噴射混凝土在氣膜薄殼儲煤倉中的應(yīng)用

王育德，張珍雷，韓顯濤

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.中煤建安集團技術(shù)研發(fā)中心，河北 邯鄲 057150)

噴射混凝土(shotcrete)是借助噴射機械，利用壓縮空氣及其他動能，將一定比例配合的水泥、砂、石子及外加劑等拌合，通過管道輸送并以高速噴射到受噴面上凝結(jié)硬化而成的一種混凝土。噴射混凝土主要用于地下工程、巖土工程、加固工程及防護工程等領(lǐng)域[1]。具有技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、施工簡單、安全性能完善的特點[2]。

1910年紐約水泥展會上Carl E.Akely展示了他發(fā)明的噴槍及噴射混凝土材料，其主要噴射砂漿進行鋼結(jié)構(gòu)的裝飾和防腐，在接下來的20年里，噴射混凝土的材料，化學(xué)外加劑，設(shè)備和技術(shù)取得了重大進步和發(fā)展[3]。

對于環(huán)境要求越來越高的今天，以氣膜薄殼結(jié)構(gòu)為代表的封閉儲倉具有安全系數(shù)高、儲量大、對環(huán)境影響小的優(yōu)點[4]，成為煤炭等礦物存儲的不二之選。傳統(tǒng)鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)施工難度大、周期長[5]，而噴射混凝土用于氣膜儲煤倉具有施工速度快、操作方面、耐久性好的優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)薄殼結(jié)構(gòu)施工復(fù)雜的缺點。結(jié)合工程實際情況，本文針對噴射混凝土在氣膜薄殼儲煤倉中的應(yīng)用作以介紹。

1 工程概況

江蘇徐州大屯1#、2#熱電圓形儲煤倉為中煤建安集團引進美國專利承建的氣膜鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)。該氣膜薄殼儲煤倉直徑71.3m，高度39.15m。單倉儲煤量3.5萬t。1#、2#圓形煤場聚酯纖維PVC膜材自2017年3月5日進場 ，歷時8個月主體完工。因其有別于傳統(tǒng)的施工工藝，決定了其施工的特殊性，為煤炭及礦物存儲的革新。江蘇大屯1#、2#熱電圓形儲煤倉如圖1所示。

圖1 江蘇大屯1#、2#熱電圓形儲煤倉

2 施工工藝

噴射混凝土的施工工藝有干噴法、濕噴法、水泥裹砂法、雙裹并列法等[6]，綜合比較以上施工工藝選用濕噴法，其優(yōu)越性為：①粉塵濃度低、回彈率低，施工環(huán)境較好；②原材料拌合均勻，配合比容易控制：③噴射效率高。

其施工工藝流程如圖2所示。

圖2 濕噴混凝土施工工藝流程圖

2.1 施工準備

1)主要材料用量及配合比。借鑒美國ACI噴射混凝土配合比設(shè)計方法和國內(nèi)常用配合比設(shè)計方法[7]得到噴射混凝土主要原材料用量及配合比，見表1。

表1 噴射混凝土配合比

2)施工機具?；炷翑嚢铏C(JS500)、空壓機(15～20m3/h)、儲氣罐、噴槍、泵管、配料機、混凝土輸送泵、輪式汽車起重機等。

2.2 工藝流程

2.2.1 噴射前檢查

噴射混凝土前需要進行隱蔽工程驗收、氣膜內(nèi)氣壓、水、電管線及施工機械設(shè)備檢查。

2.2.2 混凝土拌制

混凝土拌合應(yīng)均勻，攪拌最短時間不宜小于120s。嚴格按照配合比拌合，并滿足施工要求[8]。引氣劑對改善噴射混凝土的泵送性能和耐久性是必不可少的，開始拌合時會出較小的氣泡但在噴射過程中這些氣泡會消失，故在拌合過程中含氣量要高于配合比中的含氣量，以彌補噴射過程中的損失[9]，并且較高空氣含量使得混凝土在泵管中具有較好的輸送能力[10]。

2.2.3 混凝土噴射

噴槍及泵管充分潤濕后方可進行混凝土噴射，噴射時要確?？諝鈮嚎s機能提供足夠的動力，因為噴射混凝土的高速氣動固結(jié)對其耐久性具有積極的作用[11]。為了在整個施工過程中保持厚度的準確性及受力均衡，應(yīng)始終盡可能均勻、分層噴射混凝土。具體施工過程如下：

1)第一層：該層噴在氣膜儲煤倉的底部。首先，在氣膜倉整個圓周底部噴射一層厚厚的錐形層，高度約為0.3m。這樣減小了倉體底部混凝土反彈率。然后從底部噴到約1.8m，從1.8m到頂部的三分之一處，噴射0.01m厚的薄層，頂部的三分之一覆蓋0.005～0.01m混凝土層。

2)第二層：第二層通常在第一層完成24h后噴射。從底部開始，到大約2.5m處噴射0.025m厚，從2.5m到頂部噴射0.01m厚。

3)第三層：如果溫度較高，混凝土硬化較快，則第三層可以在第二層完成后進行。第三層是第二層的重復(fù)操作，但倉體的重量和厚度增加了。

4)第四層：第四層是第三層的重復(fù)，此時應(yīng)該特別注意隨時進行混凝土厚度的測量。

5)最終層：最后一層應(yīng)該比較薄，以便使倉體內(nèi)部表面光滑。在噴涂最后一層之前，先進行深度檢查。如果此時沒有達到設(shè)計的足夠厚度，則根據(jù)需要噴涂附加層。

要控制好混凝土噴射的速度，噴槍應(yīng)與受噴面有適當?shù)慕嵌群途嚯x，一般距離0.8～1.0m成90°夾角，自下而上、分層進行噴射，噴射宜采用“S”形軌跡，螺旋形移動[12]?；炷羾娚渫戤吅笠皶r清理噴嘴和泵管。

2.2.4 養(yǎng)護

由于噴射混凝土是在氣膜內(nèi)部聚氨酯保溫層噴射完成后進行的，聚氨酯的噴射一方面減少了殼體的溫度梯度，避免了溫度急劇下降造成殼體坍塌；另一方面為混凝土養(yǎng)護提供良好的絕緣材料，使得薄殼結(jié)構(gòu)具有更好的保溫性，故混凝土可采用自然養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度不得低于5°，必要時進行灑水，養(yǎng)護時間不得少于14d。

2.3 注意事項

頂部混凝土由于噴射角度大，為避免脫落和墜落要分層分塊噴射，一次噴射厚度以不墜落和滑脫為宜，噴射至設(shè)計厚度?；炷羾娚鋾r嚴禁垂直于鋼筋噴射，避免噴射完后出現(xiàn)蜂窩或砂囊影響噴射混凝土質(zhì)量。噴射混凝土噴嘴角度和混凝土噴射軌跡如圖3所示(左圖為正確的噴射方法，右圖為錯誤的噴射方法)。

圖3 噴射混凝土噴嘴角度和混凝土噴射軌跡

此外特別注意對噴射混凝土厚度以及噴射后倉體的整體變形監(jiān)測。

3 噴射混凝土抗壓強度

Trujillo[13]研究發(fā)現(xiàn)由于噴射混凝土的高壓實度，噴射混凝土包裹的鋼筋滑動比那些用現(xiàn)澆混凝土包裹的鋼筋要少，與現(xiàn)澆混凝土相比，噴射過程產(chǎn)生的圍繞鋼筋的混合物的高度壓實使得被噴射混凝土包圍的鋼筋的滑移剛度得到增強，其抗壓強度也得到增強。Garcia[14]通過試驗發(fā)現(xiàn)盡管噴射混凝土與現(xiàn)澆混凝土相比材料具有奇異性，噴射混凝土和鋼筋之間的粘結(jié)強度和抗壓能力可以達到與傳統(tǒng)混凝土相同的數(shù)量級。

為保證噴射混凝土的質(zhì)量和工程質(zhì)量，在施工過程中對主體結(jié)構(gòu)進行取樣并進行抗壓強度試驗。由于氣膜薄殼結(jié)構(gòu)施工工藝有別于其他混凝土結(jié)構(gòu)，所以除常規(guī)開盤鑒定外還應(yīng)對不同高度和不同結(jié)構(gòu)層的混凝土進行隨機取樣。

試驗參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標注》(GB/T 50081—2002)中規(guī)定進行。試件均為標準試件，其中開盤鑒定為標準養(yǎng)護1d、7d、28d，主體結(jié)構(gòu)混凝土試件為同條件養(yǎng)護；試件抗壓強度測定采用SB100-08數(shù)顯式液壓壓力試驗機，試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 開盤鑒定

圖5 主體結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強度

從圖4可以看出噴射混凝土1d、7d、28d的抗壓強度呈線性增長，前7d增長速度快，7～28d增長較為緩慢，7d抗壓強度最為明顯且達到了混凝土的抗壓設(shè)計強度；從圖5可以看出主體結(jié)構(gòu)不同高度不同結(jié)構(gòu)層噴射混凝土28d后抗壓強度變化較大，但都在32～49MPa之間，且噴射混凝土28d后抗壓強度平均值1#倉達到了42.5MPa，2#倉達到了38.4MPa，均滿足抗壓強度設(shè)計值的要求。

4 結(jié) 語

氣膜薄殼倉儲結(jié)構(gòu)中應(yīng)用噴射混凝土施工技術(shù)，在保證質(zhì)量的前提下取得了較好的經(jīng)濟和社會效益，與傳統(tǒng)儲倉相比，在倉體容積率增加30%的前提下，噴射混凝土封閉的施工現(xiàn)場大大減少了對周邊環(huán)境的影響，規(guī)避了傳統(tǒng)支模的繁瑣工序，用工量減少近70%，鋼筋用量減少45%，混凝土用量減少30%，節(jié)省了工期，對倉儲結(jié)構(gòu)革新具有重大意義。