喷射混凝土及速凝剂的应用发展现状

引言我国基础设施建设工程正逐年增加，水泥及混凝土的消耗量也处于高位。2020年中央预算内投资安排为6000亿元，比去年增加224亿元，重点支持新型基础设施建设，并加强交通、水利等重大工程建设。据中国混凝土与水泥制品协会年度报告显示，2020年中国全年水泥产量达到23.77亿吨，同比增长1.6%；2020年我国预拌混凝土总产量为28.43亿立方米，同比增长2.89%[1]。因此大量基础设施建设工程的推进将大力推动喷射混凝土和外加剂行业的快速发展。

在未来一段时间内，隧道建设、煤矿加固、城市道路和防水设施维修等项目对喷射混凝土的需求将继续保持增长趋势，对包括速凝剂在内的各种化学外加剂需求将不断增加。所以提高喷射混凝土和速凝剂的质量可直接促进我国大量基建工程的施工质量和服役寿命得到提高和改善。本文中主要对我国喷射混凝土和速凝剂的相关知识进行了详细介绍。

1、喷射混凝土工艺发展现状喷射混凝土的工作原理是在压缩空气或高压泵的动力下，通过喷射装置将混凝土拌合物喷射至支护表面并在几分钟内凝结硬化，起到封闭与支护的作用[2]。喷射混凝土技术起始于20世纪的美国，1911年喷射技术首次获得专利并成立CementGun公司[3]。喷射混凝土成型工艺主要分为干喷法和湿喷法。干喷法在施工过程中存在粉尘量和回弹量均较大、工作环境恶劣、喷料时有脉冲现象且均匀度差、实际水灰比不易准确控制、生产效率低、配套使用的碱性粉状速凝剂会造成后期强度损失大、耐久性差等缺点[4]。因此喷射工艺也逐步由干喷法转为湿喷法施工，湿喷法与干喷法的工艺特点见表1。

20世纪60年代末期，我国冶金、水电部门开始研究喷射混凝土技术及设备。随着新奥法施工技术的引进，第三冶金建设公司和冶金部建筑研究院合作，成功地首次应用喷射混凝土技术建造了鞍钢弓长岭铁矿的矿山运输巷道[5]。北京地铁工程也曾使用喷射混凝土修复因火灾烧坏的钢筋混凝土衬砌，为我国早期喷射混凝土技术的研究与开发奠定了坚实的基础[6]。20世纪80年代初，由于施工环境安全和施工人员少等优点，我国开始采用湿喷混凝土技术并逐渐在其他地区推广应用。但与国外湿喷机相比，我国湿喷机仍存在整体性能落后、稳定性差，以及配套的液体速凝剂的性能和应用技术欠缺等问题，这在一定程度上阻碍了湿喷混凝土工艺在我国的发展。目前，湿喷混凝土在我国的喷射混凝土施工中约占50%，而其他国家如意大利、瑞典、日本等国家均达到85%以上。近几年我国湿式混凝土喷射机已逐渐发展成熟，在部分工程（尤其是水利工程）中也成功应用了湿喷混凝土。湿喷混凝土工艺是喷射混凝土技术未来发展的主流方向。2、喷射混凝土施工设备

2.1干式混凝土喷射机1942年，瑞士ALIVA公司研发出干式转子式喷射设备，之后其他国家陆续研发出多种干式喷射机。干喷机根据结构形式分为双罐式、螺旋式、转子式。欧美等国部分生产商的干喷机技术规格见表2[7]。

20世纪60年代初期，我国开始展开混凝土喷射机的研发工作，并研制出冶建-65型、HLP-701型等干式混凝土喷射机[8]。国内部分干喷机技术规格见表3。

在1986～2000年期间，我国研发的潮喷机推动了喷射混凝土在地下井工煤矿的应用。但干（潮）喷施工作业仍然存在粉尘大、回弹率高、喷射质量差等弊端。因此国家安监总局在2010年规定禁止干式混凝土喷射设备在煤矿等行业中使用，并将其列为淘汰产品[9]。2.2湿式混凝土喷射机混凝土湿喷机根据工作原理不同分为风送型和泵送型两大类[10]。中国早期研制出的风送型湿式混凝土喷射机有TK-961型湿喷机、SPZ-6型湿喷机等，然而却存在最大输送距离短、回风现象严重等问题。而泵送型湿喷机虽然能够克服其缺点，但其核心技术早期被西方发达国家所垄断[11]。我国早期采用的的湿喷机基本均是国外生产的泵送式湿喷机，包括瑞典芬兰Normet公司、瑞士ALIVA公司、Stabilator公司等，价格昂贵。国外主要湿喷机技术规格见表4。

近年来，随着我国城市地铁工程、铁路隧道、矿产开发等地下基建工程的持续开发，对施工过程中大型喷射设备的需求与日俱增，同时对喷射设备工作性的要求也更为严格。经过多年的研发试验，我国设计生产了大量具有一定智能化程度的新型湿喷机，代表性产品主要包括：（1）三一重工研发SYM5171TPJ车载湿喷机、SPJ3017专用底盘湿喷机和SPJ2010矿用湿喷机；（2）中铁轨道机械公司研发的HPS3016S混凝土湿喷机、HPS5016双臂混凝土湿喷机、HPS08+HBS30喷射机组等湿喷机；（3）徐州工程机械集团有限公司设计的HPS30混凝土湿喷机组、SPB7型湿式混凝土喷射机等湿喷设备。表5是我国最新湿喷机的参数对比。

2.3喷射混凝土机械手近年来，大型机械手湿喷工艺已经成为喷射混凝土施工的一种新型方法，并在隧道施工过程中得到了广泛应用[12]。喷射机械手不仅提升了混凝土施工的工作效率和质量，更重要的是优化了喷射作业环境，保障了工人安全。喷射机械手从20世纪60年代开始在国外使用，目前应用较多的是芬兰的Normet、瑞士的Aliva和Meyco、日本的古河等系列型号[13]。我国从70年代开始研制喷射机械手，目前应用成熟的主要有中联重科的CIFASpritzCSS-3、湖南五新隧道智能装备股份有限公司的CHP30F和WHP30E、中国铁建重工集团有限公司的HPS5016以及徐州工程机械集团有限公司的HPR08等产品。截至2020年国内最新湿喷机械手的参数对比见表6。

随着科学技术和自动化设备的不断更新，全自动型喷射机械手已成为未来的发展趋势。但是现在能用于实际工程中的全自动型喷射机械手较少，能够大规模量产的喷射机械手公司也寥寥无几。虽然全自动喷射混凝土工艺在理想条件下的施工环境中具有很大的应用潜力，但在隧道工程的实际应用中仍然困难重重。如果喷射机械手的研发设计能够打破现有的困境，进一步优化性能，肯定能推广应用到更多的行业领域中。3、喷射混凝土用速凝剂

速凝剂是一种能加快水泥或混凝土在几分钟内完成凝结硬化的化学添加剂。目前，速凝剂已广泛应用于隧道、城建、水利电力涵洞、引水洞等地下工程的喷射混凝土施工及混凝土紧急抢险等工程中[14]。近10年来，喷射混凝土用速凝剂从高碱粉体速凝剂逐步优化为安全高效的无碱液体速凝剂。

3.1粉状速凝剂国外从20世纪30年代开始研究喷射混凝土用速凝剂。最早投入到工程使用的是由瑞士和奥地利共同研制并顺利应用的Sika（西卡）速凝剂[15]。这类以硅酸钠、铝酸钠或碳酸钠为有效成分的传统粉状速凝剂虽然在喷射过程中能够达到速凝，但后期强度损失过大，且存在粉尘大、回弹多、工作环境等安全隐患，国外基本不采用粉状速凝剂。在20世纪60年代开始我国也研发了不同种类的粉状碱性速凝剂，例如红星Ⅰ型、阳泉Ⅰ型、711型、782型、73牌速凝剂、J85型速凝剂等[16]。由于粉状碱性速凝剂具有凝结时间快、早期强度高、掺量（水泥质量的3%～5%）较低以及生产工艺简单的特点，所以早期在国内干喷混凝土施工中大量应用。3.2液体速凝剂随着喷射混凝土技术及设备的进步，各国为了保证建筑物的长期质量于1975年左右开始研究无（低）碱速凝剂。随后1998年左右我国开始逐步展开对液体速凝剂、液体无（低）碱速凝剂、有机无机复合型液体速凝剂的研究和发展[17]。其中液体速凝剂根据含碱量分为高碱、低碱和无碱液体速凝剂，根据速凝组分可分为硅酸盐类、铝酸盐类和硫酸铝类液体速凝剂。硅酸盐类是初期研发的液体速凝剂，主要成分为硅酸钠或硅酸钾。我国最早研制了2种硅酸盐类速凝剂NS1、NS2，主要特点为：可在低温下施工、干缩变形大、掺量大等[18]。铝酸盐类速凝剂一般以铝酸钠（钾）为主要促凝组分，是碱性液体速凝剂的主要品种。现在硫酸铝类是市场上最常见的无碱液体速凝剂。硫酸铝类液体速凝剂的优点主要包括：碱含量低、回弹量低、抗渗性高、28d抗压强度比≥90%等[19-20]。但目前我国无（低）碱液体速凝剂存在稳定性差、相容性差异大、产品种类少、综合性能欠缺、施工技术不完善等问题。近年来我国速凝剂行业结构调整加速，液体速凝剂产量显著提高。据中国混凝土外加剂协会统计，2019年我国速凝剂总产量已将近180万吨，如图1所示。其中液体速凝剂的产量在2015年时为46.96万吨，2019年时产量已达到95.2万吨，所以在不久的未来液体速凝剂必将取代粉状速凝剂成为主流产品。

图1

2011～2019年中国混凝土速凝剂的年产量4、喷射混凝土性能的检测方法及标准规范

4.1工作性能喷射混凝土的成型方式是射流密实成型，不需要传统模筑混凝土中加拆模板、振动捣实等过程，因此对喷射混凝土的工作性有了新的要求。对于湿喷混凝土的工作性，很多研究者将其划分为可泵性、可喷性两方面进行研究[21-22]。

4.1.1可泵性可泵性一般通过流动性、稳定性两方面综合评价。流动性指喷射前的预拌混凝土在输送过程中无阻力通过输送管的流动能力，稳定性指预拌混凝土在泵送过程中始终保持初始拌合状态时材料均匀性的能力[23]。我国GB50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》中对混凝土的坍落度值规定为80~120mm[24]。但坍落度指标仅说明了混凝土的流动变形能力，而流动性并不能保证预拌混凝土在输送管中是否稳定、出现分层离析[25]。所以仅具有可泵送的预拌混凝土并不能保证到达受喷面后混凝土的质量。喷射混凝土除了满足可泵性，在到达受喷面后还应满足可喷性，即在回弹率低、不滑移、不脱落的情况下达到一定的喷射厚度[26]。4.1.2可喷性可喷性一般采用回弹率、喷射层厚度两方面综合评价。可喷性良好表现为到达受喷面的混凝土保持不离析、不掉落，且具有适中的喷射层厚度。目前我国实际施工中的喷射层厚度多采取钻孔、激光断面仪、光带摄影等方法检测，但建筑等行业并未统一规定检测喷射层厚度的方法。我国喷射混凝土回弹率的测试一般是在施工现场进行简单称重，容易受到多种环境因素和人为因素的干扰，误差较大。近年来，采用3D扫描技术测试喷射混凝土的回弹率逐渐进入人们的视线，并具有精度高、操作方便、安全指数高等优点。罗意在隧道喷射混凝土回弹分析中得出结论：三维激光扫描法的精确度更高，且无需直接接触喷射面及混凝土，具有安全高效的特点[27]。有关文献表明[28]，水胶比、砂率、钢纤维、喷射角度及距离、速凝剂掺量等均对可喷性能有一定影响：（1）水胶比增大，喷射层厚度增加、回弹率降低；（2）砂率在50%～70%对喷射有利；（3）速凝剂掺量增加，混凝土回弹率呈现先降低后增加的趋势。喷射混凝土的可喷性决定回弹量、喷射层厚度、混凝土密实的难易程度以及硬化混凝土的性能。因此当喷射混凝土的可泵性与可喷性达到平衡时，才可能获得工程质量较高的混凝土，这也是研究高强喷射混凝土其他性能与工程应用的基础[29]。

4.2速凝剂性能的检测2018年11月1日，GB/T35159—2017《喷射混凝土用速凝剂》国家标准正式实施[30]。标准中规定：无碱液体速凝剂的pH≥2.0，氯离子含量不得大于0.1%，无碱速凝剂的碱含量≤1.0%，以及100mL的液体速凝剂在具塞量筒中静置28d后的分层不得大于5mL。速凝剂的凝结和强度性能指标见表7。

但目前关于速凝剂的强度性能检测存在以下问题：（1）掺加速凝剂砂浆的1d内的早期强度无规定检测方法；（2）速凝剂在实际应用过程中的喷射成型与《喷射混凝土用速凝剂》检测标准中规定的模筑成型性能结果存在差异；（3）喷射成型的混凝土试块1d内的早期强度无标准仪器进行检测。上述问题仍需速凝剂相关标准制定单位提出解决方案进行优化，以推动速凝剂在实际施工中的标准化应用。

4.3喷射混凝土的力学性能喷射混凝土测试强度的方法有破坏性检测和无损检测，其中破坏性检测方法主要有采用喷大板法和钻芯法[31]。涉及到的测试标准主要有：GB/T50107—2010《混凝土强度检验评定标准》、CECS03∶2007《钻芯法检测混凝土强度技术规程》、JGJ/T384—2016《钻芯法检测混凝土强度技术规程》和GB50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》。无损检测是指在不破坏构件内部结构及其使用性能的前提下，利用声、电、光、热等手段测定与水泥基材料性能相关的物理量，从而推定水泥基材料强度、内部裂缝以及缺陷等[32]。涉及到的行业标准有：JGJ/T23—2001《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》、CECS02∶2005《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》、JGJ/T456—2019《雷达法检测混凝土结构技术标准》、GB/T29183—2012《红外热像法-检测建设工程现场通用技术要求》、JGJ/T411—2017《冲击回波法检测混凝土缺陷技术规程》。5、喷射混凝土的应用

喷射混凝土广泛应用于地下工程、岩土工程、修复加固工程、薄壁结构工程、耐火工程、防护工程等土木建筑工程领域（尤其是水利工程、隧道工程施工）[33]。近10年，中国伴随着大规模的高速铁路和公路的建设，喷射混凝土用量越来越大。依照国务院批复的《中长期铁路网规划》，中国高速铁路主通道将达45000km，高速铁路连接线约10000km，城际铁路达10000km以上。到2030年，将继续建设一大批高速铁路和城际铁路隧道，预计总规模在10000km以上[34]。据统计，截至2020年底：我国在建铁路隧道2746座（总长6083km），规划铁路隧道6354座（总长16255km）；我国在建的高铁隧道1811座（累计长度约2750km），规划的高铁隧道3525座（累计长度约7966km）[35]。在隧道建设过程中，由于公路、铁路、水利项目喷射混凝土计算用量与各工程隧道段面面积、设计喷射混凝土厚度、围岩等级等许多条件相关联，因此难以准确计算。结合科学理论计算及实际隧道工程的相关数据，一般的可以按照隧道每延米用喷射混凝土20m3来估计[36]。可估算得出我国在建铁路及高速铁路隧道工程需喷射混凝土1.77亿m3，目前规划的待建工程需喷射混凝土4.84亿m3。因此大量的铁路隧道建设工程需要高质量的喷射混