摘 要

喷射砂浆一般用于作为部分混凝土结构的衬里或者保护层，因此喷射砂浆必须具备良好的抗流挂特性、符合标准要求的力学性能和施工的可操作性，同时为了设计的美观和功能化的需求，对喷射砂浆又提出了色彩及高抗渗性的要求。鉴于此，本文将采用不同的无机颜料，通过调整胶凝材料、集料和外加剂，开发出符合高抗渗要求的彩色喷射砂浆，以便对实际工程具有指导意义。

论文通过优化设计高抗渗彩色喷射砂浆的配合比，制备出力学性能和工作性能符合要求的高抗渗彩色喷射砂浆。研究中探明了灰砂比、外加剂种类和掺量、着色剂掺量等因素对喷射砂浆性能的影响，分析了彩色砂浆产生色差的原因，并提出使砂浆颜色分布均匀的手段。具体研究结论如下：

（1）纤维素醚可以提高喷射砂浆的保水率，但同时会降低喷射砂浆的稠度及抗压抗折强度，综合其施工性能及力学性能，纤维素醚的最适宜掺量为3‰。

（2）可再分散乳胶粉可以提高喷射砂浆的拉伸粘结强度，但同时会降低喷射砂浆的抗压抗折强度，综合其施工性能及力学性能，可再分散乳胶粉的最适宜掺量为1%。

（3）灰砂比降低会导致喷射砂浆凝结时间增长、抗压抗折强度降低、自然干燥收缩率增加。

（4）颜料掺量增加会使砂浆的色差减小，用水量增加会使砂浆的色差值增大，砂灰比越高会使色差值越大。

关键词：喷射砂浆；彩色砂浆；色差；抗渗性能

Abstract

Sprayed mortar is generally used for thin wall structures, lining for other structures and protective layer of steel structures. Therefore, it is necessary to have good resistance to flow and hang properties, mechanical properties that meet the standard requirements and the operability of construction. At the same time, in order to meet the aesthetic and functional requirements of design, the color and high impermeability of the spray mortar are also proposed. In view of this, this research will use different inorganic pigments to develop a kind of color sprayed mortar of high impermeability through the adjustment of cementitious materials, aggregates and admixtures, so as to practical engineering of guiding significance.

The optimization design of high impermeability color sprayed mortar mixture, prepared by mechanical properties and performance to meet the requirements of high impermeability color sprayed mortar. The study proved the influence factors of cement sand ratio and the type of additive and admixture and colorant content on the performance of mortar injection, analyzed the causes of chromatic aberration of color mortar, and put forward the mortar color distribution uniformity means. The specific conclusions are as follows:

(1) cellulose can increase the water retention rate of mortar, but at the same time it will reduce the consistency of mortar and compressive strength and flexural strength. The optimum dosage of cellulose ether is 3‰, considering the construction and mechanical properties.

(2) redispersible latex powder can improve the tensile bond strength of the mortar, but at the same time it will reduce the compressive strength and flexural strength of the mortar, considering the construction performance and mechanical properties, the optimum dosage of the redispersible emulsion powder is 1%.

(3) the reduction of cement sand ratio will lead to growth of the setting time of mortar injection, decrease of compressive strength and increase natural drying shrinkage rate.

(4) with the increase of pigment content, the chromatic aberration of mortar decreases, and the chromatic aberration of mortar increases with the increase of water consumption. The higher the sand cement ratio, the greater the chromatic aberration.

Key Words： sprayed mortar; color mortar; chromatic aberration; impermeability

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究进展 1

1.3 本文的研究内容和目标 3

第2章 原材料和实验方法 5

2.1 实验原材料 5

2.2 实验方法 6

第3章 高抗渗彩色喷射砂浆的配合比设计 8

3.1 高抗渗彩色喷射砂浆配合比及性能 8

3.2 纤维素醚对砂浆性能的影响 8

3.3 可再分散乳胶粉对砂浆性能的影响 9

3.4本章小结 10

第4章 灰砂比对砂浆性能的影响 11

4.1灰砂比对砂浆工作性能的影响 11

4.2灰砂比对砂浆力学性能的影响 11

4.3灰砂比对砂浆自然干燥收缩率的影响 12

4.4本章小结 13

第5章 色差影响因素探讨 14

5.1粉煤灰对砂浆色差的影响 14

5.2颜料掺量对砂浆色差的影响 15

5.3用水量对砂浆色差的影响 16

5.4灰砂比对色差的影响 17

5.5本章小结 18

第6章 显微结构分析研究 19

6.1 颜色分布 19

6.2 抗渗机理分析 19

6.3 本章小结 19

第7章 结论 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

喷射砂浆是由水、砂子、水泥及外加剂等配制而成的水泥基砂浆材料，这种砂浆与普通砂浆不同，其均匀性好、抗流挂特性好。另外，良好的工作性使得砂浆在硬化后也能满足要求。机械化喷涂施工时可以有效地避免人工配料、拌合，喷涂效果均匀、压力大，且不会出现脱落现象，砂浆与墙面的粘结性好。机喷施工可以适应于各种不同的施工基面，不需要像普通砂浆那样进行基面处理，更加方便实用^[1]。喷射砂浆一般用于作为其他结构的衬里或保护层，在现代隧道衬砌结构设计与施工中，以喷射砂浆为主体的单层永久衬砌成为未来发展趋势^[2]。在隧道运营过程中，衬砌结构不可避免得要遭受到来自外界环境腐蚀因子的作用，造成开裂、化学腐蚀、漏水等，最终导致衬砌混凝土剥落，从而严重威胁到隧道衬砌结构的耐久性及使用寿命^[3]。为了解决由于抗渗性差、抗流挂特性差造成的开裂、化学腐蚀、漏水等问题，研发一种具有高抗渗性、抗流挂特性好的喷射砂浆有重要的实际意义。同时为了设计的美观和功能化的需求，本文对喷射砂浆又提出了色彩美观的要求。

对于彩色砂浆主要存在的两大问题就是泛碱问题和色差问题^[4]。泛碱现象通常是硅酸钙水化后生成的Ca² 和OH^-在毛细孔压力下渗透到表面，并与空气中的CO₂作用生成不溶于水的白色碳酸钙晶体^[5]所导致的。为了解决泛碱问题，有研究发现，泛碱面积随阻碱剂用量增加而降低，从而说明其抑制泛碱作用增强^[6]，故对于泛碱问题的解决可以通过在其中加入阻碱剂来实现。对于色差问题则较难解决，研究发现，随着颜料掺量增加，砂浆的颜色加深，色差逐渐变小，但颜料掺量过高会导致砂浆强度降低^[2]，两者无法同时得到。用更加先进科学的办法去解决彩色砂浆的色差问题是本篇论文的关键之处，而高抗渗彩色喷射砂浆的配制也将得以实现，从而参考本篇论文的实验数据即可指导实际高抗渗彩色喷射砂浆的生产。

1.2 国内外研究进展

1.2.1机械喷涂工艺

机械喷涂施工主要是指砂浆从配料、拌合、输送到喷涂都使用机械化操作，机械喷涂砂浆工作原理是利用砂浆泵和空气压缩机将砂浆及压缩空气送入喷枪，在喷嘴前形成砂浆射流，将砂浆喷涂在基层上^[1]。砂浆喷涂设备组成包含：散装罐、输送泵和喷涂设备，如图1.1所示。

图1.1 砂浆喷涂及配套设备

机械喷涂砂浆的施工技术是起源于欧洲的，并已在欧洲成功运用了几十年。机械喷涂技术可以适用于民用建筑和公共建筑，并且能够提升施工的工作效率，缩短竣工周期，而传统的工艺技术易导致工地扬尘污染、施工效率低、人工成本高等问题^[7]。采用机械喷涂技术不仅能节约人工成本、加快施工速度、提高工程质量、提高机械化水平，而且操作简便、劳动强度低，技术性能可靠^[1][8]。

随着我国预拌砂浆产业的发展以及机械喷涂砂浆工艺技术的普及，对砂浆机械喷涂设备的需求越来越多，对机械设备提出的要求也越来越高。因此合理地选择机械设备，因材而异，因地制宜，将人、料和机适当地结合起来，才能实现让合理的投入产生良好的效益回报^[9]。

本实验希望可以配制一种通过控制喷涂厚度使之符合不同工作环境要求的喷射砂浆。

1.2.2水泥砂浆抗渗性研究

有研究指出，与水泥品种、灰砂比相比，减水剂种类对砂浆抗渗性的影响最大。这是由于不同减水剂的分子结构不同，从而在水泥颗粒表面时的吸附形态、吸附量、ζ电位及产生的静电排斥作用也不同，因此减水剂种类对砂浆抗渗性有很大的影响^[10]。

部分学者也进行了掺合料对砂浆抗渗性能影响的研究。孙永波等通过实验得出粉煤灰的掺量为10%、硅粉的掺量为4%时, 使得粉煤灰、硅粉以及水泥颗粒之间构成比较合理的颗粒级配, 进而使得砂浆中微细颗粒间可以紧密结合, 从而减少了砂浆中的空隙;硅粉颗粒的活性在水泥水化的初期发挥, 生成 C-S-H 凝胶填充孔隙, 增加了砂浆的密实性;而粉煤灰在水泥水化的初期起到的是“ 滚珠”作用, 能够有效地抵消因掺入硅粉而需要增加的用水量。所以, 该复掺掺量对砂浆抗渗性能改善最佳 ^[11]。另外蔡雷等通过实验得出偏高岭土对水泥基材料的抗渗性能有明显的提升作用，在一定范围内，水泥砂浆的抗渗性能随着偏高岭土掺量的增加而提高，并且其掺量应该控制在8%左右^[12]。

在过去的半个世纪里，聚合物改性砂浆被广泛地应用在建筑工程领域，那是因为许多研究已经发现聚合物改性能提高水泥砂浆的施工性能、粘结强度、抗折强度、抗渗性等^[13]。例如尹明千研究发现随着聚丙烯纤维掺加量增加，水泥砂浆的抗渗性提高，但是当聚丙烯纤维掺加量超过1000g/m³，继续提高聚丙烯纤维的掺量，对砂浆性能的影响变得微弱^[14]。再例如随着苯丙乳液掺入量的逐渐增加，硬化浆体孔径不断细化，从而密实程度显著提高，使得砂浆抗掺有所增强，这是因为苯丙乳液的分散作用可以有效地减少浆体中的絮凝结构，从而改善孔隙结构，提高密实度和抗渗性。除了分散解絮作用外，乳液还能够填充水泥颗粒之间、水泥颗粒与水化产物之间的孔隙，其破乳后形成的柔性网状膜结构也可以有效地改善浆体中各组分之间的结合形态，使砂浆内部结构变得更加致密^[15]。

本实验希望通过比较得出提高砂浆抗渗性的最佳方案，并测试该方案的其他各方面性能。

1.2.3彩色砂浆色差研究

对于彩色砂浆而言，例如不同批次的原材料、不准确的计量以及操作周围环境均可能导致色差的出现^[16]。砂浆中添加颜料可配制出彩色装饰砂浆。由于考虑到颜料的耐碱性、耐候性以及成本等，通常选择在其中加入的是无机颜料，常见的无机颜料有钛白粉、氧化铁以及炭黑等。有研究发现，随着颜料掺量的增加，砂浆的颜色有所加深，但色差会变小，因此最佳的颜料掺量不应超过3％。另外，在砂浆中加入钛白粉会使砂浆的颜色变浅，并且会极大地提高砂浆的耐候性，故一般的掺量为l％。研究也表明，加入合适的分散剂能通过提高分散效率有效地减少对颜料的使用，从而避免砂浆表面发花现象的产生。虽然不同加水量对砂浆颜色影响较小，但是为了避免色差、发花现象，现场应严格控制加水量^[4]。

本实验希望通过实际实验的控制得出颜料的最佳掺量以及最佳用水量，从而配制出效果最好的高抗渗彩色喷射砂浆。

1.3 本文的研究内容和目标

1.3.1研究的基本内容：

（1）用无机胶凝材料、集料及各种外加剂混合制成高抗渗性喷射砂浆；

（2）为设计的美观性要求，在配方中加入某些无机颜料从而制得彩色高抗渗性喷射砂浆；

（3）通过调整胶凝材料、集料和外加剂的比例，找出性能最合适的方案，指导实际工程的顺利进行。

1.3.2研究的目标：

（1）选择合适的无机颜料，研究不同胶凝材料体系和集料的比例对高抗渗彩色喷射砂浆性能的影响；

（2）研究不同种类、不同掺量的外加剂对高抗渗彩色喷射砂浆力学性能、施工可操作性能、色差及抗渗性能的影响；

（3）结合微观结构分析测试，分析抗渗机理，并且提出色彩匀质性控制手段。

1.3.3 研究路线及技术方案

本文的研究路线及技术方案如图1.2所示，实验内容按照要求进行并逐一完成。

高抗渗彩色喷射砂浆的配制

因素探讨及机理分析

高抗渗彩色喷射砂浆配合比设计

抗渗机理研究分析

色差影响因素探讨

灰砂比对彩色性能的影响

纤维素泥对砂浆性能的影响

可再分散乳胶粉对砂浆性能的影响

灰砂比对砂浆色差的影响

用水量对砂浆色差的影响

颜料掺量对砂浆色差的影响

粉煤灰对砂浆色差的影响

灰砂比对喷射砂浆自然干燥收缩率的影响

灰砂比对喷射砂浆工作性能的影响

灰砂比对喷射砂浆力学性能的影响

图1.2 研究路线及技术方案

第2章 原材料和实验方法

2.1 实验原材料

2.1.1水泥

本文所使用水泥为白色硅酸盐水泥，强度等级为42.5级，具体化学成分分析见表 2.1，主要性能指标见表2.2。

表2.1 42.5级白色硅酸盐水泥化学成分（wt%）

表2.2 水泥主要性能指标

2.1.2集料

本文所使用集料为白色石英砂，由细砂过2.36mm筛，具体级配见表2.3。

表2.3 白色石英砂级配表

2.1.3掺合料

本文所使用掺合料为Ⅰ级粉煤灰，具体化学成分分析见表2.4。

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