噴射混凝土發展概況及其應用技術研究

劉盛智 李 軍 路 為 武金博

(1.湖北省保宜高速公路建設指揮部，湖北遠安 444200;2.湖北省交通運輸廳重點工程辦公室，湖北武漢 430000;3.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088;4.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東濟南 250063;5.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，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，是新奧法施工初期支護的一個重要環節。主要通過噴射裝置，在壓縮空氣或高壓泵的動力下，將一定量的水泥、粗細骨料、外加劑等噴射至支護表面。在短短的幾分鐘內混凝土凝結硬化，產生一定的強度，從而形成混凝土結構，起到閉合與支護的作用。噴射混凝土技術主要應用于隧道、礦建井巷、邊坡、大壩等巖土與地下工程中。

噴射混凝土技術的應用已有100年的歷史，最早的是在1914年美國進行的噴射水泥砂漿施工。早期的噴射應用很不成熟，在20世紀40年代，噴射機具才能噴射粗骨料，但由于混凝土凝結硬化比較慢，噴射厚度很薄，且對于頂墻的混凝土無法粘結。40年代后期相繼研發了速凝劑這種外加劑，它能使水泥快速凝結硬化，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度。

我國在20世紀60年代末期，隨著新奧法施工技術的引進，開始使用噴射混凝土技術，在使用過程中，制定了一系列相關的規范與操作施工指南。對于噴射混凝土的外加劑也于同一時期進行成功研制，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，摻量一般為水泥質量的4%～6%，水泥凈漿初凝時間一般為4 min，終凝時間在7 min左右。目前，我國強制推行濕噴技術。干噴混凝土對環境污染嚴重，損害施工人員身體，回彈量和粉塵量大，造成大量浪費。

目前，噴射混凝土應用范圍越來越廣，如圍巖支護、邊坡支護、大型建筑物的薄殼建造、建筑物修復、深基坑支護和結構加固、搶修等工程。隨著噴射機械的改進，新材料、新工藝的應用，噴射混凝土朝著高效率，無污染，高支護強度方向發展，更好的應用于施工現場［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，否則會影響速凝劑的性能。對于特殊環境下的施工現場，按需求選擇水泥，如現場溫度較高，要使用高鋁水泥。現場有地下水，且地下水中含有硫酸鹽時，要使用抗硫酸鹽水泥。根據現場要求選擇合適的水泥，保證施工順利進行。水泥應注意密封保存避免其風化變質，若用風化水泥，即使添加速凝劑也會無效，其凝結時間和噴混凝土強度會受到顯著影響，使品質下降。

2.2 骨料

噴混凝土使用的骨料應與普通混凝土相同，必須清潔、堅硬、級配良好，不含細長石片、灰塵、泥粉、有機物等。噴射混凝土用骨料的技術要求見表1。

表1 噴混凝土用骨料的技術標準

砂:宜采用中粗砂，顆粒級配良好，細度模數在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，以免與速凝劑發生堿骨料反應。

2.3 速凝劑

速凝劑的作用主要是為了使混凝土快速凝結，這樣在噴射過程中，能使混凝土達到一定的厚度，尤其在噴射圍巖拱頂時，如果混凝土凝結時間太長，會出現坍落，或根本無法施工。加入速凝劑后，混凝土在10 min之內凝結，增加與圍巖的粘結力。速凝劑同樣能提高早期強度，一天的強度能達到10 MPa以上，對圍巖支護起到一定的作用。

速凝劑的反應機理通常認為，摻入速凝劑后，水泥中的石膏被消耗掉，生成一種凝膠物質，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，能促進水泥中四種成分的快速水化［9，10］。因此，能使水泥快速凝結硬化，普通水泥達到終凝需要6 h，而加入速凝劑后，終凝時間縮短為6 min～10 min，可見速凝劑的作用之大。

速凝劑按形態可分為液態速凝劑和粉狀速凝劑，液態速凝劑分為有機和無機兩大類。常見的液態無機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的速凝劑，如粉狀鋁酸鈉、碳酸鈉等，水泥速凝劑、瞬間凝結水泥、酸性速凝劑。噴混凝土用速凝劑的種類見表2。我國國家規范規定速凝劑要滿足設計要求，使用前應先做與水泥的適應性試驗，合格品的初凝時間在5 min以內，終凝時間在10 min以內，后期強度保留率在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急凝，摻量過大對后期強度損失較嚴重。

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度、變形以及耐久性。

1)設計基準強度。噴混凝土強度等級或設計基準強度因功能、斷面形狀等結構條件、荷載條件等而異，一般多用抗壓強度劃分其等級并同時給出設計基準強度。由于現在噴混凝土不僅是初期支護的一個重要構件，也是永久支護的一個重要組成部分。因此在許多國家都規定噴混凝土的設計強度，采用與襯砌混凝土同等的強度。

噴混凝土設計基準強度需滿足以下公式:

其中，fck為噴混凝土的設計強度;fcp為噴混凝土的抗壓強度，一般通過實驗求出;γp為有關fcp精度的安全系數，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，在濕度不足的介質中硬化時產生的體積縮小，被稱為收縮變形。蠕變和收縮隨著齡期、溫度、時間變化。如果在水中或潮濕的環境中，這種狀況會減少，甚至會出現體積的增大。由于速凝劑的加入，水泥水化加快，在后期混凝土會發生干縮現象。影響噴射混凝土收縮的主要因素是速凝劑和養護條件。

3)耐久性。目前，對混凝土的要求不再一味的強調高強度，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，高抗滲性等。高抗滲性主要取決于孔隙率低和孔隙結構密實，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，增加密實度等。噴射混凝土在施工過程中，會帶有一定量的空氣，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，養護不當等都會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，通過空壓機提供的風壓(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:1)設備簡單，操作靈活方便，裝備成本低;2)輸送距離長，水平距離可達300 m，垂直距離可達180 m，所需能源動力少，利用空壓機壓送;3)可及時調整水灰比和粉狀速凝劑摻量，以適應潮濕，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、石子和水攪拌成濕拌混凝土，具有一定的坍落度和流動性，然后通過泵送或風送經由濕噴機熟料管運送到噴嘴處，在噴嘴處添加液態速凝劑，噴射至圍巖工作面上。與干噴混凝土的區別主要是: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:1)施工效率高，在某些情況下能達到25 m3/h;2)回彈量低，濕噴混凝土的回彈量能控制在10%以內，粉塵濃度低，能很好的改善施工環境;3)由于減輕了對噴射手技術的依賴，噴射混凝土的勻質性好。

3.3 存在的問題

目前，國內一些工程仍大量采用干噴工藝，因其造價低，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，施工環境惡劣，同時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雜，要求混凝土配比精確，清洗不方便，成本較高，且設備較大，在現場不好操作。由于種種原因，未能大面積推廣。在此基礎上，提出一種新的工藝，能有效改善以上缺陷，在干噴的基礎上添加液態速凝劑，從而達到濕噴的效果。

4 結語

1)噴射混凝土技術應用非常廣泛，在現代土木工程施工中發揮著重要的作用，尤其是隧道施工中，噴射混凝土支護已成為一項必備支護措施，作為土木工程人員，我們有必要熟練掌握噴射混凝土技術。

2)影響噴射混凝土性能的因素很多，水泥品質、骨料的級配比，速凝劑的品質和添加量、噴射混凝土的配合比設計，噴射機械以及施噴人員的素質都會對噴射混凝土的性能造成影響，改進混凝土的性能，物料的選擇、最佳配合比設計、改進噴射機械、加入鋼纖維、選擇高品質速凝劑、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、高耐久性發展，對外加劑品質、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。

［1］關寶樹.隧道及地下工程噴混凝土支護技術［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］程良奎.噴射混凝土［M］.北京:中國建筑工業出版社，1990.

［3］張向東，張樹光，李永靖.噴射混凝土技術的發展與應用［J］.煤炭科學技術，2000，10(1):19-21.

［4］朱廣兵.噴射混凝土研究進展［J］.混凝土，2011(4):105-109.

［5］劉福戰，張增江，李 諾.噴射混凝土技術性能研究［J］.商品混凝土，2009(9):46-48.

［6］JC 477-2005，噴射混凝土用速凝劑［S］.

［7］王國華，王福龍.高性能噴射混凝土施工工藝改進［J］.河南工程學院學報(自然科學版)，2010，22(1):22-24.

［8］謝興保.現代噴射混凝土技術原理及特性分析［J］.武漢水利電力大學學報，1994，27(6):658-665.

［9］趙 蘇，郭興華，夏義兵，等.鋁酸鈉液體速凝劑性能及作用機理［J］.沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2009，25(6):1125-1130.

［10］張 勇.鋁酸鹽液體速凝劑的研究［D］.西安:西安建筑科技大學碩士學位論文，2005.