高岭土和白云母对喷射混凝土改性研究

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评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年月日教学系意见：系主任：（签名）年月日摘要针对普通喷射混凝土柔韧性差、耐久性不足等问题，结合我国当前高韧性喷射混凝土的研究现状，本论文提出矿物掺合料改性喷射砼的试验研究。文中优先选出喷射砼的试验原料，分析白云母应用到高岭土基喷射砼中的可行性，研究了不同粒径范围的白云母对高岭土基喷射砼基本性能影响的变化规律。优选出适合加入高韧性喷射砼粉径的白云母，并得出最佳配方。利用微观测试手段对白云母在喷射砼中的增韧机理进行了分析，为高韧性喷射砼的进一步研究提供了可靠地试验依据。关键词：高韧性喷射混凝土白云母矿物掺合料高岭土AbstractShotcreteforordinarypoorflexibility,lackofdurabilityissues,combiningthecurrenthightoughnessofsprayedconcretesituation,thispaperproposesconcretemineraladmixturemodifiedjetpilotstudy.Thepaperfirstselectedtestmaterialssprayconcrete,analysisofmuscoviteappliedtothekaolin-basedsprayconcreteinthefeasibilitystudyofdifferentparticlesizerangeofmuscoviteonthebasicpropertiesofkaolin-basedsprayconcreteimpactofthevariation.Optimizedforaddedtoughnessofconcretepowdertrailsofmuscoviteinjection,anddrawthebestformula.Testmethodsusingmicrosprayconcreteonthemuscoviteinthetougheningmechanismisanalyzedforhightoughnessshotcreteforfurtherstudyprovidesreliableexperimentalevidence.Keywords:HightoughnessshotcreteMuscoviteMineraladmixturesKaolin目录TOC\o"1-4"\u1绪论 11.1喷射混凝土研究现状 21.1.1喷射混凝土的特点 21.1.2国外喷射混凝土研究现状 31.1.3国内喷射混凝土发展研究情况 41.2目前喷射混凝土性能方面所存在的主要问题 51.3本文所提出的解决方案 51.4白云母的基本性能、矿物组成及主要用途 61.5研究内容 72试验原料和试验方法 82.1试验原料 82.1.1水泥 82.1.2砂 92.1.3碎石 92.1.4高岭土 92.1.5速凝剂 102.1.6减水剂 102.1.7水 112.1.8白云母（muscovite） 112.2试验方法 122.2.1喷射混凝土拌合物的物理性能试验 122.2.2喷射混凝土的力学性能试验 122.2.3喷射混凝土的耐久性试验 123矿物掺合料在喷射混凝土中应用的试验研究 133.1高岭土改性喷射混凝土的试验研究 133.2白云母改性喷射混凝土的试验研究 143.2.1白云母C改性喷射混凝土的试验研究 白云母C对喷射混凝土拌合物的物理性能影响规律 白云母C对喷射混凝土的力学性能影响规律 白云母C对喷射混凝土的耐久性影响规律 183.2.2白云母D改性喷射混凝土的实验研究 白云母D对喷射混凝土拌合物的物理性能影响规律 白云母D对喷射混凝土的力学性能影响规律 白云母D对喷射混凝土的耐久性影响规律 223.2.3白云母E改性喷射混凝土的实验研究 白云母E对喷射混凝土拌合物的物理性能影响规律 白云母E对喷射混凝土的力学性能影响规律 白云母E对喷射混凝土的耐久性影响规律 263.3不同粒径的白云母各自最佳掺量的性能对比 273.4微观分析 303.4.1SEM照片 313.4.2SEM照片分析 344机理研究 364.1白云母改性喷射混凝土的作用机理 364.2冻融破坏的机理分析 364.3氯离子渗透机理分析 374.4硫酸盐侵蚀机理分析 384.5减水剂的作用机理 395结论 40参考文献 41致谢 431绪论喷射混凝土是指具有高工作性（低回弹率和低粉尘）、高耐久性（高强度、高抗渗、高抗冻性、高抗碳化、低收缩等）的混凝土。借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将按一定比例由水泥、骨料、水、外加剂等混合的拌合料，通过管道输送并以高速喷射到受喷面（岩面、模板、旧建筑物等）上凝结硬化。然而，在追求混凝土高强度的同时，却发现了不少混凝土建筑因材质劣化引起开裂破坏甚至倒塌，他们的破坏往往不是强度不足，而是耐久性不够。特别是高应力深井的开采和锚网喷的普遍推广应用，对喷射混凝土强度的要求也越来越高。高性能混凝土的发展已成为混凝土研究研究的一个重要发展方向。然而，随着高强混凝土的出现和应用，使混凝土固有的脆性问题显得更加突出。而目前所用的普通喷射混凝土的强度已不能满足高应力隧道或巷道的支护。通过实验和研究，可以发现混凝土的强度和韧性应该是衡量混凝土性能的重要指标[1]。白云母具有抑制混凝土收缩、提高混凝土抗拉强度、增加混凝土韧性的作用，能够解决高性能混凝土中出现的拉压比低、韧性差和收缩大的问题，也能适应现有施工水平和设备条件。云母的粘滞作用以及表面对水分的吸附将导致混凝土流动性的降低。表层材料中存在纤维，使其水分迁移较为困难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减少，同时也减少了水分的蒸发，提高了混凝土的保水性能。我们可以在普通的混凝土中掺入一定量的云母其在混凝土内部能构成一种均匀的乱向支撑体系承托骨料，从而产生一种有效的二级加强效果，降低了材料表面的析水与集料的离析，减少了离析裂纹的产生及发展，阻碍了沉降裂缝的产生。利用其化学效应和物理分子结构，增强其韧性，既而提高混凝土的强度和防渗水能力，同时也降低了混凝土回弹率[2]。1.1喷射混凝土研究现状1.1.1喷射混凝土的特点由于喷射混凝土具有良好的性能及施工方便的特点，目前经常被用于结构物的修复和加固。喷射混凝土可用于修复加固因地震、火灾、腐蚀、超载、冲刷、振动、爆炸和碰撞等因素引起的建筑结构损害，以及修补因施工不良造成的混凝土及钢筋混凝土结构的严重缺陷。喷射混凝土的加固具有快速高效、经济合理、质量可靠等优点，喷射混凝土在施工工艺、材料及结构等方面与普通现浇混凝土相比有许多特点：（l）不需振捣。喷射混凝土集混合料的运输、浇灌和捣固为一道工序，喷射混凝土以较高的速度（30～120m/s）喷向受喷面，先喷到受喷面上的混凝土受后喷混凝土的强烈冲击和压密，从而使混凝土结构密实，强度较高，不需要人工捣固。（2）早期强度高。喷射法施工在拌合料中加入速凝剂，使水泥在l0min内终凝，使混凝土喷射后能很快获得强度，有利工程进度，但要注意其后期强度会有所下降。（3）广泛的适用性。可通过输料软管在高空、深坑或狭小的工作区间向任意方位施作薄壁的或复杂造型的结构;不用或只用单面模板，施工占地面积小、机动灵活、节省劳动力。（4）喷射施工时，由于高速高压作用，喷射出的混凝土能射人宽度2mm以上的裂缝，能有效地封闭裂缝，并与被加固的结构紧密结合，形成整体共同工作，阻止原结构继续变形位移和开裂。（5）喷射混凝土不是依赖振动来捣实混凝土，而是在高速喷射时，由水泥与集料的反复连续撞击而使混凝土压实，同时又可采用较小的水灰比（0.4～0.45），因而它具有较高的力学强度和良好的耐久性[3]。1.1.2国外喷射混凝土研究现状喷射混凝土技术在世界上已有近百年的历史。它始于奥地利，而瑞士、德国、法国、瑞典、美国、英国、加拿大及日本等国也相继采用了喷射混凝土技术，我国是从20世纪60年代末在铁路隧道施工中推广新奥法施工时开始采用的。1942年瑞士阿利瓦（A1iva）公司研制成了转子式混凝土喷射机，能喷射含最大粒径为25mm骨料的混凝土；1947年德国BSM公司研制成双罐式混凝土喷射机。1948年至1953年间兴建的奥地利卡普隆水力发电站的米尔隧洞最先于使用了喷射混凝土支护。以后，瑞士、德国、法国、瑞典、美国、英国、加拿大、日本等国相继在土木建筑工程中采用了喷射混凝土技术。喷射混凝土技术的工艺特点使其在修复加固中极具竞争力。国外运用喷射混凝土加固修复了因地震、火灾、腐蚀、超载、震动、爆炸和碰撞引起的各种建筑物。比较著名的是1966年北海道十胜地震引起大量建筑、桥梁的破坏，日本运用喷射混凝土技术加固修补了部分钢筋混凝土结构:日本明神高速公路下今须桥因交通荷载长期作用，使得承载力降低，采用桥上浇注钢纤维混凝土，桥下喷射钢纤维混凝土的加固方案，取得了良好的效果;1971年，美国圣费尔多南地区6.6级地震引起潘诺拉玛城凯塞医院多层建筑物破坏，采用喷射混凝土加固隔震墙，喷射混凝土采用无收缩水泥，取得了良好效果[4]。喷射混凝土技术是新奥法施工的3大支柱之一，它以简便的工艺、及时的支护及较低的成本而在地下工程中得到广泛应用，目前，主要有干喷和湿喷两种喷射方式。近10年来，湿喷技术的发展日趋完善，已成为世界各国喷射技术的发展主流，与干喷相比，湿喷的明显优势是生产率高、粉尘浓度小。特别是包括混凝土泵、活塞式速凝剂计量泵和喷射臂在内的稠流湿喷法技术的出现，使湿喷法的应用领域大大拓宽。目前，意大利、挪威、瑞典、日本及加拿大等很多国家的湿喷应用已占主导地位，我国的湿喷混凝土施工也越来越被人们重视。另外，近年来国内外新型外加剂、外掺料及钢纤维喷射混凝土的研究和应用也得到迅速的发展，例如，我国冶金部建筑总院研制出了8604型速凝剂，美国和瑞士Aliva公司研制出了新型的非碱性速凝剂，德国研制成功了SiliponSPR6型增粘剂。1.1.3国内喷射混凝土发展研究情况高性能喷射混凝土是近几年来出现的新材料，在欧洲采用较多，具有较高的强度、耐久性和很好的防水性能，在我国才刚刚起步。我国冶金、水电部门上个世纪60年代初期，即着手研究混凝土喷射机械及喷射混凝土技术。l965年11月，冶金部建筑研究院与第三冶金建设公司合作，成功地在鞍钢弓长岭铁矿建成了一条用喷射混凝土支护的矿山运输巷道。1966年初，冶金部建筑研究总院用喷射混凝土修补北京地下铁道古城段因火灾烧伤的钢筋混凝土衬砌，获得了良好效果。同年，我国成昆铁路的部分隧道，攀钢大断面运输隧洞和本钢南芬泄洪洞采用了喷射混凝土支护。1968年，我国回龙山水电站主厂房及梅山铁矿竖井工程采用了喷射混凝土与锚杆相结合的支护。上述这些都为我国早期喷射混凝土技术的开发奠定了基础[5]。喷射混凝土优先选用普通硅酸盐水泥，是因为它含有较多的C3A和C3S，凝结时间较快，特别是与速凝剂有良好的相容性，细集料采用中粗砂及细度模数大于2．5的规定，不仅是为了有足够的水泥包裹细集料，有利于获得足够的混凝土强度，同时可减少粉尘和硬化后混凝土的收缩。砂的含水率控制在“5％-7％”，主要是为了减少具有活性的水泥颗粒的损失，减少粉尘，也有利于水泥的充分水化。关于粗集料粒径，目前国内的喷射机可使用的最大粒径为25mm，但为了减少回弹和管路堵塞，故条文规定不大于16mm。高性能喷射混凝土的设计强度等级为C40、C50；抗渗指标≥>B12。从已经应用的工程看有一定的效果，但工程应用还不多，所以须经试验后采用。高性能混凝土的发展已成为混凝士研究的一个重要发展方向。到目前，国内外加强了对喷射混凝土技术的研究开发工作，技术上取得了许多突破，使之在地下工程、薄壁结构工程、维修加固工程、岩土工程、耐火工程和防护工程等土木建筑领域获得了广泛的应用。1.2目前喷射混凝土性能方面所存在的主要问题作为重要的结构材料，强度一直是混凝土的主要性能指标，高强度一直被认为是优质混的特征。目前，我国许多地方的工程已使用了强度为60～80MPa的高强混凝土。100～150MPa的超高强混凝士也已经配制成功。然而，在追求混凝土高强度的同时，却发现了混凝土建筑因材质劣化引起开裂破坏甚至倒塌。它们的破坏往往不是强度不足，而是耐久不够。因此．混凝土耐久性的重要地位已不亚于强度和其他性能，由此也提出了混凝土高化的要求。高韧性混凝土的发展已成为混凝士研究的一个重要发展方向。然而，随着高性能混凝土的出现和应用，使混凝土固有的脆性问题显得更加突出。脆性断裂不仅使材料的效得到充分应用，更重要的是会带来灾难性的事故。高强混凝土的脆性太大，往往限制了应用，从这个意义上说．脆性是较强度更为重要的力学参数。因此，对混凝士韧性的研究正在逐渐被人们所重视，强度和韧性都应该是衡量混凝士性能的重要指标[6]。1.3本文所提出的解决方案混凝土的脆性问题，不可能从混凝土的原材料和配比上得到解决，因为这种材料在微观上为共价链所主导，只有通过与某些矿物掺合料结合后通过物理化学反应等改变内部结构方能获得改善。本文将尝试添加白云母，利用其高绝缘高韧性的性能来提高喷射混凝土的性能，以达到增加其韧性的预期目标。众所周知，以往在设计混凝土增韧性能方面的课题时，绝大多数人都是采用添加纤维（玻璃纤维、聚丙烯以及钢纤维等），无数次的实验也证明了钢纤维是目前在混凝土增韧增加强度方面效果相对而言最好的一种外加剂，但是其高昂的成本及其原料来源并不符合市场经济中减排节能的方针[7]。本实验将尝试首次添加矿物掺合料（白云母）来改善普通喷射混凝土的韧性，如果实验能够达到预期目标，则可取代钢纤维作为最经济适用的掺和剂在实际生产中运用。1.4白云母的基本性能、矿物组成及主要用途云母（mica)是分布最广的造岩矿物，钾、铝、镁、铁、锂等层状结构铝硅酸盐的总称。云母普遍存在多型性，其中属单斜晶系者常见，其次为三方晶系，其余少见。云母族矿物中最常见的矿物种有黑云母、白云母、金云母、锂云母、绢云母等。云母通常呈假六方或菱形的板状、片状、柱状晶形。颜色随化学成分的变化而异，主要随Fe含量的增多而变深。白云母也叫普通云母、钾云母或云母，是云母类矿物中的一种。白云母是良好的电绝缘体和热绝缘体，并且它能够大量出产，因此具有重要的经济价值。一般它产于变质岩中，但也产于花岗岩等岩石中。白云母并非只是白色，它可以是较淡的褐、绿、红色到无色，具有玻璃光泽到丝绢光泽。形状为大板块状，六方晶体或细粒的集合体。白云母斜方柱晶类，通常呈板状或片状，外形成假六方形或菱形。柱面有明显的横条纹。双晶常见，多依云母律生成接触双晶或穿插三连晶。主要出现于酸性岩浆岩；此外，还常出现于云英岩、变质片岩和片麻岩中。产于花岗岩中的白云母，常形成具有工业价值较大的晶体；伟晶岩中白云母的形成是多阶段的；热液金属矿床和热液变质岩中，绢云母华作用很普遍，形成绢云母；在变质岩中白云母分布很广，它是粘土质岩石在较高温度和钾的参与作用下形成。白云母具有良好的电绝缘性和不导热、抗酸、抗碱和耐压性能，因而被广泛用来制作电子、电气工业上的绝缘材料。云母碎片和粉末用作填料等。锂云母还是提取锂的主要矿物原料。在工业上用得最多的是白云母，其次为金云母。其广泛的应用于建材行业、消防行业、灭火剂、电焊条、塑料、电绝缘、造纸、沥青纸、橡胶、珠光颜料等化工工业。超细云母粉作塑料、涂料、油漆、橡胶等功能性填料，可提高其机械强度，增强韧性、附着力抗老化及耐腐蚀型等。除具有极高的电绝缘性、抗酸碱腐蚀、弹性、韧性和滑动性、耐热隔音、热膨胀系数小等性能外，又率先推出片体二表面光滑、径厚比大、形态规则、附着力强等特点。工业上主要利用它的绝缘性和耐热性，以及抗酸、抗碱性、抗压和剥分性，用作电气设备和电工器材的绝缘材料；其次用于制造蒸汽锅炉、冶炼炉的炉窗和机械上的零件。云母碎片和云母粉可以加工成云母纸，也可代替云母片制造各种成本低廉、厚度均匀的绝缘材料。1.5研究内容本论文将通过一系列相关试验来研究高岭土对喷射混凝土的影响以及不同粒径范围的白云母对喷射混凝土的改性影响规律。2试验原料和试验方法2.1试验原料2.1.1水泥试验采用的水泥是焦作市坚固水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，其化学组成，矿物组成及物理性能见表2-1、表2-2、表2-3：表2-1普通硅酸盐水泥化学组成Table2-1ThechemicalcomponentofcementSiO2Fe2O3Al2O3MgOCaOLossf-CaO21.843.305.232.762表2-2普通硅酸盐水泥矿物组成Table2-2ThemineralcompositionofcementC3SC2SC3AC4AF56.120.318.2610.03表2-3普通硅酸盐水泥的物理性能Table2-3Thephysicalpropertiesofcement品质指标细度%初凝tmin终凝tmin沸煮安定性SO3%MgO%烧失量%3d抗压Mpa3d抗折Mpa标准值≤1045≤600合格≤3.5≤5.0≤5.0≥3.5≥16.0检测值1.2169229合格2.4砂信阳黄砂，其物理性能见表2-2表2-4砂的物理性能Table2-4Physicalpropertiesofsand颗粒级配mm细度模数表观密度kg/m3堆积密度kg/m3紧密度体积kg/m3含泥量%含水量%0.16～52.752436139017802.542.1.3碎石山西晋城碎石,其物理性能见表2-5表2-5碎石物理性能Table2-5Physicalpropertiesofcoarseaggregate级配mm表观密度kg/m3堆积密度kg/m3压碎指标%含泥量%紧体积密度kg/m3含水量%3～102680145010.90.56163042.1.4高岭土试验所用高岭土产于河南焦作地区（由焦作市煜坤矿业有限公司提供），高岭土的化学成分如下表2-4：表2-6高岭土的化学成分（%）Table2-6Chemicalcompositionofkaolin化学成分LossSiO2AL2O3Fe2O3CaOMgOSO3百分比14.1841.7838.791.990.720.900.71制备所得偏高岭土的化学成分：表2-7偏高岭土的化学成分掺合料LossSiO2AL2O3Fe2O3CaOMgOK2OTiO2Na2O偏高岭土0.8754.0141.430.820.610.06Table2-7Compositionofmetakaolin2.1.5速凝剂掺入混凝土中能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。粉状固体，其掺用量仅占混凝土中水泥用量2％～3％，却能使混凝土在5min内初凝，10min内终凝。执行标准：JC477—2003《喷射混凝土用速凝剂》等级：一等品、合格品[8]。本次试验采用的掺速凝剂拌合物及其硬化砂浆的性能应符合表2-6的要求：表2-8速凝剂的性能Table2-8Acceleratingagentperformance试验项目凝结时间/min不迟于1d抗压强度Mpa28d抗压强度比/Mpa含水率/%细度产品等级初凝终凝不小于不小于小于不大于一等品310875215合格品5107702152.1.6减水剂本实验采用郑州建科混凝土外加剂有限公司生产的JKH—1型高效减水剂。该减水剂以工业萘为主要原料，经磺化、水解、干燥等工序制成的高效减水剂。该产品系非引气型减水剂，对水泥具有分散作用，对混凝土具有显著的减水增强作用。其主要技术指标如下表。表2-9减水剂的主要指标Table2-9Themainindicatorsofsuperplasticizer主要指标外观PH值溶解性水泥净浆流动度（mm）减水率（%）颜色状态检测值黄褐色粉状7～9易溶于水≥23518～252.1.7水焦作地区自来水，室温15~23oC。2.1.8白云母（muscovite）分子式：KAl2(A1Si3O10)(OH，F)2,其化学成分和物理性质如下所示：表2-10白云母的化学成份Table2-10ChemicalcompositionofmuscoviteSiO2Al2O3MgOK2OH2OFe2O3Na2OS+P44-50%20-33%1.32-2%9-11%0.13%2-6%0.95-1.8%0.02-0.05表2-11白云母的物理性质Table2-11Physicalpropertiesofmuscovite密度(g/cm3)透明度(%)莫氏硬度颜色条痕弹性系数(106Pa)2.76～3.171.7～87.52-2.5淡白色无色1475.9～2092.7本实验所采用的白云母分为三种粒径大小的不同品种，分别用白云母C、白云母D、白云母E来表示，其中粒径大小经测试如下表所示：表2-12白云母的不同粒径Table2-12Muscoviteofdifferentsize试样白云母C白云母D白云母E粒径（mm）0.63-2.360.3-0.90.125-0.632.2试验方法2.2.1喷射混凝土拌合物的物理性能试验喷射混凝土的泌水性试验和表观密度试验均参照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。2.2.2喷射混凝土的力学性能试验喷射混凝土的抗折、抗压强度试验参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，抗折强度的试件模块规格为40mm×40mm×160mm，抗压强度的试件模块规格为100mm×100mm×100mm。2.2.3喷射混凝土的耐久性试验喷射混凝土的各项耐久性试验（抗氯离子渗透试验、冻融循环试验和抗硫酸根离子渗透试验）测试参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》和JGJ/T193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》（行业标准）。抗氯离子渗透试验的试件模块规格为100mm×100mm×50mm，冻融循环试验和康硫酸根离子渗透试验的试件模块规格为100mm×100mm×100mm。

3矿物掺合料在喷射混凝土中应用的试验研究3.1高岭土改性喷射混凝土的试验研究首先做出关于普通混凝土A组和加入高岭土的混凝土试样B组的强度对比试验，其结果如下所示：表3-1A组和B组的强度Table3-1AgroupandBgroupoftheintensitycontrastA（基准组）B（加10%高岭土）抗折强度抗压强度抗冻融抗So42-抗折强度抗压强度抗冻融抗So42-7d（MPa）5.7524.905.1522.2328d（MPa）7.5336.0133.0541.868.4742.4938.7840.00从表3-1可以看出，在养护期达到7d的时候，加入高岭土的试样的抗折强度甚至稍低于普通混凝土的试样，而在养护期达到28d的时候，则可以看出B组试样的强度明显大于A组。通过上图可以看出其间的对比变化，这说明了在养护龄期达到标准时限的28d之前，高岭土对喷射混凝土的改性性能并未能体现出来，必须在规定的养护条件下达到28d的养护期后，混凝土增加喷射混凝土韧性的性能才能表现出预期的目标。同抗折强度的实验结果类似，在养护龄期达到7d的时候，加入高岭土的试样B组的抗压强度低于普通混凝土试样A组，而在28d养护期满后，B组的抗压强度要远远大于A组。这两个实验结果告诉我们在实际施工过程中，在养护期满之前，要注意对混凝土的保护采取必须的措施[9]。其次做出这两组试样物理性能测试的对比。表3-2A组和B组的物理性能Table3-2AgroupandBgroupofthephysicalproperties泌水率（%）表观密度(kg/m3)A（基准组）19.252275B（加10%高岭土）23.822503.2白云母改性喷射混凝土的试验研究本实验从三个方面研究不同粒径的白云母对喷射混凝土性能的影响，分别是对物理性能的影响、力学性能的影响以及对耐久性的影响。白云母的掺入量分为0.03%、0.04%和0.05%。3.2.1白云母C改性喷射混凝土的试验研究白云母C的粒径范围为0.63-2.36mm，本实验对白云母所做的第一个探讨就是找出在此粒径范围内的一个最佳掺量，使其对喷射混凝土强度和韧性的提高能够得到数据上的支撑。白云母C对喷射混凝土拌合物的物理性能影响规律喷射混凝土的泌水性和表观密度测试结果如下表所示，白云母C对其的影响规律可以通过图3-1和图3-2直观的看出来。表3-3白云母C对物理性能的影响Table3-3MuscoviteonthephysicalpropertiesofC掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%泌水率（%）8.6710.7913.39表观密度（kg/m3）227523002275图3-1泌水率变化曲线Fig3-1bleedingratecurve图3-2表观密度变化曲线Fig3-2Apparentdensitycurve通过以上数据及变化曲线图，可以得知在喷射混凝土的泌水性能方面，泌水率的大小是和白云母的掺量成正比的，即掺量越大，则泌水率越大。众所周知，如果泌水性过大，则导致混凝土分层离析，破坏混凝土均一性。如果保水性不好，则很容易被所接触的砖、砌块等基材吸去水分，从而降低其可塑性与粘结性，不能形成牢固的粘结，而且施工也不方便。从表观密度变化曲线中，可以看出当白云母C的掺入量为0.04%的时候，喷射混凝土拌合物的表观密度是最大的，而掺入量为0.03%和0.05%时的拌合物表观密度则稍低且是一个持平的现象。因此得出结论当白云母C的掺入量为0.04%的时候，喷射混凝土经捣实后的单位体积质量是最大的。白云母C对喷射混凝土的力学性能影响规律本实验中喷射混凝土的力学性能测试分为抗折和抗压两个方面，加入白云母C时，试样模块在7d和28d养护龄期时的抗压强度和抗折强度试验结果如下所示：表3-4白云母C对力学性能的影响Table3-4MuscoviteContheMechanicalProperties掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%7d28d7d28d7d28d抗压强度（MPa）22.5438.0325.7141.5225.9240.88抗折强度（MPa）5.358.135.928.896.009.18图3-3抗压强度变化曲线Fig3-3Compressivestrengthcurve图3-4抗折强度变化曲线Fig3-4Flexuralstrengthcurve由图3-3和图3-4的强度变化曲线图中，可以明显得出一个结论：在白云母C的粒径范围之内，喷射混凝土的抗压强度和抗折强度均和白云母C的掺入量呈正比关系。即当本实验中的白云母C掺入量为0.05%时，喷射混凝土的力学性能是最优的。白云母C对喷射混凝土的耐久性影响规律试样模块经冻融循环和硫酸盐浸泡后的抗压强度如下所示：表3-5白云母C对耐久性强度的影响Table3-5MuscoviteConthedurabilitystrength掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%抗冻融（MPa）39.6138.6427.27抗So42-（MPa）43.9446.2149.91图3-5耐久性强度变化曲线Fig3-5Durabilityintensitycurve从上图中的强度变化曲线，可以得知在喷射混凝土中掺加白云母C时，掺入量越大，经冻融后的试样模块的强度越低。与此相反的是，经硫酸盐浸泡的试样，白云母C的掺入量越大，其强度越好。由此得出结论为:在白云母C粒径范围之内，其对抗冻害的作用不是很好，掺入量的增加会降低喷射混凝土的抗冻性能。表3-6白云母C对氯离子扩散的影响Table3-6MuscoviteConthechloridediffusionof掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%氯离子扩散系数(单位:cm2/s)1.97E-111.97E-111.98E-11从上表可以得知，白云母C对喷射混凝土的抗氯离子渗透能力影响不大。3.2.2白云母D改性喷射混凝土的实验研究白云母D对喷射混凝土拌合物的物理性能影响规律掺入白云母D（粒径0.3-0.9mm）后测验喷射混凝土拌合物的泌水性和表观密度，其数据如下表所示：表3-7白云母D对物理性能的影响Table3-7MuscoviteonthephysicalpropertiesofD掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%泌水率（%）12.0613.0012.91表观密度（kg/m3）227523002375图3-6泌水率变化曲线Fig3-6Bleedingratecurve图3-7表观密度变化曲线Fig3-7Apparentdensitycurve由上图可以看出泌水率在白云母D加入0.04%的时候处于最大值，说明并不是掺入量越多其泌水率越大，而是有一个最佳掺量值。表观密度值的大小则是和白云母D的掺入量呈正比关系。白云母D对喷射混凝土的力学性能影响规律表3-8白云母D对力学性能的影响Table3-8MuscoviteDontheMechanicalProperties掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%7d28d7d28d7d28d抗压强度（MPa）23.7040.0124.0139.9225.8242.42抗折强度（MPa）5.278.925.529.075.659.12图3-8抗压强度变化曲线Fig3-8Compressivestrengthcurve图3-9抗折强度变化曲线Fig3-9Flexuralstrengthcurve白云母D对喷射混凝土强度的影响比较明显，在7d和28d的养护龄期内的抗压强度和抗折强度均和白云母D的掺入量呈正比关系，加入量越多，强度越大。白云母D对喷射混凝土的耐久性影响规律表3-9白云母D对耐久性强度的影响Table3-9MuscoviteDonthedurabilitystrength掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%抗冻融（MPa）46.0838.8937.54抗So42-（MPa）44.0240.4346.10图3-10耐久性强度变化曲线Fig3-10Durabilityintensitycurve白云母D的掺入量越大，喷射混凝土的抗冻害能力越差，图中可以看出当掺入量为0.03%时，经冻融循环后的试样模块的抗压强度是最大的。而经硫酸盐浸泡的试样模块刚好相反，0.05%的掺入量时强度最大。表3-10白云母D对氯离子扩散的影响Table3-10MuscoviteDonthechloridediffusionof掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%氯离子扩散系数(单位:cm2/s)1.97E-111.97E-111.98E-11同白云母C一样，白云母D对抗氯离子渗透的影响也不大。3.2.3白云母E改性喷射混凝土的实验研究白云母E对喷射混凝土拌合物的物理性能影响规律表3-11白云母E对物理性能的影响Table3-11MuscoviteonthephysicalpropertiesofE掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%泌水率（%）9.529.108.64表观密度（kg/m3）225022502250图3-11泌水率变化曲线Fig3-11bleedingratecurve从上图可以清晰的看出，喷射混凝土试样的泌水率值和白云母E的掺入量呈反比关系，而三种掺量下的表观密度则几乎没有发生变化。白云母E对喷射混凝土的力学性能影响规律掺入白云母E后的试样，其抗压强度和抗折强度数据如下表所示：表3-12白云母E对力学性能的影响Table3-12MuscoviteEontheMechanicalProperties掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%7d28d7d28d7d28d抗压强度（MPa）21.8040.7718.4045.7325.8043.54抗折强度（MPa）58.875.79.37图3-12抗压强度变化曲线Fig3-12Compressivestrengthcurve由上图的抗压强度变化曲线图可以看出，当白云母E的掺量为0.04%的时候，7d和28d时的强度值变化是最大的。由此可见，在云母E的粒径范围之内，抗压强度的大小并不是和掺入量的多少呈必须的正比或者反比关系。实际的施工过程中，也许会因为具体环境的差异而导致一些误差，但通过本实验可以分析出在某个粒径范围之内有一个最佳掺量值，因此找出这个粒径范围的前提下才能确认最终的最佳掺量。图3-13抗折强度变化曲线Fig3-13Flexuralstrengthcurve喷射混凝土的抗折强度的大小直接决定了其韧性的优良。通过上图可以看出白云母E的掺入量在0.05%时，抗折强度最大，也就是说喷射混凝土的韧性越好。白云母E对喷射混凝土的耐久性影响规律表3-13白云母E对耐久性强度的影响Table3-13MuscoviteEonthedurabilitystrength掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%抗冻融（MPa）43.2743.0945.25抗So42-（MPa）42.0249.0240.71图3-14耐久性强度变化曲线Fig3-14Durabilityintensitycurve当白云母E的掺入量为0.04%的时候，抗硫酸盐渗透的能力是最强的，而当掺入量为0.05%时，抗冻伤害的性能则是最好的。表3-14白云母D对氯离子扩散的影响Table3-14MuscoviteDonthechloridediffusionof掺入0.03%掺入0.04%掺入0.05%氯离子扩散系数(单位:cm2/s)1.97E-111.97E-111.97E-11同白云母C和D的情况类似，白云母E的加入对喷射混凝土康氯离子渗透性能的影响不大。3.3不同粒径的白云母各自最佳掺量的性能对比由上述实验各粒径范围内的白云母对喷射混凝土各项性能的综合影响来看，可以得出白云母C的最佳掺量为0.04%，白云母D和E的最佳掺量均为0.05%。接下来本实验将对这三种白云母各自的最佳掺量做下对比，以选出白云母最佳粒径及最佳掺量。表3-15白云母各粒径的最佳掺量性能对比Table3-15Thesizeofthebestcontentmuscoviteperformancecomparison白云母C（0.04%）白云母D（0.05%）白云母E（0.05%）抗压强度（MPa）7d25.7125.8225.8028d41.5242.4843.54抗折强度（MPa）7d5.925.655.728d8.899.129.37抗冻融（MPa）38.6437.5445.25抗So42-（MPa）46.2146.1040.71图3-157d抗压强度变化曲线Fig3-157dcompressivestrengthcurve图3-1628d抗压强度变化曲线Fig3-1628dcompressivestrengthcurve图3-17抗折强度变化曲线Fig3-17Flexuralstrengthcurve图3-18耐久性强度变化曲线Fig3-18Durabilityintensitycurve从图3-15、图3-16和图3-17可以得知，当7d时，掺量为0.05%的白云母D抗压强度值最大，而28d的时候，则掺入0.05%的白云母E抗压强度最大。抗折强度的数据在7d时和白云母粒径成正比，而28d时则呈反比关系，即养护期满后，白云母粒径越小，喷射混凝土的韧性越好。经过冻融循环和硫酸盐浸泡后的试样模块，其强度变化抗压从图3-18看出，加入0.05%的白云母E时，喷射混凝土的抗冻性能最好，而加入0.04%的白云母C时，喷射混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力最强。可以得出的结论为：白云母粒径越大，在喷射混凝土内部形成空隙越多，抗冻害能力越弱。而小粒径的白云母则对抗硫酸盐的抗侵蚀能力效果不甚理想。3.4微观分析3.4.1SEM照片图B1、B2、B3为基准样，图C1、C2和图D1、D2分别为白云母C（0.63-2.36mm）和白云母D（0.3-0.9mm）掺入喷射混凝土时的SEM图像。B1B2B3C1C2D1D2图3-19试样的SEM照片Fig3-19SEMphotographsofsamples3.4.2SEM照片分析图B1、B2和B3为基准样28d养护期后分别放大1000倍、5000倍和10000倍时的SEM图像。从图像中可以看出加入高岭土后，水化产物中有一些球状和柱状的物质生成，但缝隙较少，成层状分布，且分布比较均匀，此形态能明显增加普通喷射混凝土的强度。图C1和C2为掺入白云母C（0.63-2.36mm）的试样28d后的SEM图像，分别放大了3000倍和10000倍。网状结构比较明显，而白云母C的粒径比较大，因此可以明显看出平均的分布在混凝土结构中，与混凝土的水化产物紧密结合。白云母密集填充于混凝土的孔隙当中，切很少看到Ca（OH）2生成物，说明了加入的白云母C可以提高喷射混凝土的密实度，降低碱活性，所以能改善混凝土的强度、韧性和密实性等性能。图D1和D2为掺入白云母D（0.3-0.9mm）的试样28d后的SEM图像，同样是分别放大3000倍和10000倍。白云母D的粒径要小于白云母C，从图像中明显看出喷射混凝土的内部结构紧凑密实，孔隙率小，而且白云母能够很好的与其结合，大大优于基准样的结构。活性矿物掺合料（白云母）的加入，使得水泥石与骨料界面粘结力增强，这是由于活性微细掺合料除了有填充效应外，还吸附了大量自由水，使骨料底部水量减少、孔隙变小，界面趋于密实；同时，白云母的加入，减少了对水泥石结构有害物质Ca（OH）2含量，生成更多的水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物，有利于混凝土力学性能。同图C1和C2比较，优势在于白云母D的粒径小，所以能够更加充实的填充于喷射混凝土的内部结构，因此掺入粒径越小的白云母，喷射混凝土的物理性能、力学性能以及耐久性越好。

4机理研究4.1白云母改性喷射混凝土的作用机理在喷射混凝土硬化过程中由于水分的蒸发和转移，混凝土内部的抗拉强度能力低于塑性收缩产生的应变，引起混凝土内部塑形裂纹的产生，形成了原始的内部缺陷，它导致混凝土在受到荷载作用时发生应力集中，并发展成宏观裂纹。白云母的存在能够限制混凝土的塑性开裂，其大量的、均匀的网状分布，对混凝土的塑性开裂产生约束，延缓了裂缝出现的时间，白云母对混凝土的早期原生裂缝及微观裂缝的引发起到约束作用，改善了混凝土内部结构。当混凝土出现裂缝时，白云母的存在又限制了裂缝尖端的发展，使裂缝数量较多而宽度较小，这就需要消耗较大的能量来克服白云母的限制作用。白云母的粒径越小，限制作用越强，明显增强了混凝土的韧性。4.2冻融破坏的机理分析混凝土在拌制时，为了达到必要的和易性，拌合水的加入总多于水泥的水化水，多余的水在混凝土硬化后一部分蒸发出来，一部分以水的形态流域混凝土中，从而在混凝土中形成了空隙和毛细管通道。这些空隙可分为凝胶孔、收缩孔和毛细管孔隙。凝胶孔和收缩孔的直径非常小，所以我们称之为微毛细孔；而毛细管孔隙直径较大，我们称之为大毛细孔。微毛细孔中的水只有在-78℃以下才会冻结，因此在自然气候条件下对混凝土抗冻性没有什么影响。大毛细孔的直径一般相当于凝胶孔的1000倍，水可渗入和迁移，这种自由活动水的存在，是导致混凝土遭受冻害的主要原因[10]。由于水遇冷结冰会发生体积膨胀，引起混凝土内部抗拉、抗压结构强度的破坏。当混凝土处于保水状态时，毛细孔中的水结冰，胶凝孔中的水就处于过冷状态，因为混凝土孔隙中的冰点随孔径的减小而降低。胶凝孔中处于过冷状态的水分，是因为其蒸气压高于同温度下冰的蒸汽压，而向毛细孔中冰的界面处渗透，由此可见，处于混凝土饱和状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀压力和渗透压力。当两种压力超过混凝土的抗拉压力强度时，混凝土会裂开，那么经过年复一年的冻融循环，混凝土损伤不断扩大，逐步积累，经过一定的冻融循环后，混凝土中的裂缝相互贯通，强度逐渐降低，最后完全丧失。混凝土的冻融破坏过程，实际上是水化产物结构由密实体到松散体的过程，而在这一发展过程中，又伴随着微裂缝的出现和发展，而且微裂缝不仅存在于水化产物结构中，也会使引气混凝土中的气泡壁产生开裂和破坏，这是导致引气混凝土冻融破坏的主要原因。由于混凝土在冻融破坏过程中，水化产物的成分基本保持不变，因此，混凝土的冻融破坏过程可以基本上认为是一个物理变化过程。4.3氯离子渗透机理分析喷射混凝土混凝土渗透性及喷射混凝土混凝土的密实性和孔隙结构有关。混凝土的水胶比越大，混凝土的密实性相对较小，水胶比越大包围水泥颗粒的防水层越厚，许多拌和水在水泥石中形成相互通连成无规则的毛细孔通道，增加混凝土的透水性。在混凝土加入适量的引气剂后，混凝土中孔隙结构的改变，引气剂产生的细小均匀独立而不相通的气泡，有效地隔断了混凝土中的毛细孔通道，防止水分渗透，提高了混凝土抗渗透性能。有相关研究表明，混凝土中引入4%的含气量，可使混凝土的抗渗性提高约15%以上，原因是引气剂改变了混凝土的孔结构体系，封闭了许多毛细孔通道，同时作为有机分子类的引气剂溶解后在水泥颗粒表面上形成憎水膜，从而降低了毛细管的抽吸作用。混凝土抗渗透性能的提高，使混凝土在各种环境中应用，特别是在侵蚀性的环境中应用的抗侵蚀能力大大提高，使用寿命延长。工程实践证明，以引气剂及减水剂配制的混凝土无需再采用其它防水措施，即可达到防水抗渗及提高抗侵蚀目的，经济效益十分可观[11]。4.4硫酸盐侵蚀机理分析某些地区的地下水和地表水，含有硫酸盐，如硫酸钠（Na2SO4）、硫酸钙（CaSO4）、硫酸镁（MgSO4）等，环境水中的硫酸钠和普通硅酸盐水泥石中的碱性固态游离石灰质及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混凝土破坏。硫酸钠和氢氧化钙的反应式：Ca（OH）2+Na2SO4·10H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O这种反应在流动的硫酸盐水溶液里进行，可以一直进行下去，直至水泥中的Ca（OH）2完全被反应完。假如NaOH被积聚，反应达到平衡，只有一部分CaSO4沉定成石膏。水泥石中的氢氧化钙转变为石膏，体积增加原来的两倍，产生膨胀。硫酸钠和水化铝酸钙的反应式：2（3CaO·Al2O3·12H2O）+3（Na2SO4·10H2O）→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2Al（OH）3+6NaOH+16H2O水化铝酸钙变成硫铝酸钙时，体积增大。环境中的硫酸镁，除了能侵害水化铝酸钙和氢氧化钙之外，还能和水化硅酸钙反应，其反应式：3CaO·SiO3·H2O+MgSO4·7H2O→CaSO4·2H2O+Mg（OH）2+SiO2这一反应，是由于氢氧化镁的溶解度很低，造成饱和溶液PH值也低。氢氧化镁的溶解能度每升仅为0.01克，它的饱和溶液PH值约为10.5.这个数值低，致使水化硅酸钙有硫酸镁溶液存在的条件下，不断分解出石灰。所以硫酸镁较其他的硫酸盐，具有更大的侵蚀性[12]。硫酸盐的侵蚀的速度，随其溶液浓度的增加而增加，硫酸盐浓度以[SO42-]来表示。当环境水[SO42-]大于500mg/l时，环境水就有硫酸盐侵蚀。在1500~2500mg/l时为中等侵蚀。[SO42-]在2500mg/以上时为强侵蚀。混凝土遭受硫酸盐侵蚀的特征是表面发白，菱角破坏，接着裂缝展开并剥落，使混凝土破碎和松散而破坏。4.5减水剂的作用机理当聚羧酸系减水剂掺入新拌混凝土后，减水剂所带的极性阴离子活性基团如-SO3-、-COO-等通过离子键、共价键、氢键及范德华力等相互作用紧紧地吸附在强极性的水泥颗粒表面，从而使水泥颗粒带电，根据同性电荷相斥原理，阻止了相邻水泥颗粒的相互接近，增大了水泥与水的接触面积，使水泥充分水化，并且在水泥颗粒扩散的过程中，释放出凝聚体所包含的游离水，改善了和易性，减少了拌水量。

5结论本论文对高岭土和白云母对喷射混凝土改性方面进行了研究和试验，通过对比分析，得出以下结论：（1）高岭土颗粒遇水易团聚、需水量大，使得复掺白云母和高岭土后的混凝土流动性有所降低，需要增加减水剂用量来提高其工作性能。（2）高岭土在喷射混凝土改性方面效果比较显著，28d养护期满后，掺入高岭土的试样比基准样的韧性强度高出15%，抗压强度高出3.6%。（3）白云母的三个粒径范围分别为白云母C（0.63-2.36mm）、白云母D（0.3-0.9mm）和白云母E（0.125-0.63mm），可以看出三个粒径范围之间有交叉点，因此测试其各项性能的数据之间保持着连贯性。（4）白云母的粒径越小，喷射混凝土的韧性和强度越好。当在喷射混凝土中加入0.05%的白云母E（0.125-0.63mm）时，其抗折抗压的能力要明显优于白云母D和E。（5）在抗硫酸盐侵蚀能力方面，粒径大的白云母性能要稍优于粒径比较小的。三种粒径的白云母中，白云母C（0.63-2.36mm）的抗侵蚀能力最强。综上所述，经过对数据的综合分析，加入高岭土和掺量为0.05%的白云母E（0.125-0.63mm）时，喷射混凝土的综合性能指标最好。

参考文献[1]张瑞敏.喷射混凝土技术性能研究[j].交通世界,2008:199-200[2]骆红玲.浅谈混凝土外加剂种类及应用.石河子科技,2008:49[3]谢兴保.现代喷射混凝土技术原理及特性分析[J].武汉水利电力大学学报,1994,(6):27[4]江志学、王估，卢哲安，高性能混凝土的研究应用与展望，见:第四届高性能混凝土研讨会，湖北，2002,91～94[5]吴中伟.高性混凝土及其矿物掺合料，建筑技术，1999,30(3),160-163[6]HYPER