噴射混凝土發(fā)展概況及其應(yīng)用技術(shù)研究

劉盛智 李 軍 路 為 武金博

(1.湖北省保宜高速公路建設(shè)指揮部，湖北遠(yuǎn)安 444200;2.湖北省交通運(yùn)輸廳重點(diǎn)工程辦公室，湖北武漢 430000;3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088;4.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南 250063;5.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430000)

1 概述

噴射混凝土主要用于圍巖的加固和保護(hù)，是新奧法施工初期支護(hù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。主要通過噴射裝置，在壓縮空氣或高壓泵的動(dòng)力下，將一定量的水泥、粗細(xì)骨料、外加劑等噴射至支護(hù)表面。在短短的幾分鐘內(nèi)混凝土凝結(jié)硬化，產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，從而形成混凝土結(jié)構(gòu)，起到閉合與支護(hù)的作用。噴射混凝土技術(shù)主要應(yīng)用于隧道、礦建井巷、邊坡、大壩等巖土與地下工程中。

噴射混凝土技術(shù)的應(yīng)用已有100年的歷史，最早的是在1914年美國進(jìn)行的噴射水泥砂漿施工。早期的噴射應(yīng)用很不成熟，在20世紀(jì)40年代，噴射機(jī)具才能噴射粗骨料，但由于混凝土凝結(jié)硬化比較慢，噴射厚度很薄，且對于頂墻的混凝土無法粘結(jié)。40年代后期相繼研發(fā)了速凝劑這種外加劑，它能使水泥快速凝結(jié)硬化，這樣就大大提高了噴射厚度，減少了噴射回彈和混凝土的早期強(qiáng)度。

我國在20世紀(jì)60年代末期，隨著新奧法施工技術(shù)的引進(jìn)，開始使用噴射混凝土技術(shù)，在使用過程中，制定了一系列相關(guān)的規(guī)范與操作施工指南。對于噴射混凝土的外加劑也于同一時(shí)期進(jìn)行成功研制，如最早的紅星Ⅰ型、711型和782型等速凝劑，這些為粉狀速凝劑，摻量一般為水泥質(zhì)量的4%～6%，水泥凈漿初凝時(shí)間一般為4 min，終凝時(shí)間在7 min左右。目前，我國強(qiáng)制推行濕噴技術(shù)。干噴混凝土對環(huán)境污染嚴(yán)重，損害施工人員身體，回彈量和粉塵量大，造成大量浪費(fèi)。

目前，噴射混凝土應(yīng)用范圍越來越廣，如圍巖支護(hù)、邊坡支護(hù)、大型建筑物的薄殼建造、建筑物修復(fù)、深基坑支護(hù)和結(jié)構(gòu)加固、搶修等工程。隨著噴射機(jī)械的改進(jìn)，新材料、新工藝的應(yīng)用，噴射混凝土朝著高效率，無污染，高支護(hù)強(qiáng)度方向發(fā)展，更好的應(yīng)用于施工現(xiàn)場［1-8］。

2 噴射混凝土用材料及性能

噴射混凝土用材料主要包括水泥、骨料和速凝劑，混凝土的性能有強(qiáng)度、變形、耐久性等。

2.1 水泥

水泥一般采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥中不要摻加粉煤灰或爐渣，否則會(huì)影響速凝劑的性能。對于特殊環(huán)境下的施工現(xiàn)場，按需求選擇水泥，如現(xiàn)場溫度較高，要使用高鋁水泥?，F(xiàn)場有地下水，且地下水中含有硫酸鹽時(shí)，要使用抗硫酸鹽水泥。根據(jù)現(xiàn)場要求選擇合適的水泥，保證施工順利進(jìn)行。水泥應(yīng)注意密封保存避免其風(fēng)化變質(zhì)，若用風(fēng)化水泥，即使添加速凝劑也會(huì)無效，其凝結(jié)時(shí)間和噴混凝土強(qiáng)度會(huì)受到顯著影響，使品質(zhì)下降。

2.2 骨料

噴混凝土使用的骨料應(yīng)與普通混凝土相同，必須清潔、堅(jiān)硬、級配良好，不含細(xì)長石片、灰塵、泥粉、有機(jī)物等。噴射混凝土用骨料的技術(shù)要求見表1。

表1 噴混凝土用骨料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

砂:宜采用中粗砂，顆粒級配良好，細(xì)度模數(shù)在2.5以上，含泥量少，含水量少。

石子:一般采用卵石或碎石，顆粒粒徑為5 mm～10 mm，粒徑太大，容易堵塞噴射料管，且易造成回彈。通常以卵石最好，減少對噴射機(jī)和料管的磨損。盡量避免使用含有活性二氧化硅的石子，以免與速凝劑發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

2.3 速凝劑

速凝劑的作用主要是為了使混凝土快速凝結(jié)，這樣在噴射過程中，能使混凝土達(dá)到一定的厚度，尤其在噴射圍巖拱頂時(shí)，如果混凝土凝結(jié)時(shí)間太長，會(huì)出現(xiàn)坍落，或根本無法施工。加入速凝劑后，混凝土在10 min之內(nèi)凝結(jié)，增加與圍巖的粘結(jié)力。速凝劑同樣能提高早期強(qiáng)度，一天的強(qiáng)度能達(dá)到10 MPa以上，對圍巖支護(hù)起到一定的作用。

速凝劑的反應(yīng)機(jī)理通常認(rèn)為，摻入速凝劑后，水泥中的石膏被消耗掉，生成一種凝膠物質(zhì)，或形成鈣礬石。水泥中的石膏在水泥水化中起到緩凝作用，消耗后，能促進(jìn)水泥中四種成分的快速水化［9，10］。因此，能使水泥快速凝結(jié)硬化，普通水泥達(dá)到終凝需要6 h，而加入速凝劑后，終凝時(shí)間縮短為6 min～10 min，可見速凝劑的作用之大。

速凝劑按形態(tài)可分為液態(tài)速凝劑和粉狀速凝劑，液態(tài)速凝劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。常見的液態(tài)無機(jī)速凝劑有水玻璃系速凝劑，如，硅酸鈉，鋁酸鹽系(如，鋁酸鈉、鋁酸鉀);粉狀速凝劑包括傳統(tǒng)的速凝劑，如粉狀鋁酸鈉、碳酸鈉等，水泥速凝劑、瞬間凝結(jié)水泥、酸性速凝劑。噴混凝土用速凝劑的種類見表2。我國國家規(guī)范規(guī)定速凝劑要滿足設(shè)計(jì)要求，使用前應(yīng)先做與水泥的適應(yīng)性試驗(yàn)，合格品的初凝時(shí)間在5 min以內(nèi)，終凝時(shí)間在10 min以內(nèi)，后期強(qiáng)度保留率在70%以上，摻量一般在4%～8%之間，粉狀速凝劑的摻量要求在4%～6%，無堿液態(tài)速凝劑的摻量相對較高，一般為6%～8%。速凝劑不能使水泥出現(xiàn)急凝，摻量過大對后期強(qiáng)度損失較嚴(yán)重。

表2 噴混凝土用速凝劑分類

2.4 噴射混凝土性能

混凝土的性能主要包括強(qiáng)度、變形以及耐久性。

1)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度。噴混凝土強(qiáng)度等級或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度因功能、斷面形狀等結(jié)構(gòu)條件、荷載條件等而異，一般多用抗壓強(qiáng)度劃分其等級并同時(shí)給出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度。由于現(xiàn)在噴混凝土不僅是初期支護(hù)的一個(gè)重要構(gòu)件，也是永久支護(hù)的一個(gè)重要組成部分。因此在許多國家都規(guī)定噴混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，采用與襯砌混凝土同等的強(qiáng)度。

噴混凝土設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度需滿足以下公式:

其中，fck為噴混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度;fcp為噴混凝土的抗壓強(qiáng)度，一般通過實(shí)驗(yàn)求出;γp為有關(guān)fcp精度的安全系數(shù)，一般為1.0～1.3。

2)噴射混凝土變形。噴射混凝土的變形主要有蠕變變形和收縮變形，噴射混凝土在硬化過程中常伴隨著體積的變化，在濕度不足的介質(zhì)中硬化時(shí)產(chǎn)生的體積縮小，被稱為收縮變形。蠕變和收縮隨著齡期、溫度、時(shí)間變化。如果在水中或潮濕的環(huán)境中，這種狀況會(huì)減少，甚至?xí)霈F(xiàn)體積的增大。由于速凝劑的加入，水泥水化加快，在后期混凝土?xí)l(fā)生干縮現(xiàn)象。影響噴射混凝土收縮的主要因素是速凝劑和養(yǎng)護(hù)條件。

3)耐久性。目前，對混凝土的要求不再一味的強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度，而是高耐久性的混凝土，即使用壽命要長，能抵抗各種侵蝕，冷熱交替破壞，高抗?jié)B性等。高抗?jié)B性主要取決于孔隙率低和孔隙結(jié)構(gòu)密實(shí)，噴射混凝土中水泥用量相對要高，砂率高，水灰比小，或者摻加一些礦物材料，增加密實(shí)度等。噴射混凝土在施工過程中，會(huì)帶有一定量的空氣，空氣含量一般在2.5%～3.5%，因此在噴射混凝土中就形成了氣泡，氣泡的存在能增強(qiáng)混凝土的抗凍性。相反，若采用軟弱、易吸水的骨料，或者在噴射過程中混入回彈料，養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)榷紩?huì)降低噴射混凝土的抗凍性。

3 噴射混凝土施工工藝

噴射混凝土主要分為兩種施工工藝，干噴混凝土和濕噴混凝土，目前有些隧道使用潮噴混凝土，即在干拌料中加入少量水，為了降低粉塵，仍可歸為干噴。

3.1 干噴混凝土

干噴混凝土是將水泥、砂子、石子和除水外的其他所有外加材料按合理的配合比攪拌均勻后，利用干噴機(jī)，通過空壓機(jī)提供的風(fēng)壓(一般在0.2 MPa～0.4 MPa)將混凝土干拌料噴射至受噴面，同時(shí)在噴嘴處加入一定量的水。干噴混凝土的水量多由噴射手控制，因此水灰比控制的不精確，對混凝土性能產(chǎn)生較大的影響，干噴工藝流程如圖1所示。

干噴混凝土的主要特點(diǎn):1)設(shè)備簡單，操作靈活方便，裝備成本低;2)輸送距離長，水平距離可達(dá)300 m，垂直距離可達(dá)180 m，所需能源動(dòng)力少，利用空壓機(jī)壓送;3)可及時(shí)調(diào)整水灰比和粉狀速凝劑摻量，以適應(yīng)潮濕，含水地層施工的要求;4)水灰比不易控制，造成混凝土品質(zhì)離散性較大;5)干噴使用粉狀速凝劑，造成粉塵量和回彈量較大，惡化工作環(huán)境，增大施工成本。

圖1 干噴流程圖

3.2 濕噴混凝土

濕噴混凝土將一定配合比的砂子、水泥、石子和水?dāng)嚢璩蓾癜杌炷粒哂幸欢ǖ奶涠群土鲃?dòng)性，然后通過泵送或風(fēng)送經(jīng)由濕噴機(jī)熟料管運(yùn)送到噴嘴處，在噴嘴處添加液態(tài)速凝劑，噴射至圍巖工作面上。與干噴混凝土的區(qū)別主要是:干噴添加粉狀速凝劑，在噴嘴處加水;濕噴在拌合料中加水，在噴嘴處添加液態(tài)速凝劑。濕噴工藝流程如圖2所示。

圖2 濕噴流程圖

濕噴混凝土的主要特點(diǎn):1)施工效率高，在某些情況下能達(dá)到25 m3/h;2)回彈量低，濕噴混凝土的回彈量能控制在10%以內(nèi)，粉塵濃度低，能很好的改善施工環(huán)境;3)由于減輕了對噴射手技術(shù)的依賴，噴射混凝土的勻質(zhì)性好。

3.3 存在的問題

目前，國內(nèi)一些工程仍大量采用干噴工藝，因其造價(jià)低，簡單易操作。但在噴射施工中，干噴混凝土回彈和粉塵量很大，施工環(huán)境惡劣，同時(shí)造成混凝土的大量損失。粉狀速凝劑在使用中，添加不均勻，且摻量較大，對混凝土后期強(qiáng)度損失影響較大，很容易造成噴射混凝土開裂，給工程帶來安全隱患。

濕噴混凝土操作工藝復(fù)雜，要求混凝土配比精確，清洗不方便，成本較高，且設(shè)備較大，在現(xiàn)場不好操作。由于種種原因，未能大面積推廣。在此基礎(chǔ)上，提出一種新的工藝，能有效改善以上缺陷，在干噴的基礎(chǔ)上添加液態(tài)速凝劑，從而達(dá)到濕噴的效果。

4 結(jié)語

1)噴射混凝土技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，在現(xiàn)代土木工程施工中發(fā)揮著重要的作用，尤其是隧道施工中，噴射混凝土支護(hù)已成為一項(xiàng)必備支護(hù)措施，作為土木工程人員，我們有必要熟練掌握噴射混凝土技術(shù)。

2)影響噴射混凝土性能的因素很多，水泥品質(zhì)、骨料的級配比，速凝劑的品質(zhì)和添加量、噴射混凝土的配合比設(shè)計(jì)，噴射機(jī)械以及施噴人員的素質(zhì)都會(huì)對噴射混凝土的性能造成影響，改進(jìn)混凝土的性能，物料的選擇、最佳配合比設(shè)計(jì)、改進(jìn)噴射機(jī)械、加入鋼纖維、選擇高品質(zhì)速凝劑、提高管理水平都能提高噴混凝土的性能。

3)噴射混凝土正在向高強(qiáng)、高耐久性發(fā)展，對外加劑品質(zhì)、合理級配等要求越來越高。因此研究新型外加劑、混凝土配合比對噴射混凝土有重大的意義。

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