濕噴技術(shù)的應(yīng)用前景

./濕噴技術(shù)的應(yīng)用前景關(guān)鍵詞：濕噴技術(shù),隧道復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu),噴射混凝土設(shè)計

1支護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢與濕噴技術(shù)涵1.1支護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢隧道復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)已成為主流,單層襯砌也得到重視和發(fā)展,噴射混凝土設(shè)計基準(zhǔn)強(qiáng)度將提高<應(yīng)與二襯混凝土同標(biāo)號>,環(huán)保要求將越來越嚴(yán),作業(yè)人員的環(huán)保意識也越來越強(qiáng)。由中國科協(xié)編制的《2020中國的工程技術(shù)》白皮書提出：常規(guī)混凝土由C20-C30提高到C40-C60,高強(qiáng)混凝土由C50-C80提高到C60-C100,發(fā)展纖維混凝土和高性能混凝土,重視混凝土耐久性指標(biāo)。1.2噴射混凝土技術(shù)的發(fā)展?jié)駠娛前l(fā)展趨勢,據(jù)ITA1996年統(tǒng)計資料,日本1996年濕噴在噴射混凝土總量中的比例是80%,而這一比例在20XX發(fā)展至97.6%。我國從八十年代在重點(diǎn)工程建設(shè)中引進(jìn)國外設(shè)備開始應(yīng)用濕噴技術(shù),九十年代后期以TK961的成功研制推動了我國濕噴技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。進(jìn)入二十一世紀(jì)后,基于結(jié)構(gòu)耐久性的要求,提出了發(fā)展高性能噴射混凝土技術(shù)的要求。從我國總體水平看,噴射混凝土技術(shù)發(fā)展落后于隧道施工技術(shù)的發(fā)展,初期支護(hù)施工是隧道施工的薄弱環(huán)節(jié),推動噴射混凝土技術(shù)發(fā)展的因素見表1：1.3濕噴技術(shù)的涵濕噴并不只是一種工藝的選擇,也并不只是單純追求粉塵和回彈的降低,而是以質(zhì)量控制為核心的一種新的噴射混凝土技術(shù)體系,其技術(shù)涵從以下七個方面得到體現(xiàn)。從根本上解決粉塵問題可建立質(zhì)量保證體系,對噴層質(zhì)量實(shí)施有效控制充分享受混凝土技術(shù)發(fā)展成果,發(fā)展噴射混凝土復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展高性能噴射混凝土技術(shù)發(fā)展綠色噴射混凝土技術(shù)發(fā)展單層襯砌技術(shù)實(shí)現(xiàn)噴射混凝土作業(yè)機(jī)械化與混凝土制備商品化1.3.1粉塵控制干噴：水泥以游離態(tài)顆粒形式存在,在攪拌、運(yùn)輸、上料以及機(jī)旁<結(jié)合面、余氣口>、噴嘴處產(chǎn)生大量粉塵；濕噴：水泥在塑性混凝土中以漿體形式存在,整個工藝過程中除噴嘴處在水霧中有少量水泥顆粒外,基本無粉塵。水泥粉塵中的SiO2對人體非常有害,長期吸入將容易使人患上嚴(yán)重的職業(yè)病--矽肺病。1.3.2濕噴工藝可以建立質(zhì)量管理體系,對噴射混凝土質(zhì)量實(shí)施有效控制噴射混凝土質(zhì)量控制指標(biāo)應(yīng)該包含：平均強(qiáng)度、勻質(zhì)性〔變異系數(shù)、密實(shí)性、早期強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度。影響噴射混凝土質(zhì)量指標(biāo)的因素除了與普通澆注混凝土相同的水灰比外,還有噴射混凝土的特有因素：速凝劑、噴嘴料流質(zhì)量、射流密實(shí)過程。1.3.2.1水灰比控制水灰比是混凝土強(qiáng)度和耐久性的決定性因素,是混凝土配合比設(shè)計與試驗(yàn)最關(guān)鍵的參數(shù)?；炷林谐瘜W(xué)結(jié)合水和凝膠水外,其余水分在混凝土硬化后蒸發(fā),在水泥石中形成毛細(xì)孔,因此水灰比決定了水泥石的孔隙率和孔的形狀,水灰比越低,孔隙率就越低,混凝土滲透性就越低,混凝土耐久性就越好。強(qiáng)度與水灰比關(guān)系如下式：

那么,噴射混凝土是如何控制這個最重要指標(biāo)和參數(shù)？干噴：噴射手通過人工控制一個閥門去適應(yīng)一個變量<噴射管混凝土物料流量不穩(wěn)定>-使得水灰比處于不可控或粗約控制狀態(tài)。濕噴：通過設(shè)備<攪拌機(jī)>對水量進(jìn)行自動計量去適應(yīng)定量<每盤攪拌量>-使得水灰比處于完全可控狀態(tài),可以建立質(zhì)量保證體系。1.3.2.2速凝劑控制速凝劑也是影響噴射混凝土性能的一個重要指標(biāo),影響噴射混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展與后期強(qiáng)度水平,同時對回彈和噴層密實(shí)性產(chǎn)生重要影響。潮噴工藝對速凝劑摻量的控制同樣是粗放的,基本是由人工憑經(jīng)驗(yàn)在上料處通過拋撒控制,計量不準(zhǔn)同時混合不勻。而濕噴可以通過計量泵對摻加比例進(jìn)行準(zhǔn)確控制并在噴嘴處通過高速射流均勻混合。1.3.2.3品質(zhì)管理與勻質(zhì)性噴射混凝土強(qiáng)度在一定圍離散分布,正常情況其分布規(guī)律符合正態(tài)分布曲線〔圖1,噴射混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)準(zhǔn)則是根據(jù)平均強(qiáng)度和變異系數(shù)綜合控制。因此對噴射混凝土的質(zhì)量控。

制不但要控制平均強(qiáng)度,同時還必須控制變異系數(shù)。由于濕噴工藝能夠?qū)λ冶冗M(jìn)行準(zhǔn)確控制,因此強(qiáng)度變異系數(shù)小,噴層結(jié)構(gòu)可靠性高。而干噴工藝據(jù)歐洲規(guī)〔EFNARC7.3表述："對于干噴工藝難于預(yù)設(shè)水灰比。實(shí)際水灰比一般在0.35~0.5的圍波動。經(jīng)估算,相應(yīng)強(qiáng)度波動可達(dá)15MPa以上"。根據(jù)中鐵西南院大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：濕噴混凝土強(qiáng)度變異系數(shù)可控制在10%左右,達(dá)到國標(biāo)優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。1.3.2.4噴射混凝土密實(shí)性及整體性控制與普通澆注混凝土的振搗密實(shí)原理不同,噴射混凝土通過高速射流密實(shí),其密實(shí)度與射流過程關(guān)系密切?；炷撩軐?shí)性是耐久性和抗?jié)B性的關(guān)鍵,高耐久混凝土必須首先具備高密實(shí)性。濕噴工藝從三個環(huán)節(jié)改善和提高了噴射混凝土的密實(shí)性：比干噴工藝更高的射流速度,塑性混凝土輸送與噴射射流密實(shí)過程中水泥漿體對砂石料的包裹作用〔水泥裹砂改善了混凝土骨料與水泥漿的界面結(jié)構(gòu),充分與均勻的水化作用消除了噴層分層〔由水灰比過大或過小造成的風(fēng)險。據(jù)中鐵西南院試驗(yàn)數(shù)據(jù),C25噴射混凝土其抗?jié)B標(biāo)號可達(dá)S12以上,其容重比使用相同骨料的干噴工藝增加100Kg/m3以上。1.3.3發(fā)展復(fù)合材料技術(shù)由于濕噴工藝噴射的是成品塑性混凝土,因此可以充分應(yīng)用混凝土技術(shù)發(fā)展成果,發(fā)展復(fù)合材料技術(shù),包含外加劑、礦物摻加料、纖維〔合成纖維與鋼纖維的應(yīng)用。高效減水劑與礦物摻加料的應(yīng)用,使新拌混凝土可以在遠(yuǎn)低于水泥能充分水化的水灰比〔水膠比條件下配制,是發(fā)展高性能混凝土的基礎(chǔ)。在濕噴工藝條件下,凡混凝土技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)成果均可移植或嫁接到噴射混凝土技術(shù)中來。而干噴工藝卻由于缺乏水的載體作用,外加劑或摻加料無法在拌和物中得到均勻混合而限制了許多混凝土技術(shù)成果在噴射混凝土技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。干噴混凝土只是最傳統(tǒng)意義上的混凝土,而今日混凝土技術(shù)已進(jìn)入高新技術(shù)時代。應(yīng)大力提倡和推廣在混凝土中摻加硅粉、粉煤灰、磨細(xì)礦碴等礦物外摻料,超細(xì)礦物粉通過微粒填充和火山灰活性反應(yīng)大幅度改善了混凝土性能,特別是密實(shí)性。應(yīng)大力推廣應(yīng)用合成纖維噴射混凝土技術(shù),它既可以改善混凝土力學(xué)性能〔主要是抗裂,同時還可以降低回彈,使用成本也不高。1.3.4發(fā)展高性能噴射混凝土技術(shù)高性能混凝土為一種新型高技術(shù)混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土,是以耐久性作為設(shè)計的主要指標(biāo),針對不同用途的要求,對下列性能有重點(diǎn)的加以保證：耐久性、施工性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。高性能混凝土最主要的特征是強(qiáng)調(diào)混凝土的耐久性。由于濕噴工藝特性,可以在高性能混凝土技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展高性能噴射混凝土,中鐵西南院已進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),根據(jù)目前國材料工藝等條件,完全可以實(shí)施到C50的高性能噴射混凝土。高性能噴射混凝土的技術(shù)途徑：低水灰比<高效減水劑>,超細(xì)礦物粉摻加料,高密實(shí)度與裂紋控制,改善過渡層及其界面結(jié)構(gòu)。1.3.5發(fā)展綠色混凝土技術(shù)建立綠色噴射混凝土概念,綠色噴射混凝土有四層含義：減小水泥用量<應(yīng)用高效減水劑>應(yīng)用粉煤灰、硅粉、磨細(xì)礦碴替代水泥<實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢碴資源化>減小單位工程噴射混凝土總量<提高標(biāo)準(zhǔn)>發(fā)展與應(yīng)用無堿中性速凝劑前三層含義都是為了減少混凝土中水泥用量,通過減少水泥用量來減少水泥生產(chǎn)過程中向大氣層中的CO2排放量。據(jù)資料介紹,每生產(chǎn)1t水泥,就要產(chǎn)生1tCO2。中鐵西南院試驗(yàn)了一種粉煤灰高摻量配合比,水泥量330Kg,粉煤灰摻量100Kg,噴射混凝土標(biāo)號C25,抗?jié)B標(biāo)號S15。無堿速凝劑既是對操作人員的健康保護(hù),同時也改善了混凝土品質(zhì),應(yīng)大力提倡和推廣。1.3.6發(fā)展單層襯砌技術(shù)單層襯砌結(jié)構(gòu)具有簡化工序、降低成本、縮短建設(shè)工期的作用,但由于人們對噴射混凝土質(zhì)量控制的疑慮〔特別是勻質(zhì)性和耐久性,使得這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用圍受到極大限制。的確在干噴工藝條件下,噴射混凝土品質(zhì)很難令人滿意,隨著濕噴技術(shù)的推廣,高性能噴射混凝土技術(shù)的發(fā)展,單層襯砌結(jié)構(gòu)一定會得到發(fā)展。"早期,在采用干噴的情況下,隧道工程中的噴混凝土支護(hù)是施作現(xiàn)澆混凝土襯砌前圍巖臨時防護(hù)的同義詞。由于濕噴方法的引入以及速凝劑自動精確計量設(shè)備的使用和各種纖維材料加固的選擇,目前,噴混凝土作為一種高品質(zhì)的混凝土被越來越多的人所接受,經(jīng)常作為隧道的永久襯砌。"這是K.Garshol,在20XX第9屆噴混凝土國際會議主題報告。1.3.7支護(hù)作業(yè)機(jī)械化與混凝土制備商品化目前的干噴工藝使噴射作業(yè)還停留在手工小作坊時代〔單機(jī)攪拌、小型機(jī)械運(yùn)輸、人工上料、人工控制水灰比與速凝劑摻量,作業(yè)環(huán)境差、勞動強(qiáng)度大、質(zhì)量控制水平低,材料消耗高、生產(chǎn)效率低。與目前的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平極不適應(yīng),與黨中央構(gòu)建和諧社會和科學(xué)發(fā)展觀〔可持續(xù)發(fā)展的要求極不適應(yīng)。濕噴工藝可以使噴射作業(yè)實(shí)現(xiàn)集中攪拌〔攪拌站與自動計量、機(jī)械化運(yùn)輸與上料,使噴射作業(yè)進(jìn)入現(xiàn)代工業(yè)化時代。濕噴工藝使噴射混凝土使用商品混凝土有了可能,商品混凝土是混凝土從小生產(chǎn)方式向工業(yè)化大生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的象征；是普通混凝土技術(shù)向高性能混凝土發(fā)展的關(guān)鍵。應(yīng)該建立支護(hù)施工機(jī)械化作業(yè)線?自動攪拌站攪拌輸送罐車<兼顧上料機(jī)械化>噴射機(jī)與作業(yè)臺架噴射機(jī)組與機(jī)械手<環(huán)境、安全、勞動強(qiáng)度>2濕噴機(jī)與均勻稀薄流輸送技術(shù)2.1濕噴機(jī)分類濕噴機(jī)分為兩大類：管道稠密流泵送型和管道稀薄流風(fēng)送型。共有三種機(jī)型：泵送式、轉(zhuǎn)子活塞式、轉(zhuǎn)子式〔主要適用于干噴,表2給出了兩類濕噴機(jī)特征分析：2.2均勻稀薄流輸送技術(shù)稀薄流不等于均勻稀薄流,二者概念不同。稀薄流：凡以壓縮空氣為管道輸送動力的噴射機(jī)均為稀薄流類噴射機(jī)。稀薄流噴射機(jī)其管道流動形態(tài)有五種〔圖2。均勻稀薄流：管道混凝土以顆粒態(tài)均勻懸浮在管道〔圖2中a形態(tài),水泥漿體完全包裹砂石顆粒表面,沒有團(tuán)粒狀混凝土,也沒有單純的水泥漿體存在。

均勻稀薄流的優(yōu)點(diǎn)不易堵管,噴嘴無脈沖,風(fēng)量風(fēng)壓適中,噴嘴后座力小,噴層平整〔噴嘴操控性混凝土不離析,水泥漿完全包裹砂石,起到了水泥裹砂〔石作用,改善了水泥石與砂石的界面結(jié)構(gòu),噴層強(qiáng)度和密實(shí)性提高,勻質(zhì)性好回彈小,水泥漿包裹骨料的黏結(jié)作用與速凝劑混合均勻噴嘴不跌漿,噴層不易剝落掉塊2.3均勻稀薄流濕噴機(jī)關(guān)鍵技術(shù)稀薄流濕噴機(jī)要實(shí)現(xiàn)均勻稀薄流,必須解決以下三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題,見表3：2.4轉(zhuǎn)子活塞式濕噴機(jī)解決三大關(guān)鍵技術(shù)的途徑如圖3、圖4所示,轉(zhuǎn)子活塞式濕噴機(jī)采用了一種獨(dú)創(chuàng)的喂料機(jī)構(gòu)原理-轉(zhuǎn)子活塞凸輪喂料機(jī)構(gòu),通過活塞強(qiáng)制喂料和強(qiáng)制清洗徹底解決料腔與塑性混凝土拌和物的黏結(jié)問題；通過多缸〔三缸徑向喂料〔進(jìn)風(fēng)方向與喂料方向垂直實(shí)現(xiàn)了管道塑性混凝土拌和物的均勻稀薄流輸送；同時由于管道混凝土流動形態(tài)是均勻稀薄流,并使用了高精度計量泵,因此實(shí)現(xiàn)了對速凝劑的精確控制和均勻混合。它將活塞泵送與管道風(fēng)送的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合,在稀薄流濕噴機(jī)領(lǐng)域處于國際先進(jìn)水平。轉(zhuǎn)子活塞式濕噴機(jī)是我國對世界噴射機(jī)行業(yè)的一次原創(chuàng)性知識產(chǎn)權(quán)貢獻(xiàn)。3應(yīng)用濕噴技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)要充分體現(xiàn)濕噴效果,就必須改變傳統(tǒng)的干噴粗放管理模式,建立與濕噴工藝相適應(yīng)的施工組織和作業(yè)模式。只有用濕噴的理念和遵循濕噴技術(shù)規(guī)律才能搞好濕噴,那種只購買一臺濕噴機(jī)而沿用干噴的觀念和管理模式是很難搞好濕噴的。要把握好四個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：配合比設(shè)計與試驗(yàn)原材料控制班組建設(shè)設(shè)備配置3.1配合比設(shè)計與試驗(yàn)必須高度重視配合比設(shè)計,建立混凝土拌和物工作度概念<相當(dāng)于混凝土可泵性>,噴射混凝土工作度是流動性和粘聚性的綜合體現(xiàn)。最適宜噴射混凝土坍落度,稀薄流：8~12cm,稠密流:12~18cm,同時要具有良好的粘聚性。噴射混凝土工作度不但影響濕噴機(jī)的工作效能,同時對噴射混凝土性能也有重要影響〔表4。配合比設(shè)計必須按強(qiáng)度、工作度、耐久性進(jìn)行多指標(biāo)控制?；鶞?zhǔn)配制強(qiáng)度的確定<必須考慮速凝劑和質(zhì)量控制水平的影響>按強(qiáng)度要求決定水灰比<耐久性指標(biāo)>用水量決定坍落度〔與減水劑相關(guān)水泥用量-由水灰比和用水量間接確定砂率<綜合考慮回彈與和易性要求>經(jīng)驗(yàn)表明：濕噴混凝土配合比應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：宜使用細(xì)度模數(shù)大于2.5的中粗砂,砂率宜為60%左右,骨料最大粒徑宜控制在10mm,應(yīng)控制機(jī)制砂石料中石粉含量和針片狀含量,宜應(yīng)用減水劑以減少水泥用量,有條件時宜應(yīng)用粉煤灰。3.2原材料控制國標(biāo)<GB50086-2001>對噴射混凝土原材料有嚴(yán)格要求,但現(xiàn)狀卻不太令人滿意,問題主要有：砂石料中石粉與含泥量大砂石料級配不好粗骨料中針片狀含量大砂石料中超標(biāo)粒徑骨料含量大速凝劑質(zhì)量與穩(wěn)定性〔包含可泵工藝性因此要針對不同原材料質(zhì)量水平調(diào)整配合比。稀薄流濕噴機(jī)對原材料質(zhì)量要求相對低一些。要特別重視液體速凝劑試驗(yàn)與選擇,它與成本和質(zhì)量關(guān)系重大,要點(diǎn)包含以下六個方面：凝結(jié)時間與摻量試驗(yàn)<標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件>強(qiáng)度損失試驗(yàn)與水泥相容性試驗(yàn)最佳摻量試驗(yàn)對水灰比敏感性試驗(yàn)<指實(shí)際使用水灰比>工藝性檢測<雜質(zhì)、沉淀,決定可泵性>3.3設(shè)備配置設(shè)備配置要體現(xiàn)濕噴工藝的特性,并根據(jù)承包商的施工組織和經(jīng)濟(jì)承受能力確定,推薦兩種配套方案。自動拌合站--運(yùn)輸罐車--濕噴機(jī)〔或濕噴機(jī)組強(qiáng)制式攪拌機(jī)--運(yùn)輸罐車--濕噴機(jī)--作業(yè)臺架在設(shè)備配置時要注意各種設(shè)備生產(chǎn)能力的合理匹配,保證連續(xù)作業(yè),提高作業(yè)率,最終提高綜合工效。3.4重視班組建設(shè)人員配備上要重視濕噴機(jī)司機(jī)的作用<濕噴特點(diǎn)>,需要專業(yè)培訓(xùn),持證上崗,按程序保養(yǎng)設(shè)備<專業(yè)保養(yǎng)工>。經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)、有經(jīng)驗(yàn)的濕噴機(jī)司機(jī)和噴射手可以降低回彈和節(jié)省濕噴機(jī)配件費(fèi)用,要重視對司機(jī)和噴射手的培訓(xùn),培訓(xùn)合格方能上崗,合格的司機(jī)和噴射手屬于專業(yè)技能員工,保證這兩類員工的相對穩(wěn)定性,重點(diǎn)大型工程可配備專業(yè)維護(hù)保養(yǎng)工。4噴射混凝土成本分析與控制在分析噴射混凝土成本時,要建立宏觀效益概念,從宏觀效益和直接成本兩方面來進(jìn)行綜合分析,見表5,算小帳,更要算大帳。4.1成本構(gòu)成及其關(guān)鍵因素在成本分析時要重點(diǎn)分析對材料的節(jié)約<特別是速凝劑>和對工程噴射混凝土總量的控制以及對安全和工期的影響。設(shè)備購置和配件費(fèi)用本是成本構(gòu)成中的小頭,但是它卻最受關(guān)注,這是一個誤區(qū)。直接成本構(gòu)成及影響因素見表6