝土并达到可接受的早期强度。
外加剂的相互作用取决于确切的混合配方，有时组合会产生意想不到的结果。 例如，Niederegger和Thomaseth（2006）讨论了某些增塑剂引起过度粘性的效果，这反过来又可能导致早年龄的变化。 由于这是一个专业领域，最好咨询外加剂制造商如何最好地使用他们的产品。 需要实验室和/或现场测试来检查外加剂的性能。
1.1.6硅微粉
硅微粉具有许多优点，其用法在2.2.1和2.2.9节中讨论。
1.1.7混合设计
Neville（1995）详细讨论了混凝土混合料设计的主题。 喷涂混凝土的唯一区别是增加了早期强度标准。 这并不是说选择混合物以符合设计和建造标准的过程很容易。 一个组件中的微小变化可能会对整体组合的性能产生重大影响。 因此，虽然实际工程师通常依靠经验性方法，使用经过试验和测试的混合料设计，但相信对另一个项目使用不同的水泥，骨料或其他成分的一个项目的配方会很好。 混合设计的开发受实验室和现场测试结果的指导。
1.2材料特性和行为
考虑到喷涂混凝土作为建筑材料，我们可以先提出一系列基本问题：
bull;喷混凝土有多强？
bull;它是脆性还是韧性？
bull;其属性或行为是否随时间而改变？
bull;其性能是否随着压力，温度或其他环境条件而变化？
以下部分将尝试回答这些问题和更多。 作为介绍，表2.3包含表2.1中描述的喷射混凝土和等效强度混凝土混合物的特性。 虽然这种喷射混凝土的性能处于喷射混凝土的典型值的较高端，但在使用这种较高质量的喷射混凝土作为主要建设项目的标准方面存在趋势（Brooks 1999）。
表2.3喷涂混凝土和浇注混凝土的典型性能
|
属性 |
高质量喷混凝土 |
现浇混凝土 |
|
1天的压缩强度，以MPa计 |
20 |
6 (est.) |
|
28天的压缩强度，以MPa计 |
59 |
44 |
|
28天的弹性模量，以GPa计 |
34 |
31 (est.) |
|
28天的泊松比，v |
0.48–0.18a |
0.15–0.22 |
|
28天的拉伸强度，以MPa计 |
gt; 2 (est.)b |
3.8 (est.) |
|
初始设置时间（开始 - 结束）分钟 |
3–5c |
45–145 (est.) |
|
100天后收缩率％ |
0.1–0.12 |
0.03–0.08 |
|
160天后的特定蠕变（％/ MPa） |
0.01–0.06 |
0.008 |
|
密度kg / m3 |
2140–2235 |
2200–2600 |
|
总孔隙率（％） |
15–20d |
15–19 |
|
以m / s为单位的渗透率 |
2.0 times; 10–12 to 10–14 |
10–11 to 10–12 |
|
微裂纹@ 28天裂缝/米 |
1300 |
– |
|
热膨胀系数在 - / K |
8.25–15 times; 10–6 e |
10 times; 10–6 f |
|
以mm为单位的塌落度 |
200 (est.)g |
50 |
笔记：
a科威特岛1999年。
b科威特岛1999年。
c见表2.2。
d Blasen 1998和Lukas等人1998年。
e Kuwajima 1999和Pouml;ttler1990。
f Eurocode 2（2004）Cl。3.1.3。
g梅尔比2005年。
图2.2显示了与未加速混合物相比，喷涂混凝土在一天以内的强度。
1.2.
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