喷射混凝土施工工艺

喷射混凝土施工工艺

0喷射混凝土加固原理混凝土粉末是一种速结混凝土，用于加固和保护结构和岩石表面。该技术是借助喷射机械,利用压缩空气或其他动力,将按一定配合比的水泥、砂、石子及外加剂等拌合料,通过喷管喷射到受喷面上,在很短的数分钟之内凝结硬化而成型的混凝土补强加固材料。喷射混凝土主要用于煤矿井巷、隧道、高速公路边坡经锚杆加固后表面喷射加固,简称“锚喷”。喷射混凝土是由喷射水泥砂浆发展而来的。1914年,美国首先采用了喷射水泥砂浆技术进行施工,到了20世纪30年代,由于喷射机具的改进,人们开始试图采用喷射混凝土来衬砌支护隧道。但因为水泥凝结慢,喷射出的混凝土不能与岩石很好的黏结,容易发生坍落现象,致使喷射混凝土这种新工艺遇到了困难。解决问题的办法就是使用速凝剂,它能使喷射出的混凝土迅速凝结硬化,增强了混凝土与岩层的黏结力。20世纪40年代,瑞士、原西德、日本等国生产出了可以喷射含有粗骨料的喷射机械,同时还成功研制了喷射混凝土用的速凝剂,这样就大大提高了喷射的速度和厚度,同时增加了强度并减少了回弹,此后世界各国相继在土木建筑工程中采用喷射混凝土技术。1分散混凝土的原材料1.1泥对混凝土的性能水泥品种和强度等级的选择主要应满足工程使用要求,当加入速凝剂时,还应考虑水泥与速凝剂的相容性。喷射混凝土用水泥可分为三大类:第一类是硅酸盐系列的水泥,如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣碳酸盐水泥,强度等级不应低于32.5MPa。这些水泥用于喷射混凝土时,需要加入速凝剂。速凝剂的掺加量和品种应通过正式配制前试验确定。第二类是专用的喷射水泥(jetcement),这种水泥由于含有快凝快硬的矿物氟铝酸钙(11CaO·7A12O3·CaF2),因此水泥本身即有速凝的性质,10~20min即可终凝,6h强度即可达10MPa以上,1d强度可达30MPa以上。同时该水泥还含有一定量的硅酸三钙(C3S),因此后期强度也较高。如果喷射水泥本身的凝结时间还不符合施工要求,可以掺加专用的调凝剂进行调节。第三类是一些特殊场合使用的混凝土,可以用一些具有特定性能的水泥。例如修补炉衬可用抗硫酸盐水泥等。在这些水泥中一般不掺速凝剂,尤其是高铝水泥,掺加速凝剂会因速凝剂中的干性碳酸盐与高铝水泥的水化物水化铝酸钙反应导致混凝土强度的降低甚至溃裂。1.2料级配对喷混凝土粗集料,卵石或碎石均可,但以卵石为好。卵石对设备及管路磨蚀小,也不像碎石那样因针片状含量多而易引起管路堵塞。尽管目前国内生产的喷射机能使用最大粒径为25mm的集料,但为了减少回弹,集料的最大粒径不宜大于20mm。集料级配对喷射混凝土拌合料的可泵性、通过管道的流动性、在喷嘴处的水化、对受喷面的黏附以及最终产品的密度和经济性都有重要作用。为取得最大的密度,应避免使用间断级配的集料。经过筛选后应将所有超过尺寸的大块除掉,因为这些大块常常会引起管路堵塞。喷射混凝土需掺入速凝剂时,不得用含有活性二氧化硅的石材作粗集料,以免碱骨料反应而使喷射混凝土开裂破坏。细集料可选用无风化的山砂或河砂,细度模数应在2.7~3.7之间,其中直径小于0.075mm的细砂应低于20%。因为砂子过细不仅会影响喷射性能,而且会影响水泥浆与集料表面的黏结。范广勤等以粉煤灰代砂对喷射混凝土进行研究,其喷压层抗压强度和喷压模块抗压强度均达到或略高于原喷射混凝土,在喷射工作面上的回弹率和粉尘也略有降低。1.3减少施工时回弹用于喷射混凝土的外加剂有速凝剂、引气剂、减水剂和增黏剂等。(1)速凝剂。主要目的是使喷射混凝土速凝快硬,减少回弹损失,防止喷射混凝土因重力作用所引起的脱落,提高它在潮湿或含水岩层中使用的适应性能,以及可适当加大一次喷射厚度和缩短喷射层间的间隔时间。我国行业标准JC477—2005《喷射混凝土用速凝剂》的技术要求见表1。客运专线铁路隧道施工中所用喷射混凝土的规定详见文献。我国目前所生产的速凝剂大多含有铝酸钠、碳酸钠、生石灰等碱性物质。其速凝作用的原理是速凝剂中的碱性物质在加水拌和时立即与水泥中用于缓凝作用的CaSO4·2H2O发生反应形成Na2SO4而失去缓凝作用。水泥中的C3A迅速发生水化,并在溶液中析出C3A的水化物而导致水泥很快凝结硬化。(2)减水剂。除可以提高混凝土的强度及耐久性外,还可以减少施工时的回弹量。减水剂应尽量选用非引气型及非缓凝型的减水剂,对减水率无特殊要求。(3)增黏剂。主要增加喷射混凝土对施工面的黏结力,同时减少施工时的回弹率,增黏剂一般由对混凝土性能无有害影响的水溶性树脂组成,掺量可通过试验确定。(4)早强剂。当采用硅酸盐系列的水泥时,为增加喷射混凝土的早期强度,往往需要掺入一些早强剂。早强剂的选用也应通过试验,例如与速凝剂的相容性。另外,如果是钢筋混凝土应选用对钢筋无锈蚀作用的早强剂。高铝水泥由于本身早期强度很高,不需掺早强剂。(5)防水剂。当要求喷射混凝土具有较高的抗渗性时(如有地下水渗漏的地下工程)应在混凝土中掺入一些防水剂,除使用UEA这样的防水剂,还可以采用矾石膨胀剂、三乙醇胺和减水剂进行配制。目前国内使用的喷射混凝土外加剂碱性普遍较高,一方面由于腐蚀性大,施工人员需要相应防护措施;另一方面降低混凝土的早期强度。由于近几年的市场需求,大大刺激了喷射混凝土添加剂的开发研究,国内也出现了一些适应性强、能满足施工工艺要求的复合外加剂。例如由中国地质科学院探矿工艺研究所研制开发的S型湿喷混凝土复合添加剂,通过室内、现场试验证实,早期强度高,速凝效果好,可大幅度地减少混凝土材料回弹,降低粉尘浓度,改善工人劳动环境。中国矿业大学研制的一种新型增稠速凝剂IVA,它具有增稠、速凝、中性、掺量少(以固体计为水泥质量的2.4%),成本低等特点,具有对不同水泥良好的速凝适应性和对早期及后期强度贡献大等特点。沈阳建筑工程学院唐明等人针对不同煤矿现有的无机增黏材料特点,磨细加工处理后,复合高效减水组分和速凝剂,通过正交试验原理配制具有不同特点的低回弹喷射混凝土外加剂。焦作工学院樊文熙等利用工业废渣研制出F型和K型两种高活性细掺料,使用这些高活性细掺料替代30%水泥时,喷射混凝土强度可以提高20%。这些高活性细掺料的要求有:(1)活性大,有助于提高水泥水化程度,从而提高喷射混凝土强度;(2)遇水后有黏聚性,附着力强,有利于降低回弹和粉尘;(3)有微膨胀作用,以便补偿干燥收缩,从而提高喷射混凝土的抗渗性;(4)价格低廉。李保群等提出了一种J型湿润剂用于喷射混凝土降尘;试验研究表明,J型湿润剂对喷射混凝土的主要技术性能有很好的适应性,用于喷射混凝土降尘是十分有效的,其适宜掺量为拌合用水质量的0.5%~07%。樊文熙等利用工业废渣研制两种高活性细掺料:F型高活性细掺料和J型高活性细掺,使用这些高活性细掺料代替30%的水泥时,喷射混凝土强度可以提高20%。2喷射混凝土与成型条件喷射混凝土与浇注混凝土有许多相似之处,但也有许多不同之处:其一,喷射混凝土的施工工艺与成型条件有别于普通混凝土;其二,水泥含量及砂率均较普通混凝土高,水灰比较小,特别是掺入速凝剂后,大大改变了混凝土结构,因此,它的性能与普通混凝土有一定差别。2.1喷射混凝土的力学性能(1)抗压强度。喷射混凝土抗压强度常用来作为评定喷射混凝土质量的主要指标。喷射混凝土在高速喷射时,其拌合物受到压力和速度的连续冲击,使混凝土连续得到压密,因而无需振捣也有较高的抗压强度。其强度发展的特点为:早期强度明显提高,1h即有强度,8h强度可达2.00MPa,1d强度达到6~15MPa。但掺入速凝剂后,喷射混凝土后期强度较不掺的约降低10%~30%,见表2、3。(2)抗拉强度。喷射混凝土用于隧道工程和水工建筑,抗拉强度则是一个重要参数。喷射混凝土的抗拉强度与衬砌的支护能力有很大的关系,因为在薄层喷射混凝土衬砌时,尤其在衬砌突出部位附近易产生拉力应变。喷射混凝土的抗拉强度约为其抗压强度的1/23~1/16。为提高其抗拉强度,可采用纤维配筋的喷射混凝土。喷射混凝土抗拉强度随抗压强度的提高而提高。因此提高抗压强度的各项措施,基本上也适用于抗拉强度。采用粒径较小的集料,用碎石配制喷射混凝土拌合料,采用铁铝酸四钙含量高而铝酸三钙含量低的水泥和掺用适宜的减水剂都有利于提高喷射混凝土的抗拉强度。(3)弯拉强度。抗弯强度与抗压强度的关系同普通混凝土相似,即约为抗压强度的15%~20%。(4)抗剪强度。地下工程喷射混凝土薄衬砌中,常出现剪切破坏,因而在设计中应考虑喷射混凝土的抗剪强度。但目前国内外实测资料不多,试验方法又不统一,难于进行综合分析。(5)黏结强度。喷射混凝土用于地下工程支护和建筑结构补强加固时,为了使喷射混凝土与基层(岩石、旧混凝土)共同工作,其黏结强度非常重要,喷射混凝土黏结强度与基层化学成分、粗糙程度、结晶状态、界面润湿、养护情况等有关。(6)弹性模量。喷射混凝土的弹性模量随原材料配合比、施工工艺等的不同有较大差异。混凝土强度、表观密度越大,喷射混凝土弹性模量越高;骨料弹性模量越大喷射混凝土弹性模量也越高。且潮湿喷射混凝土试件的弹性模量较干燥的高。2.2喷射混凝土的收缩特性(1)收缩变形:喷射混凝土的硬化过程常伴随着体积变化。最大的变形是当喷射混凝土在大气中或湿度不足的介质中硬化时所产生的体积减小。这种变形被称为喷射混凝土的收缩。国内外的资料都表明,喷射混凝土在水中或潮湿条件下硬化时,其体积可能不会减小,在一些情况下甚至其体积稍有膨胀。同普通混凝土一样,喷射混凝土的收缩也是由其硬化过程中的物理化学反应以及混凝土的湿度变化引起的。喷射混凝土的收缩变形主要包括干缩和热缩,干缩主要由水灰比决定,较高的含水量会出现较大的收缩,而粗集料则能限制收缩的发展。因此,采用尺寸较大与级配良好的粗集料,可以减少收缩。热缩是由水泥水化过程中的热升值所决定的。采用水泥含量高、速凝剂含量高或采用速凝快硬水泥的喷射混凝土热缩较大。厚层结构比含热量少的薄层结构热缩要大。许多因素影响着喷射混凝土的收缩值,主要因素有速凝剂和养护条件。有关试验表明:同样在自然条件下养护,掺加占水泥重3%~4%的速凝剂的喷射混凝土的最终收缩率要比不掺速凝剂的大80%;喷射混凝土在潮湿条件下养护时间愈长,则收缩量愈小。(2)徐变变形:喷射混凝土的徐变变形是其在恒定荷载长期作用下变形随时间增长的性能。一般认为,徐变变形取决于水泥石的塑性变形及混凝土基本组成材料的状态。影响混凝土徐变的因素比影响收缩的因素还多,并且多数因素无论对徐变或对收缩是相类似的。如水泥品种与用量、水灰比、粗骨料的种类、混凝土的密实度、加荷龄期,周围介质及混凝土本身的温湿度及混凝土的相对应力值均影响混凝土的徐变变形。2.3喷射混凝土的性能(1)抗渗性:喷射混凝土的抗渗性主要取决于孔隙率和孔隙结构。喷射混凝土的水泥用量高,水灰比小,砂率高,使用集料粒径也较小,因而喷射混凝土的抗渗性能较好。但应注意的是,如喷射混凝土配合比不当,水灰比控制不好,施工中回弹较大,受喷面上有渗水等,喷射混凝土就会难以达到稳定的抗渗指标。(2)抗冻性:喷射混凝土的抗冻性是指在饱和水状态下抵抗反复冻结和融化的性质,一般情况下,喷射混凝土的抗冻性能均较好。这是因为在施工喷射过程中,混凝土拌合物会自动带入一定量的空气,空气含量一般在2.5%~5.3%左右,且气泡一般呈独立非贯通状态,因而可以减少水的冻结压力对混凝土的破坏。坚硬的骨料,较小的水灰比,较多的空气含量和适宜的气泡组织等,都有利于提高喷射混凝土的抗冻性。相反,采用软弱的、多孔易吸水的骨料,密实性差的或混入回弹料并出现蜂窝、夹层及养护不当而造成早期脱水的喷射混凝上,都不可能具有良好的抗冻性。3喷射混凝土施工技术的发展喷射混凝土的施工工艺系统由供料、供气、供水3个子系统组成。这三部分子系统的不同组合方式产生的不同施工工艺和施工技术,对喷射混凝土的质量有着显著的影响,施工费用也各不相同。在过去干喷法、湿喷法的基础上,通过不断的工程试验研究,不断完善和发展了新的喷射混凝土施工技术,如纤维喷射混凝土法、水泥裹砂法、双裹并列法、潮掺浆法等。近20年来,我国的喷射混凝土技术得到了突飞猛进的发展,接近和达到了国际水平。3.1施工设备及施工特点将水灰比小于0.25的水泥、砂子、石子混合料和粉状速凝剂按一定的比例混合搅拌均匀后,利用干式混凝土喷射机,以压缩空气为动力,经输料管到喷嘴处,与一定量的压力水混合后,喷射到受喷面上。如果用专用的快凝锚喷水泥,则可不加速凝剂。它的优点可概括为:(1)施工工艺流程简单、方便,所需施工设备机具较少,只需强制拌和机和干喷机即可;(2)输送距离长,施工布置比较方便、灵活,输送距离可达300m,垂直距离可达180m;(3)速凝剂可提前在喷射机前加入,拌和比较均匀。当然它存在着固有的缺陷:(1)其工作面粉尘量及回弹量均较大,工作环境恶劣,喷料时有脉冲现象且均匀度差;(2)实际水灰质量比不易准确控制,影响喷射混凝土的质量;(3)生产效率低。干式喷射混凝土是应用最广泛的施工方法。其特点概述如下:(1)喷射混凝土混合料是在干燥的情况下充分拌和,然后通过送料软管靠压缩空气送到专用的喷嘴处,喷嘴内装有多孔集流腔,水在压力下通过多孔集流腔与混合料拌和。(2)喷射混凝土的运输、加水拌和、振捣三个工艺程序,均是利用空压机产生的压缩空气通过喷射机使用混凝土以连续高速喷向受喷面,并和受喷面形成整体一次完成。(3)由于混凝土的混合料是在干燥状态下拌和的,水则是在喷射过程中加入,所以,水灰比的掌握完全凭喷射机操作人员的经验。3.2潮式混凝土喷射法将水灰比在0.25~0.35间的混合料和速凝剂按一定比例混合后搅拌均匀,利用潮式混凝土喷射机,以压缩空气为动力,经输料管输送至喷嘴处与补充的压力水混合后喷射于受喷面上。潮喷输料管不宜太长,不宜使用早强水泥,但粉尘和回弹率都比干喷小得多。3.3湿喷法施工特点将水泥、砂子、石子、水按一定比例混合后搅拌成混凝土(水灰比一般为0.5左右,坍落度13cm左右),用泵将搅拌好的混凝土经输料管压送至喷嘴处,与液体速凝剂相混合,借助压风补充的能量将混凝土喷射到受喷面上。湿喷粉尘小、回弹率低、混凝土强度高,但喷射工艺较复杂,对集料和外加剂的要求较高,混凝土输送距离较短(一般不超过50m)。湿喷法施工工艺特性:(1)喷混凝土拌合料拌和充分,有利水泥充分水化,因而混凝土强度较高。(2)水灰比能较准确控制但比干喷法用水量多。(3)速凝剂一般不能提前加入,应在喷射机之后方可加入。(4)粉尘、回弹量均较低,生产环境状况较好。(5)湿喷机具设备较复杂,速凝剂加入较困难,湿喷机分为风动、挤压泵、液压活塞泵、螺旋输送泵等。(6)输料距离和高度远比干喷法要小,喷射系统布置需靠近工作面。(7)由于混合料事前加水,故施工中途不得停机,停喷后要尽快将设备冲洗干净。(8)水泥用量相对干喷法要多,一般达500kg/m3。3.4水泥缆束喷射法水泥裹砂喷射混凝土简称SEC(SandEnvelopedWithCement)喷射混凝土,其实质是用水泥裹注砂料并调制成砂浆,泵送并与干式喷射机输送的干集合料相混合,经喷嘴喷射到受喷面上。水泥裹砂喷射混凝土的特点是黏结性能好,粉尘少(一般为2~10mg/m3),回弹量小,混凝土强度高,输送距离长,一次喷厚度大,有淋水时易于喷敷。但喷射工艺较干喷、潮喷和湿喷都复杂,是干喷与湿喷相结合的喷射新工艺。水泥裹砂法施工工艺特性:水泥裹砂法喷射混凝土是将喷射集料分两条作业线作不同处理后再压入混合管混合,然后通过联接混合管的喷管和喷头喷射到工作面上去的新施工法。喷射混凝土中的砂浆基本上是按湿式拌和和压送,但制造的水泥砂浆与常态水泥砂浆不同,是一种造壳水泥砂浆,其结构合理、强度高,其造壳砂浆结构模型如图4所示。而其他集料,即骨料和速凝剂等基本上是按干式拌和和压送。喷射作业时,将此种造壳砂浆和骨料(干燥状态并含速凝剂)经两条管路压送到混合管中混合后通过喷嘴喷出。3.5纤维喷射混凝土钢纤维喷射混凝土(SteelFiberReinforcedShotcreteorSteelFiberReinforcedSprayedConcrete)是指以气压动力高速度喷射到受敷面上含有不连续分布钢纤维的砂浆或混凝土,亦称喷射钢纤维混凝土。目前,国外使用最多的是钢纤维喷射混凝土。它改变了普通混凝土的脆性特点,具有高强度、大变形及破坏后仍存在较高残余强度的特点,使喷射混凝土的韧性、抗弯、抗剪强度、耐用系数和疲劳极限等都得到极大改善。钢纤维喷射混凝土的柔性大大超过了普通混凝土,抗弯强度约增加50%~100%,抗剪强度提高约30%~50%,韧性提高数倍,在松软、破碎围岩和特殊地下工程中获得愈来愈广泛的应用。纤维喷射混凝土,一般都利用现有喷射混凝土设备和施工工艺,即在上述的干喷、潮喷、湿喷和SEC喷射混凝土中,掺入适量的纤维而形成纤维增强喷射混凝土。过去隧道施工遇到不良地质,就用钢纤维喷射混凝土支护,及时制止了坍塌,施工顺利,尝到了甜头。但掺钢纤维也有其难度:成本高昂、配料搅拌时易结团、喷射时易堵管和钢纤维回弹易伤人,并且由于钢纤维的锈蚀使混凝土表面出现锈斑等。目前也有采用新型材料超混杂纤维代替钢纤维喷射混凝土的研究,其各项物理性能与掺钢纤维混凝土相当,但喷射效果优于掺钢纤维混凝土,且成本低廉,经济效益显著,很有推广价值。3.6两者的区别点双裹并列法喷射混凝土(简称双裹并列法)是在水泥裹砂法的基础上发展而成的一种新工艺,其施工工艺流程如图5所示。在作业方式上虽然它们都是用两条线路输送喷射料物的,外观上有些相似,但实质上两者却有着很大的区别。水泥裹砂法只用了设计用砂量的约一半被水泥包裹,另一半的砂子和全部的粗骨料(石子)并没有用水泥包裹,形成一条“干路”和一条“湿路”,全部喷混凝土材料只有到混合管中才汇齐,水泥造壳是不全面的和不充分的。双裹并列法虽然也是由两条线路输送料物,但“干混合料”线路的砂、石料也都用水泥包裹,不再是水泥裹砂法的干砂石料,而是“双裹(裹石及裹砂)混合料”,另一条“湿路