噴射混凝土研究及應用現狀

趙會會 張松軍 徐向鵬

(1.河南理工大學資源環境學院，河南 焦作 454000; 2.河南大有能源股份有限公司躍進煤礦，河南 義馬 472399)

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噴射混凝土研究及應用現狀

趙會會1張松軍2徐向鵬2

(1.河南理工大學資源環境學院，河南 焦作 454000; 2.河南大有能源股份有限公司躍進煤礦，河南 義馬 472399)

介紹了噴射混凝土研究與應用現狀，結合煤礦安全、地質學知識和經濟效益等內容，從噴射混凝土外加劑、摻合料、噴漿工藝和噴漿機械四個方面進行了論述，提出用非金屬礦物替代傳統摻合料或外加劑的思路，對噴射混凝土技術的提升具有重要的現實意義。

噴射混凝土，摻合料，外加劑，非金屬礦物

在礦井支護、隧道、大壩等工程中，人工混凝土施工往往要克服施工高度或體能的障礙，施工難度劇增，并時刻面臨著安全風險。噴射混凝土是借助噴漿機將攪拌均勻的混凝土拌合物直接噴射至工作面的技術，憑借原料來源廣泛、施工便利、對施工現場適應性強、施工速度快等優良性能得到了廣泛的應用。但噴射混凝土存在回彈率高、粉塵大、強度低等缺陷。因此，研制出性能優良的噴射混凝土對提高支護工程強度、保護施工人員身體健康和減少浪費具有重要意義。

1 噴射混凝土原料

1.1 基礎原料

噴射混凝土基礎原料為水泥、細骨料和粗骨料。常用水泥包括普通硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥以其成分穩定，凝結時間短、強度高成為噴射混凝土的首選。細骨料選用普通細砂或中粒砂，砂中的粉塵和泥粒是影響噴射混凝土性能的主要因素之一。粗骨料選用一種被稱作米石的人工石子。

1.2 外加劑

澆筑混凝土常用外加劑有減水劑、引氣劑、流平劑、速凝劑等。但是，干法噴射混凝土基本上只用速凝劑，濕法噴射混凝土使用減水劑和速凝劑兩種外加劑，所以，下文只介紹速凝劑和減水劑。1)速凝劑。速凝劑是混凝土噴射工藝實現的必備技術。在工程實踐中，干法噴漿多用粉狀速凝劑，濕法噴漿多用液體速凝劑。國內粉狀速凝劑按主要成分大致可分為三類：鋁氧熟料加碳酸鹽系、鋁氧熟料加明礬石系、非堿性粉末狀速凝劑。新型復合速凝劑集中傳統粉狀速凝劑優勢，改進不足，成為粉狀速凝劑發展的主要方向。液體速凝劑朝著低堿或無堿、復合型的方向發展。隨著大量性能好、性價比高的無堿液體速凝劑的成功研發和應用，濕法噴漿將取代干法噴漿在煤礦巷道支護上的應用。液體速凝劑的缺點是速凝效果差，氣味大，價格貴，所以，最近幾年來，有人給濕法噴漿機增加了速凝劑添加系統，使得干粉速凝劑可以應用于濕法噴漿，大大地提高了速凝效果，降低了成本，減少了噴射現場的氣味，具有很好的推廣價值。2)減水劑。國內減水劑按性能和時間可大致分為三個世代：第一代以木質素磺酸鹽減水劑為代表，第二代以萘系減水劑為代表，第三代減水劑是聚羧酸鹽減水劑。聚羧酸鹽減水劑以其無毒、摻量低、減水率高、坍落度保持好等優點，成為日前減水劑研究的熱點，發展迅猛。張艷飛等大膽嘗試，用甲基丙烯酸接枝共聚改性淀粉制備混凝土減水劑，成為減水劑研究的新方向。

1.3 摻合料

混凝土常用摻合料有硅灰、粉煤灰、磨細礦渣和磨細天然沸石。在噴射混凝土中主要使用硅灰和磨細天然沸石，其他摻合料很少在噴射混凝土中使用。1)硅灰。硅灰在普通混凝土中得到了廣泛應用，可以提高混凝土抗滲性、抗硫酸鹽侵蝕性、抗凍融性，并能提高混凝土的抗堿—集料反應能力。但是，硅灰顆粒細小，進入人的呼吸道，有引起矽肺病的風險，所以，在揚塵嚴重的噴射混凝土施工中只是部分地使用。2)磨細天然沸石。天然沸石活性很低，當沸石礦磨細至比表面積500 m2/kg時，潛在活性被激活。由于粉磨過細，增大了混凝土的需水量，影響顆粒級配，也影響混凝土的力學性能。但是，細小顆粒增加了磨細沸石的粘結性，在提高噴射混凝土強度的同時，還可以降低噴射混凝土的噴射回彈率，所以，磨細沸石在山西煤炭行業得到了廣泛應用。

2 噴漿機械和施工工藝

噴射混凝土的施工工藝分為干噴、潮噴和濕噴三種，但是，潮噴和干噴差別不大，往往看作一種。干噴工藝簡單(見圖1)，施工成本低，不易堵管，輸送距離長，物料混合均勻，被廣泛使用。主要缺點是回彈率高(30%左右)、粉塵大，質量穩定性差。

濕噴可以降低5%左右的噴射回彈率，粉塵可以降低10 mg/L左右，濕噴工藝見圖2。現行濕法噴漿的主要不足是設備體積大，噴漿效率低，液體速凝劑價格貴、氣味大，經常堵管。

3 噴射混凝土新技術

1)偏高嶺土。偏高嶺土是高嶺土在650 ℃～800 ℃煅燒后的產物。偏高嶺土與水泥的水化產物Ca(OH)2反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，提高了混凝土強度，降低了水化體系的堿度。我們與焦作市煜坤礦業公司合作，把偏高嶺土和其他水泥外加劑復配，生產的MK系列高效增強劑可以使噴射混凝土的標號達到C40，噴射回彈率降低10%，極大地提高了噴射混凝土的綜合性能，是一個值得堅持的新的研究方向。偏高嶺土與硅灰相比，主要優勢是顯著降低噴射回彈率，對人體安全(不會引起矽肺病)；偏高嶺土與磨細沸石相比，主要優勢是價格便宜。2)片柱狀礦物。云母的單晶體為片狀，硅灰石的單晶體為針狀，借助長軸優勢，其作用機理與鋼纖維類似；云母和硅灰石的硬度低，安全性能上優于鋼纖維；云母和硅灰石不易受氯離子侵蝕；云母和硅灰石在長期的地質作用下聚集成礦，具有先天的價格優勢，鋼纖維價格昂貴，每噸在4 000元～10 000元。因此，用云母或硅灰石替代鋼纖維在噴射混凝土抗折強度方面的應用，合理、易操作。3)軟質粘土巖中高嶺石的平均含量達到70%，顆粒小，含有大量的有機物，因此具有很強的粘結力，可顯著提高坯體的干坯強度。因此，用軟質粘土巖替代化學粘結劑，既提高了性能，又經濟環保。4)新型濕噴機的研究與應用。新型轉子式混凝土濕噴機主要由送料裝置、噴射機系統、速凝劑添加裝置和行走機構等部分組成。通過協調螺旋軸的轉速、螺旋葉片的直徑、螺距、螺旋軸的直徑、傾斜角度等參數以實現送料裝置輸送能力和噴漿機工作能力的匹配。設置速凝劑添加裝置，使得干粉速凝劑可以應用于濕法噴漿，具有很好的推廣價值。

4 結語

噴射混凝土施工過程中存在速凝劑腐蝕性大、摻合料價格昂貴或性能不佳、噴漿機械效率不高等諸多問題，嚴重制約著噴射混凝土技術的發展。本文從地質學角度出發，用高火山灰活性的偏高嶺土替代硅灰或磨細沸石，用異型礦物替代價格昂貴的人造纖維，用軟質粘土巖替代化學粘結劑，對噴射混凝土技術的提升具有重要的現實意義。

[1]吳文豐,齊家根,王麗娟,等.粉狀速凝劑在噴射混凝土中的應用與研發趨勢.中州煤炭,2011(12):36-38.

[2]張艷飛.甲基丙烯酸接枝淀粉共聚物用作減水劑的研究.中小企業管理與科技(上旬刊),2015(3):324-325.

[3]明 陽,陳 平,李 玲,等.礦渣、沸石粉復合摻合料在混凝土中的試驗研究.混凝土與水泥制品,2011(12):10-14.

[4]馬井雨.新型無堿無氯液體速凝劑的制備及其性能研究.濟南：濟南大學,2013.

[5]王然然.轉子式混凝土濕噴機送料裝置的設計與研究.徐州：中國礦業大學,2014.

The research and application situation of spray concrete

Zhao Huihui1Zhang Songjun2Xu Xiangpeng2

(1.ResourcesandEnvironmentInstitute,HenanUniversityofTechnology,Jiaozuo454000,China;2.YuejinCoalMine,HenanDayouEnergyCo.,Ltd,Yima472399,China)

This paper introduced the research and application situation of spray concrete, combining with the coal mine safety, geological knowledge and economic benefit and other contents, from the spray concrete additive, admixture, spraying technology and spraying machine four aspects made discussion, put forward the ideas using nonmetal mineral substitution of traditional admixture or additive, had important practical significance for the enhancement of spray concrete technology.

spray concrete, admixture, additive, nonmetal mineral

1009-6825(2015)18-0120-02

2015-04-15

趙會會(1989- )，女，在讀碩士； 張松軍(1963- )，男，工程師； 徐向鵬(1987- )，男，助理工程師

TU528

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