喷射混凝土发展概况及其应用技术研究

刘盛智 李 军 路 为 武金博

(1.湖北省保宜高速公路建设指挥部，湖北远安 444200;2.湖北省交通运输厅重点工程办公室，湖北武汉 430000;3.交通运输部公路科学研究院，北京 100088;4.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250063;5.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430000)

1 概述

喷射混凝土主要用于围岩的加固和保护，是新奥法施工初期支护的一个重要环节。主要通过喷射装置，在压缩空气或高压泵的动力下，将一定量的水泥、粗细骨料、外加剂等喷射至支护表面。在短短的几分钟内混凝土凝结硬化，产生一定的强度，从而形成混凝土结构，起到闭合与支护的作用。喷射混凝土技术主要应用于隧道、矿建井巷、边坡、大坝等岩土与地下工程中。

喷射混凝土技术的应用已有100年的历史，最早的是在1914年美国进行的喷射水泥砂浆施工。早期的喷射应用很不成熟，在20世纪40年代，喷射机具才能喷射粗骨料，但由于混凝土凝结硬化比较慢，喷射厚度很薄，且对于顶墙的混凝土无法粘结。40年代后期相继研发了速凝剂这种外加剂，它能使水泥快速凝结硬化，这样就大大提高了喷射厚度，减少了喷射回弹和混凝土的早期强度。

我国在20世纪60年代末期，随着新奥法施工技术的引进，开始使用喷射混凝土技术，在使用过程中，制定了一系列相关的规范与操作施工指南。对于喷射混凝土的外加剂也于同一时期进行成功研制，如最早的红星Ⅰ型、711型和782型等速凝剂，这些为粉状速凝剂，掺量一般为水泥质量的4%～6%，水泥净浆初凝时间一般为4 min，终凝时间在7 min左右。目前，我国强制推行湿喷技术。干喷混凝土对环境污染严重，损害施工人员身体，回弹量和粉尘量大，造成大量浪费。

目前，喷射混凝土应用范围越来越广，如围岩支护、边坡支护、大型建筑物的薄壳建造、建筑物修复、深基坑支护和结构加固、抢修等工程。随着喷射机械的改进，新材料、新工艺的应用，喷射混凝土朝着高效率，无污染，高支护强度方向发展，更好的应用于施工现场［1-8］。

2 喷射混凝土用材料及性能

喷射混凝土用材料主要包括水泥、骨料和速凝剂，混凝土的性能有强度、变形、耐久性等。

2.1 水泥

水泥一般采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水泥中不要掺加粉煤灰或炉渣，否则会影响速凝剂的性能。对于特殊环境下的施工现场，按需求选择水泥，如现场温度较高，要使用高铝水泥。现场有地下水，且地下水中含有硫酸盐时，要使用抗硫酸盐水泥。根据现场要求选择合适的水泥，保证施工顺利进行。水泥应注意密封保存避免其风化变质，若用风化水泥，即使添加速凝剂也会无效，其凝结时间和喷混凝土强度会受到显著影响，使品质下降。

2.2 骨料

喷混凝土使用的骨料应与普通混凝土相同，必须清洁、坚硬、级配良好，不含细长石片、灰尘、泥粉、有机物等。喷射混凝土用骨料的技术要求见表1。

表1 喷混凝土用骨料的技术标准

砂:宜采用中粗砂，颗粒级配良好，细度模数在2.5以上，含泥量少，含水量少。

石子:一般采用卵石或碎石，颗粒粒径为5 mm～10 mm，粒径太大，容易堵塞喷射料管，且易造成回弹。通常以卵石最好，减少对喷射机和料管的磨损。尽量避免使用含有活性二氧化硅的石子，以免与速凝剂发生碱骨料反应。

2.3 速凝剂

速凝剂的作用主要是为了使混凝土快速凝结，这样在喷射过程中，能使混凝土达到一定的厚度，尤其在喷射围岩拱顶时，如果混凝土凝结时间太长，会出现坍落，或根本无法施工。加入速凝剂后，混凝土在10 min之内凝结，增加与围岩的粘结力。速凝剂同样能提高早期强度，一天的强度能达到10 MPa以上，对围岩支护起到一定的作用。

速凝剂的反应机理通常认为，掺入速凝剂后，水泥中的石膏被消耗掉，生成一种凝胶物质，或形成钙矾石。水泥中的石膏在水泥水化中起到缓凝作用，消耗后，能促进水泥中四种成分的快速水化［9，10］。因此，能使水泥快速凝结硬化，普通水泥达到终凝需要6 h，而加入速凝剂后，终凝时间缩短为6 min～10 min，可见速凝剂的作用之大。

速凝剂按形态可分为液态速凝剂和粉状速凝剂，液态速凝剂分为有机和无机两大类。常见的液态无机速凝剂有水玻璃系速凝剂，如，硅酸钠，铝酸盐系(如，铝酸钠、铝酸钾);粉状速凝剂包括传统的速凝剂，如粉状铝酸钠、碳酸钠等，水泥速凝剂、瞬间凝结水泥、酸性速凝剂。喷混凝土用速凝剂的种类见表2。我国国家规范规定速凝剂要满足设计要求，使用前应先做与水泥的适应性试验，合格品的初凝时间在5 min以内，终凝时间在10 min以内，后期强度保留率在70%以上，掺量一般在4%～8%之间，粉状速凝剂的掺量要求在4%～6%，无碱液态速凝剂的掺量相对较高，一般为6%～8%。速凝剂不能使水泥出现急凝，掺量过大对后期强度损失较严重。

表2 喷混凝土用速凝剂分类

2.4 喷射混凝土性能

混凝土的性能主要包括强度、变形以及耐久性。

1)设计基准强度。喷混凝土强度等级或设计基准强度因功能、断面形状等结构条件、荷载条件等而异，一般多用抗压强度划分其等级并同时给出设计基准强度。由于现在喷混凝土不仅是初期支护的一个重要构件，也是永久支护的一个重要组成部分。因此在许多国家都规定喷混凝土的设计强度，采用与衬砌混凝土同等的强度。

喷混凝土设计基准强度需满足以下公式:

其中，fck为喷混凝土的设计强度;fcp为喷混凝土的抗压强度，一般通过实验求出;γp为有关fcp精度的安全系数，一般为1.0～1.3。

2)喷射混凝土变形。喷射混凝土的变形主要有蠕变变形和收缩变形，喷射混凝土在硬化过程中常伴随着体积的变化，在湿度不足的介质中硬化时产生的体积缩小，被称为收缩变形。蠕变和收缩随着龄期、温度、时间变化。如果在水中或潮湿的环境中，这种状况会减少，甚至会出现体积的增大。由于速凝剂的加入，水泥水化加快，在后期混凝土会发生干缩现象。影响喷射混凝土收缩的主要因素是速凝剂和养护条件。

3)耐久性。目前，对混凝土的要求不再一味的强调高强度，而是高耐久性的混凝土，即使用寿命要长，能抵抗各种侵蚀，冷热交替破坏，高抗渗性等。高抗渗性主要取决于孔隙率低和孔隙结构密实，喷射混凝土中水泥用量相对要高，砂率高，水灰比小，或者掺加一些矿物材料，增加密实度等。喷射混凝土在施工过程中，会带有一定量的空气，空气含量一般在2.5%～3.5%，因此在喷射混凝土中就形成了气泡，气泡的存在能增强混凝土的抗冻性。相反，若采用软弱、易吸水的骨料，或者在喷射过程中混入回弹料，养护不当等都会降低喷射混凝土的抗冻性。

3 喷射混凝土施工工艺

喷射混凝土主要分为两种施工工艺，干喷混凝土和湿喷混凝土，目前有些隧道使用潮喷混凝土，即在干拌料中加入少量水，为了降低粉尘，仍可归为干喷。

3.1 干喷混凝土

干喷混凝土是将水泥、砂子、石子和除水外的其他所有外加材料按合理的配合比搅拌均匀后，利用干喷机，通过空压机提供的风压(一般在0.2 MPa～0.4 MPa)将混凝土干拌料喷射至受喷面，同时在喷嘴处加入一定量的水。干喷混凝土的水量多由喷射手控制，因此水灰比控制的不精确，对混凝土性能产生较大的影响，干喷工艺流程如图1所示。

干喷混凝土的主要特点:1)设备简单，操作灵活方便，装备成本低;2)输送距离长，水平距离可达300 m，垂直距离可达180 m，所需能源动力少，利用空压机压送;3)可及时调整水灰比和粉状速凝剂掺量，以适应潮湿，含水地层施工的要求;4)水灰比不易控制，造成混凝土品质离散性较大;5)干喷使用粉状速凝剂，造成粉尘量和回弹量较大，恶化工作环境，增大施工成本。

图1 干喷流程图

3.2 湿喷混凝土

湿喷混凝土将一定配合比的砂子、水泥、石子和水搅拌成湿拌混凝土，具有一定的坍落度和流动性，然后通过泵送或风送经由湿喷机熟料管运送到喷嘴处，在喷嘴处添加液态速凝剂，喷射至围岩工作面上。与干喷混凝土的区别主要是:干喷添加粉状速凝剂，在喷嘴处加水;湿喷在拌合料中加水，在喷嘴处添加液态速凝剂。湿喷工艺流程如图2所示。

图2 湿喷流程图

湿喷混凝土的主要特点:1)施工效率高，在某些情况下能达到25 m3/h;2)回弹量低，湿喷混凝土的回弹量能控制在10%以内，粉尘浓度低，能很好的改善施工环境;3)由于减轻了对喷射手技术的依赖，喷射混凝土的匀质性好。

3.3 存在的问题

目前，国内一些工程仍大量采用干喷工艺，因其造价低，简单易操作。但在喷射施工中，干喷混凝土回弹和粉尘量很大，施工环境恶劣，同时造成混凝土的大量损失。粉状速凝剂在使用中，添加不均匀，且掺量较大，对混凝土后期强度损失影响较大，很容易造成喷射混凝土开裂，给工程带来安全隐患。

湿喷混凝土操作工艺复杂，要求混凝土配比精确，清洗不方便，成本较高，且设备较大，在现场不好操作。由于种种原因，未能大面积推广。在此基础上，提出一种新的工艺，能有效改善以上缺陷，在干喷的基础上添加液态速凝剂，从而达到湿喷的效果。

4 结语

1)喷射混凝土技术应用非常广泛，在现代土木工程施工中发挥着重要的作用，尤其是隧道施工中，喷射混凝土支护已成为一项必备支护措施，作为土木工程人员，我们有必要熟练掌握喷射混凝土技术。

2)影响喷射混凝土性能的因素很多，水泥品质、骨料的级配比，速凝剂的品质和添加量、喷射混凝土的配合比设计，喷射机械以及施喷人员的素质都会对喷射混凝土的性能造成影响，改进混凝土的性能，物料的选择、最佳配合比设计、改进喷射机械、加入钢纤维、选择高品质速凝剂、提高管理水平都能提高喷混凝土的性能。

3)喷射混凝土正在向高强、高耐久性发展，对外加剂品质、合理级配等要求越来越高。因此研究新型外加剂、混凝土配合比对喷射混凝土有重大的意义。

［1］关宝树.隧道及地下工程喷混凝土支护技术［M］.北京:人民交通出版社，2004.

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