噴射混凝土及速凝劑的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

引言我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程正逐年增加，水泥及混凝土的消耗量也處于高位。2020年中央預(yù)算內(nèi)投資安排為6000億元，比去年增加224億元，重點(diǎn)支持新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并加強(qiáng)交通、水利等重大工程建設(shè)。據(jù)中國混凝土與水泥制品協(xié)會年度報告顯示，2020年中國全年水泥產(chǎn)量達(dá)到23.77億噸，同比增長1.6%；2020年我國預(yù)拌混凝土總產(chǎn)量為28.43億立方米，同比增長2.89%[1]。因此大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程的推進(jìn)將大力推動噴射混凝土和外加劑行業(yè)的快速發(fā)展。

在未來一段時間內(nèi)，隧道建設(shè)、煤礦加固、城市道路和防水設(shè)施維修等項目對噴射混凝土的需求將繼續(xù)保持增長趨勢，對包括速凝劑在內(nèi)的各種化學(xué)外加劑需求將不斷增加。所以提高噴射混凝土和速凝劑的質(zhì)量可直接促進(jìn)我國大量基建工程的施工質(zhì)量和服役壽命得到提高和改善。本文中主要對我國噴射混凝土和速凝劑的相關(guān)知識進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1、噴射混凝土工藝發(fā)展現(xiàn)狀噴射混凝土的工作原理是在壓縮空氣或高壓泵的動力下，通過噴射裝置將混凝土拌合物噴射至支護(hù)表面并在幾分鐘內(nèi)凝結(jié)硬化，起到封閉與支護(hù)的作用[2]。噴射混凝土技術(shù)起始于20世紀(jì)的美國，1911年噴射技術(shù)首次獲得專利并成立CementGun公司[3]。噴射混凝土成型工藝主要分為干噴法和濕噴法。干噴法在施工過程中存在粉塵量和回彈量均較大、工作環(huán)境惡劣、噴料時有脈沖現(xiàn)象且均勻度差、實(shí)際水灰比不易準(zhǔn)確控制、生產(chǎn)效率低、配套使用的堿性粉狀速凝劑會造成后期強(qiáng)度損失大、耐久性差等缺點(diǎn)[4]。因此噴射工藝也逐步由干噴法轉(zhuǎn)為濕噴法施工，濕噴法與干噴法的工藝特點(diǎn)見表1。

20世紀(jì)60年代末期，我國冶金、水電部門開始研究噴射混凝土技術(shù)及設(shè)備。隨著新奧法施工技術(shù)的引進(jìn)，第三冶金建設(shè)公司和冶金部建筑研究院合作，成功地首次應(yīng)用噴射混凝土技術(shù)建造了鞍鋼弓長嶺鐵礦的礦山運(yùn)輸巷道[5]。北京地鐵工程也曾使用噴射混凝土修復(fù)因火災(zāi)燒壞的鋼筋混凝土襯砌，為我國早期噴射混凝土技術(shù)的研究與開發(fā)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)[6]。20世紀(jì)80年代初，由于施工環(huán)境安全和施工人員少等優(yōu)點(diǎn)，我國開始采用濕噴混凝土技術(shù)并逐漸在其他地區(qū)推廣應(yīng)用。但與國外濕噴機(jī)相比，我國濕噴機(jī)仍存在整體性能落后、穩(wěn)定性差，以及配套的液體速凝劑的性能和應(yīng)用技術(shù)欠缺等問題，這在一定程度上阻礙了濕噴混凝土工藝在我國的發(fā)展。目前，濕噴混凝土在我國的噴射混凝土施工中約占50%，而其他國家如意大利、瑞典、日本等國家均達(dá)到85%以上。近幾年我國濕式混凝土噴射機(jī)已逐漸發(fā)展成熟，在部分工程（尤其是水利工程）中也成功應(yīng)用了濕噴混凝土。濕噴混凝土工藝是噴射混凝土技術(shù)未來發(fā)展的主流方向。2、噴射混凝土施工設(shè)備

2.1干式混凝土噴射機(jī)1942年，瑞士ALIVA公司研發(fā)出干式轉(zhuǎn)子式噴射設(shè)備，之后其他國家陸續(xù)研發(fā)出多種干式噴射機(jī)。干噴機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分為雙罐式、螺旋式、轉(zhuǎn)子式。歐美等國部分生產(chǎn)商的干噴機(jī)技術(shù)規(guī)格見表2[7]。

20世紀(jì)60年代初期，我國開始展開混凝土噴射機(jī)的研發(fā)工作，并研制出冶建-65型、HLP-701型等干式混凝土噴射機(jī)[8]。國內(nèi)部分干噴機(jī)技術(shù)規(guī)格見表3。

在1986～2000年期間，我國研發(fā)的潮噴機(jī)推動了噴射混凝土在地下井工煤礦的應(yīng)用。但干（潮）噴施工作業(yè)仍然存在粉塵大、回彈率高、噴射質(zhì)量差等弊端。因此國家安監(jiān)總局在2010年規(guī)定禁止干式混凝土噴射設(shè)備在煤礦等行業(yè)中使用，并將其列為淘汰產(chǎn)品[9]。2.2濕式混凝土噴射機(jī)混凝土濕噴機(jī)根據(jù)工作原理不同分為風(fēng)送型和泵送型兩大類[10]。中國早期研制出的風(fēng)送型濕式混凝土噴射機(jī)有TK-961型濕噴機(jī)、SPZ-6型濕噴機(jī)等，然而卻存在最大輸送距離短、回風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重等問題。而泵送型濕噴機(jī)雖然能夠克服其缺點(diǎn)，但其核心技術(shù)早期被西方發(fā)達(dá)國家所壟斷[11]。我國早期采用的的濕噴機(jī)基本均是國外生產(chǎn)的泵送式濕噴機(jī)，包括瑞典芬蘭Normet公司、瑞士ALIVA公司、Stabilator公司等，價格昂貴。國外主要濕噴機(jī)技術(shù)規(guī)格見表4。

近年來，隨著我國城市地鐵工程、鐵路隧道、礦產(chǎn)開發(fā)等地下基建工程的持續(xù)開發(fā)，對施工過程中大型噴射設(shè)備的需求與日俱增，同時對噴射設(shè)備工作性的要求也更為嚴(yán)格。經(jīng)過多年的研發(fā)試驗(yàn)，我國設(shè)計生產(chǎn)了大量具有一定智能化程度的新型濕噴機(jī)，代表性產(chǎn)品主要包括：（1）三一重工研發(fā)SYM5171TPJ車載濕噴機(jī)、SPJ3017專用底盤濕噴機(jī)和SPJ2010礦用濕噴機(jī)；（2）中鐵軌道機(jī)械公司研發(fā)的HPS3016S混凝土濕噴機(jī)、HPS5016雙臂混凝土濕噴機(jī)、HPS08+HBS30噴射機(jī)組等濕噴機(jī)；（3）徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司設(shè)計的HPS30混凝土濕噴機(jī)組、SPB7型濕式混凝土噴射機(jī)等濕噴設(shè)備。表5是我國最新濕噴機(jī)的參數(shù)對比。

2.3噴射混凝土機(jī)械手近年來，大型機(jī)械手濕噴工藝已經(jīng)成為噴射混凝土施工的一種新型方法，并在隧道施工過程中得到了廣泛應(yīng)用[12]。噴射機(jī)械手不僅提升了混凝土施工的工作效率和質(zhì)量，更重要的是優(yōu)化了噴射作業(yè)環(huán)境，保障了工人安全。噴射機(jī)械手從20世紀(jì)60年代開始在國外使用，目前應(yīng)用較多的是芬蘭的Normet、瑞士的Aliva和Meyco、日本的古河等系列型號[13]。我國從70年代開始研制噴射機(jī)械手，目前應(yīng)用成熟的主要有中聯(lián)重科的CIFASpritzCSS-3、湖南五新隧道智能裝備股份有限公司的CHP30F和WHP30E、中國鐵建重工集團(tuán)有限公司的HPS5016以及徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司的HPR08等產(chǎn)品。截至2020年國內(nèi)最新濕噴機(jī)械手的參數(shù)對比見表6。

隨著科學(xué)技術(shù)和自動化設(shè)備的不斷更新，全自動型噴射機(jī)械手已成為未來的發(fā)展趨勢。但是現(xiàn)在能用于實(shí)際工程中的全自動型噴射機(jī)械手較少，能夠大規(guī)模量產(chǎn)的噴射機(jī)械手公司也寥寥無幾。雖然全自動噴射混凝土工藝在理想條件下的施工環(huán)境中具有很大的應(yīng)用潛力，但在隧道工程的實(shí)際應(yīng)用中仍然困難重重。如果噴射機(jī)械手的研發(fā)設(shè)計能夠打破現(xiàn)有的困境，進(jìn)一步優(yōu)化性能，肯定能推廣應(yīng)用到更多的行業(yè)領(lǐng)域中。3、噴射混凝土用速凝劑

速凝劑是一種能加快水泥或混凝土在幾分鐘內(nèi)完成凝結(jié)硬化的化學(xué)添加劑。目前，速凝劑已廣泛應(yīng)用于隧道、城建、水利電力涵洞、引水洞等地下工程的噴射混凝土施工及混凝土緊急搶險等工程中[14]。近10年來，噴射混凝土用速凝劑從高堿粉體速凝劑逐步優(yōu)化為安全高效的無堿液體速凝劑。

3.1粉狀速凝劑國外從20世紀(jì)30年代開始研究噴射混凝土用速凝劑。最早投入到工程使用的是由瑞士和奧地利共同研制并順利應(yīng)用的Sika（西卡）速凝劑[15]。這類以硅酸鈉、鋁酸鈉或碳酸鈉為有效成分的傳統(tǒng)粉狀速凝劑雖然在噴射過程中能夠達(dá)到速凝，但后期強(qiáng)度損失過大，且存在粉塵大、回彈多、工作環(huán)境等安全隱患，國外基本不采用粉狀速凝劑。在20世紀(jì)60年代開始我國也研發(fā)了不同種類的粉狀堿性速凝劑，例如紅星Ⅰ型、陽泉Ⅰ型、711型、782型、73牌速凝劑、J85型速凝劑等[16]。由于粉狀堿性速凝劑具有凝結(jié)時間快、早期強(qiáng)度高、摻量（水泥質(zhì)量的3%～5%）較低以及生產(chǎn)工藝簡單的特點(diǎn)，所以早期在國內(nèi)干噴混凝土施工中大量應(yīng)用。3.2液體速凝劑隨著噴射混凝土技術(shù)及設(shè)備的進(jìn)步，各國為了保證建筑物的長期質(zhì)量于1975年左右開始研究無（低）堿速凝劑。隨后1998年左右我國開始逐步展開對液體速凝劑、液體無（低）堿速凝劑、有機(jī)無機(jī)復(fù)合型液體速凝劑的研究和發(fā)展[17]。其中液體速凝劑根據(jù)含堿量分為高堿、低堿和無堿液體速凝劑，根據(jù)速凝組分可分為硅酸鹽類、鋁酸鹽類和硫酸鋁類液體速凝劑。硅酸鹽類是初期研發(fā)的液體速凝劑，主要成分為硅酸鈉或硅酸鉀。我國最早研制了2種硅酸鹽類速凝劑NS1、NS2，主要特點(diǎn)為：可在低溫下施工、干縮變形大、摻量大等[18]。鋁酸鹽類速凝劑一般以鋁酸鈉（鉀）為主要促凝組分，是堿性液體速凝劑的主要品種。現(xiàn)在硫酸鋁類是市場上最常見的無堿液體速凝劑。硫酸鋁類液體速凝劑的優(yōu)點(diǎn)主要包括：堿含量低、回彈量低、抗?jié)B性高、28d抗壓強(qiáng)度比≥90%等[19-20]。但目前我國無（低）堿液體速凝劑存在穩(wěn)定性差、相容性差異大、產(chǎn)品種類少、綜合性能欠缺、施工技術(shù)不完善等問題。近年來我國速凝劑行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整加速，液體速凝劑產(chǎn)量顯著提高。據(jù)中國混凝土外加劑協(xié)會統(tǒng)計，2019年我國速凝劑總產(chǎn)量已將近180萬噸，如圖1所示。其中液體速凝劑的產(chǎn)量在2015年時為46.96萬噸，2019年時產(chǎn)量已達(dá)到95.2萬噸，所以在不久的未來液體速凝劑必將取代粉狀速凝劑成為主流產(chǎn)品。

圖1

2011～2019年中國混凝土速凝劑的年產(chǎn)量4、噴射混凝土性能的檢測方法及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

4.1工作性能噴射混凝土的成型方式是射流密實(shí)成型，不需要傳統(tǒng)模筑混凝土中加拆模板、振動搗實(shí)等過程，因此對噴射混凝土的工作性有了新的要求。對于濕噴混凝土的工作性，很多研究者將其劃分為可泵性、可噴性兩方面進(jìn)行研究[21-22]。

4.1.1可泵性可泵性一般通過流動性、穩(wěn)定性兩方面綜合評價。流動性指噴射前的預(yù)拌混凝土在輸送過程中無阻力通過輸送管的流動能力，穩(wěn)定性指預(yù)拌混凝土在泵送過程中始終保持初始拌合狀態(tài)時材料均勻性的能力[23]。我國GB50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》中對混凝土的坍落度值規(guī)定為80~120mm[24]。但坍落度指標(biāo)僅說明了混凝土的流動變形能力，而流動性并不能保證預(yù)拌混凝土在輸送管中是否穩(wěn)定、出現(xiàn)分層離析[25]。所以僅具有可泵送的預(yù)拌混凝土并不能保證到達(dá)受噴面后混凝土的質(zhì)量。噴射混凝土除了滿足可泵性，在到達(dá)受噴面后還應(yīng)滿足可噴性，即在回彈率低、不滑移、不脫落的情況下達(dá)到一定的噴射厚度[26]。4.1.2可噴性可噴性一般采用回彈率、噴射層厚度兩方面綜合評價?？蓢娦粤己帽憩F(xiàn)為到達(dá)受噴面的混凝土保持不離析、不掉落，且具有適中的噴射層厚度。目前我國實(shí)際施工中的噴射層厚度多采取鉆孔、激光斷面儀、光帶攝影等方法檢測，但建筑等行業(yè)并未統(tǒng)一規(guī)定檢測噴射層厚度的方法。我國噴射混凝土回彈率的測試一般是在施工現(xiàn)場進(jìn)行簡單稱重，容易受到多種環(huán)境因素和人為因素的干擾，誤差較大。近年來，采用3D掃描技術(shù)測試噴射混凝土的回彈率逐漸進(jìn)入人們的視線，并具有精度高、操作方便、安全指數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。羅意在隧道噴射混凝土回彈分析中得出結(jié)論：三維激光掃描法的精確度更高，且無需直接接觸噴射面及混凝土，具有安全高效的特點(diǎn)[27]。有關(guān)文獻(xiàn)表明[28]，水膠比、砂率、鋼纖維、噴射角度及距離、速凝劑摻量等均對可噴性能有一定影響：（1）水膠比增大，噴射層厚度增加、回彈率降低；（2）砂率在50%～70%對噴射有利；（3）速凝劑摻量增加，混凝土回彈率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。噴射混凝土的可噴性決定回彈量、噴射層厚度、混凝土密實(shí)的難易程度以及硬化混凝土的性能。因此當(dāng)噴射混凝土的可泵性與可噴性達(dá)到平衡時，才可能獲得工程質(zhì)量較高的混凝土，這也是研究高強(qiáng)噴射混凝土其他性能與工程應(yīng)用的基礎(chǔ)[29]。

4.2速凝劑性能的檢測2018年11月1日，GB/T35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》國家標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施[30]。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：無堿液體速凝劑的pH≥2.0，氯離子含量不得大于0.1%，無堿速凝劑的堿含量≤1.0%，以及100mL的液體速凝劑在具塞量筒中靜置28d后的分層不得大于5mL。速凝劑的凝結(jié)和強(qiáng)度性能指標(biāo)見表7。

但目前關(guān)于速凝劑的強(qiáng)度性能檢測存在以下問題：（1）摻加速凝劑砂漿的1d內(nèi)的早期強(qiáng)度無規(guī)定檢測方法；（2）速凝劑在實(shí)際應(yīng)用過程中的噴射成型與《噴射混凝土用速凝劑》檢測標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的模筑成型性能結(jié)果存在差異；（3）噴射成型的混凝土試塊1d內(nèi)的早期強(qiáng)度無標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行檢測。上述問題仍需速凝劑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定單位提出解決方案進(jìn)行優(yōu)化，以推動速凝劑在實(shí)際施工中的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。

4.3噴射混凝土的力學(xué)性能噴射混凝土測試強(qiáng)度的方法有破壞性檢測和無損檢測，其中破壞性檢測方法主要有采用噴大板法和鉆芯法[31]。涉及到的測試標(biāo)準(zhǔn)主要有：GB/T50107—2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》、CECS03∶2007《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》、JGJ/T384—2016《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》和GB50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》。無損檢測是指在不破壞構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其使用性能的前提下，利用聲、電、光、熱等手段測定與水泥基材料性能相關(guān)的物理量，從而推定水泥基材料強(qiáng)度、內(nèi)部裂縫以及缺陷等[32]。涉及到的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有：JGJ/T23—2001《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》、CECS02∶2005《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》、JGJ/T456—2019《雷達(dá)法檢測混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T29183—2012《紅外熱像法-檢測建設(shè)工程現(xiàn)場通用技術(shù)要求》、JGJ/T411—2017《沖擊回波法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》。5、噴射混凝土的應(yīng)用

噴射混凝土廣泛應(yīng)用于地下工程、巖土工程、修復(fù)加固工程、薄壁結(jié)構(gòu)工程、耐火工程、防護(hù)工程等土木建筑工程領(lǐng)域（尤其是水利工程、隧道工程施工）[33]。近10年，中國伴隨著大規(guī)模的高速鐵路和公路的建設(shè)，噴射混凝土用量越來越大。依照國務(wù)院批復(fù)的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，中國高速鐵路主通道將達(dá)45000km，高速鐵路連接線約10000km，城際鐵路達(dá)10000km以上。到2030年，將繼續(xù)建設(shè)一大批高速鐵路和城際鐵路隧道，預(yù)計總規(guī)模在10000km以上[34]。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年底：我國在建鐵路隧道2746座（總長6083km），規(guī)劃鐵路隧道6354座（總長16255km）；我國在建的高鐵隧道1811座（累計長度約2750km），規(guī)劃的高鐵隧道3525座（累計長度約7966km）[35]。在隧道建設(shè)過程中，由于公路、鐵路、水利項目噴射混凝土計算用量與各工程隧道段面面積、設(shè)計噴射混凝土厚度、圍巖等級等許多條件相關(guān)聯(lián)，因此難以準(zhǔn)確計算。結(jié)合科學(xué)理論計算及實(shí)際隧道工程的相關(guān)數(shù)據(jù)，一般的可以按照隧道每延米用噴射混凝土20m3來估計[36]?？晒浪愕贸鑫覈诮ㄨF路及高速鐵路隧道工程需噴射混凝土1.77億m3，目前規(guī)劃的待建工程需噴射混凝土4.84億m3。因此大量的鐵路隧道建設(shè)工程需要高質(zhì)量的噴射混