湿喷技术前景

**湿喷技术的应用前景关键词：湿喷技术,隧道复合衬砌结构,喷射混凝土设计

1支护技术发展趋势与湿喷技术内涵1.1支护技术发展趋势隧道复合衬砌结构已成为主流，单层衬砌也得到重视和发展，喷射混凝土设计基准强度将提高<应与二衬混凝土同标号>，环保要求将越来越严，作业人员的环保意识也越来越强。由中国科协编制的《2020中国的工程技术》白皮书提出：常规混凝土由C20-C30提高到C40-C60，高强混凝土由C50-C80提高到C60-C100，发展纤维混凝土和高性能混凝土，重视混凝土耐久性指标。1.2喷射混凝土技术的发展湿喷是发展趋势，据ITA1996年统计资料，日本1996年湿喷在喷射混凝土总量中的比例是80%，而这一比例在2002年发展至97.6%。我国从八十年代在重点工程建设中引进国外设备开始应用湿喷技术，九十年代后期以TK961的成功研制推动了我国湿喷技术的应用与发展。进入二十一世纪后，基于结构耐久性的要求，提出了发展高性能喷射混凝土技术的要求。从我国总体水平看，喷射混凝土技术发展落后于隧道施工技术的发展，初期支护施工是隧道施工的薄弱环节，推动喷射混凝土技术发展的因素见表1：1.3湿喷技术的内涵湿喷并不只是一种工艺的选择，也并不只是单纯追求粉尘和回弹的降低，而是以质量控制为核心的一种新的喷射混凝土技术体系，其技术内涵从以下七个方面得到体现。从根本上解决粉尘问题可建立质量保证体系，对喷层质量实施有效控制充分享受混凝土技术发展成果，发展喷射混凝土复合材料技术发展高性能喷射混凝土技术发展绿色喷射混凝土技术发展单层衬砌技术实现喷射混凝土作业机械化与混凝土制备商品化1.3.1粉尘控制干喷：水泥以游离态颗粒形式存在，在搅拌、运输、上料以及机旁(结合面、余气口)、喷嘴处产生大量粉尘；湿喷：水泥在塑性混凝土中以浆体形式存在，整个工艺过程中除喷嘴处在水雾中有少量水泥颗粒外，基本无粉尘。水泥粉尘中的SiO2对人体非常有害，长期吸入将容易使人患上严重的职业病--矽肺病。1.3.2湿喷工艺可以建立质量管理体系，对喷射混凝土质量实施有效控制喷射混凝土质量控制指标应该包含：平均强度、匀质性（变异系数）、密实性、早期强度、黏结强度。影响喷射混凝土质量指标的因素除了与普通浇注混凝土相同的水灰比外，还有喷射混凝土的特有因素：速凝剂、喷嘴料流质量、射流密实过程。1.3.2.1水灰比控制水灰比是混凝土强度和耐久性的决定性因素，是混凝土配合比设计与试验最关键的参数。混凝土中除化学结合水和凝胶水外，其余水分在混凝土硬化后蒸发，在水泥石中形成毛细孔，因此水灰比决定了水泥石的孔隙率和孔的形状，水灰比越低，孔隙率就越低，混凝土渗透性就越低，混凝土耐久性就越好。强度与水灰比关系如下式：

那么，喷射混凝土是如何控制这个最重要指标和参数？干喷：喷射手通过人工控制一个阀门去适应一个变量(喷射管内混凝土物料流量不稳定)-使得水灰比处于不可控或粗约控制状态。湿喷：通过设备(搅拌机)对水量进行自动计量去适应定量(每盘搅拌量)-使得水灰比处于完全可控状态，可以建立质量保证体系。1.3.2.2速凝剂控制速凝剂也是影响喷射混凝土性能的一个重要指标，影响喷射混凝土早期强度发展与后期强度水平，同时对回弹和喷层密实性产生重要影响。潮喷工艺对速凝剂掺量的控制同样是粗放的，基本是由人工凭经验在上料处通过抛撒控制，计量不准同时混合不匀。而湿喷可以通过计量泵对掺加比例进行准确控制并在喷嘴处通过高速射流均匀混合。1.3.2.3品质管理与匀质性喷射混凝土强度在一定范围内离散分布，正常情况其分布规律符合正态分布曲线（图1），喷射混凝土强度检验准则是根据平均强度和变异系数综合控制。因此对喷射混凝土的质量控。

制不但要控制平均强度，同时还必须控制变异系数。由于湿喷工艺能够对水灰比进行准确控制，因此强度变异系数小，喷层结构可靠性高。而干喷工艺据欧洲规范（EFNARC）7.3表述："对于干喷工艺难于预设水灰比。实际水灰比一般在0.35~0.5的范围内波动。经估算，相应强度波动可达15MPa以上"。根据中铁西南院大量试验数据表明：湿喷混凝土强度变异系数可控制在10%左右，达到国标优质标准。1.3.2.4喷射混凝土密实性及整体性控制与普通浇注混凝土的振捣密实原理不同，喷射混凝土通过高速射流密实，其密实度与射流过程关系密切。混凝土密实性是耐久性和抗渗性的关键，高耐久混凝土必须首先具备高密实性。湿喷工艺从三个环节改善和提高了喷射混凝土的密实性：比干喷工艺更高的射流速度，塑性混凝土输送与喷射射流密实过程中水泥浆体对砂石料的包裹作用（水泥裹砂）改善了混凝土骨料与水泥浆的界面结构，充分与均匀的水化作用消除了喷层分层（由水灰比过大或过小造成）的风险。据中铁西南院试验数据，C25喷射混凝土其抗渗标号可达S12以上，其容重比使用相同骨料的干喷工艺增加100Kg/m3以上。1.3.3发展复合材料技术由于湿喷工艺喷射的是成品塑性混凝土，因此可以充分应用混凝土技术发展成果，发展复合材料技术，包含外加剂、矿物掺加料、纤维（合成纤维与钢纤维）的应用。高效减水剂与矿物掺加料的应用，使新拌混凝土可以在远低于水泥能充分水化的水灰比（水胶比）条件下配制，是发展高性能混凝土的基础。在湿喷工艺条件下，凡混凝土技术领域的技术成果均可移植或嫁接到喷射混凝土技术中来。而干喷工艺却由于缺乏水的载体作用，外加剂或掺加料无法在拌和物中得到均匀混合而限制了许多混凝土技术成果在喷射混凝土技术领域的应用。干喷混凝土只是最传统意义上的混凝土，而今日混凝土技术已进入高新技术时代。应大力提倡和推广在混凝土中掺加硅粉、粉煤灰、磨细矿碴等矿物外掺料，超细矿物粉通过微粒填充和火山灰活性反应大幅度改善了混凝土性能，特别是密实性。应大力推广应用合成纤维喷射混凝土技术，它既可以改善混凝土力学性能（主要是抗裂），同时还可以降低回弹，使用成本也不高。1.3.4发展高性能喷射混凝土技术高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。高性能混凝土最主要的特征是强调混凝土的耐久性。由于湿喷工艺特性，可以在高性能混凝土技术基础上发展高性能喷射混凝土，中铁西南院已进行了相关试验，根据目前国内材料工艺等条件，完全可以实施到C50的高性能喷射混凝土。高性能喷射混凝土的技术途径：低水灰比(高效减水剂)，超细矿物粉掺加料，高密实度与裂纹控制，改善过渡层及其界面结构。1.3.5发展绿色混凝土技术建立绿色喷射混凝土概念，绿色喷射混凝土有四层含义：减小水泥用量(应用高效减水剂)应用粉煤灰、硅粉、磨细矿碴替代水泥(实现工业废碴资源化)减小单位工程喷射混凝土总量(提高标准)发展与应用无碱中性速凝剂前三层含义都是为了减少混凝土中水泥用量，通过减少水泥用量来减少水泥生产过程中向大气层中的CO2排放量。据资料介绍，每生产1t水泥，就要产生1tCO2。中铁西南院试验了一种粉煤灰高掺量配合比，水泥量330Kg，粉煤灰掺量100Kg，喷射混凝土标号C25，抗渗标号S15。无碱速凝剂既是对操作人员的健康保护，同时也改善了混凝土品质，应大力提倡和推广。1.3.6发展单层衬砌技术单层衬砌结构具有简化工序、降低成本、缩短建设工期的作用，但由于人们对喷射混凝土质量控制的疑虑（特别是匀质性和耐久性），使得这种结构的应用范围受到极大限制。的确在干喷工艺条件下，喷射混凝土品质很难令人满意，随着湿喷技术的推广，高性能喷射混凝土技术的发展，单层衬砌结构一定会得到发展。"早期，在采用干喷的情况下，隧道工程中的喷混凝土支护是施作现浇混凝土衬砌前围岩临时防护的同义词。由于湿喷方法的引入以及速凝剂自动精确计量设备的使用和各种纤维材料加固的选择，目前，喷混凝土作为一种高品质的混凝土被越来越多的人所接受，经常作为隧道的永久衬砌。"这是K.Garshol,在2002年第9届喷混凝土国际会议主题报告。1.3.7支护作业机械化与混凝土制备商品化目前的干喷工艺使喷射作业还停留在手工小作坊时代（单机搅拌、小型机械运输、人工上料、人工控制水灰比与速凝剂掺量），作业环境差、劳动强度大、质量控制水平低，材料消耗高、生产效率低。与目前的社会经济发展水平极不适应，与党中央构建和谐社会和科学发展观（可持续发展）的要求极不适应。湿喷工艺可以使喷射作业实现集中搅拌（搅拌站）与自动计量、机械化运输与上料，使喷射作业进入现代工业化时代。湿喷工艺使喷射混凝土使用商品混凝土有了可能，商品混凝土是混凝土从小生产方式向工业化大生产转变的象征；是普通混凝土技术向高性能混凝土发展的关键。应该建立支护施工机械化作业线?自动搅拌站搅拌输送罐车<兼顾上料机械化>喷射机与作业台架喷射机组与机械手<环境、安全、劳动强度>2湿喷机与均匀稀薄流输送技术2.1湿喷机分类湿喷机分为两大类：管道稠密流泵送型和管道稀薄流风送型。共有三种机型：泵送式、转子活塞式、转子式（主要适用于干喷），表2给出了两类湿喷机特征分析：2.2均匀稀薄流输送技术稀薄流不等于均匀稀薄流，二者概念不同。稀薄流：凡以压缩空气为管道输送动力的喷射机均为稀薄流类喷射机。稀薄流喷射机其管道流动形态有五种（图2）。均匀稀薄流：管道内混凝土以颗粒态均匀悬浮在管道内（图2中a形态），水泥浆体完全包裹砂石颗粒表面，没有团粒状混凝土，也没有单纯的水泥浆体存在。

均匀稀薄流的优点不易堵管，喷嘴无脉冲，风量风压适中，喷嘴后座力小，喷层平整（喷嘴操控性）混凝土不离析，水泥浆完全包裹砂石，起到了水泥裹砂（石）作用，改善了水泥石与砂石的界面结构，喷层强度和密实性提高，匀质性好回弹小，水泥浆包裹骨料的黏结作用与速凝剂混合均匀喷嘴不跌浆，喷层不易剥落掉块2.3均匀稀薄流湿喷机关键技术稀薄流湿喷机要实现均匀稀薄流，必须解决以下三项关键技术问题，见表3：2.4转子活塞式湿喷机解决三大关键技术的途径如图3、图4所示，转子活塞式湿喷机采用了一种独创的喂料机构原理-转子活塞凸轮喂料机构，通过活塞强制喂料和强制清洗彻底解决料腔与塑性混凝土拌和物的黏结问题；通过多缸（三缸）径向喂料（进风方向与喂料方向垂直）实现了管道内塑性混凝土拌和物的均匀稀薄流输送；同时由于管道内混凝土流动形态是均匀稀薄流，并使用了高精度计量泵，因此实现了对速凝剂的精确控制和均匀混合。它将活塞泵送与管道风送的优点进行了有机结合，在稀薄流湿喷机领域处于国际先进水平。转子活塞式湿喷机是我国对世界喷射机行业的一次原创性知识产权贡献。3应用湿喷技术的关键环节要充分体现湿喷效果，就必须改变传统的干喷粗放管理模式，建立与湿喷工艺相适应的施工组织和作业模式。只有用湿喷的理念和遵循湿喷技术规律才能搞好湿喷，那种只购买一台湿喷机而沿用干喷的观念和管理模式是很难搞好湿喷的。要把握好四个关键环节：配合比设计与试验原材料控制班组建设设备配置3.1配合比设计与试验必须高度重视配合比设计，建立混凝土拌和物工作度概念(相当于混凝土可泵性)，喷射混凝土工作度是流动性和粘聚性的综合体现。最适宜喷射混凝土坍落度，稀薄流：8~12cm，稠密流:12~18cm，同时要具有良好的粘聚性。喷射混凝土工作度不但影响湿喷机的工作效能，同时对喷射混凝土性能也有重要影响（表4）。配合比设计必须按强度、工作度、耐久性进行多指标控制。基准配制强度的确定(必须考虑速凝剂和质量控制水平的影响)按强度要求决定水灰比(耐久性指标)用水量决定坍落度（与减水剂相关）水泥用量-由水灰比和用水量间接确定砂率(综合考虑回弹与和易性要求)经验表明：湿喷混凝土配合比应注意以下几点：宜使用细度模数大于2.5的中粗砂，砂率宜为60%左右，骨料最大粒径宜控制在10mm，应控制机制砂石料中石粉含量和针片状含量，宜应用减水剂以减少水泥用量，有条件时宜应用粉煤灰。3.2原材料控制国标(GB50086-2001)对喷射混凝土原材料有严格要求，但现状却不太令人满意，问题主要有：砂石料中石粉与含泥量大砂石料级配不好粗骨料中针片状含量大砂石料中超标粒径骨料含量大速凝剂质量与稳定性（包含可泵工艺性）因此要针对不同原材料质量水平调整配合比。稀薄流湿喷机对原材料质量要求相对低一些。要特别重视液体速凝剂试验与选择，它与成本和质量关系重大，要点包含以下六个方面：凝结时间与掺量试验(标准实验条件)强度损失试验与水泥相容性试验最佳掺量试验对水灰比敏感性试验(指实际使用水灰比)工艺性检测(杂质、沉淀，决定可泵性)3.3设备配置设备配置要体现湿喷工艺的特性，并根据承包商的施工组织和经济承受能力确定，推荐两种配套方案。自动拌合站--运输罐车--湿喷机（或湿喷机组）强制式搅拌机--运输罐车--湿喷机--作业台架在设备配置时要注意各种设备生产能力的合理匹配，保证连续作业，提高作业率，最终提高综合工效。3.4重视班组建设人员配备上要重视湿喷机司机的作用(湿喷特点)，需要专业培训，持证上岗，按程序保养设备(专业保养工)。经过专业培训、有经验的湿喷机司机和喷射手可以降低回弹和节省湿喷机配件费用，要重视对司机和喷射手的培训，培训合格方能上岗，合格的司机和喷射手属于专业技能员工，保证这两类员工的相对稳定性，重点大型工程可配备专业维护保养工。4喷射混凝土成本分析与控制在分析喷射混凝土成本时，要建立宏观效益概念，从宏观效益和直接成本两方面来进行综合分析,见表5，算小帐，更要算大帐。4.1成本构成及其关键因素在成本分析时要重点分析对材料的节约(特别是速凝剂)和对工程喷射混凝土总量的控制以及对安全和工期的影响。设备购置和配件费用本是成本构成中的小头,但是它却最受关注，这是一个误区。直接成本构成及影响因素见表6