魏忠，張新勝，宋姍，吳躍輝，賈亞瓊

（河南中建西部建設(shè)有限公司，河南 鄭州 451450）

1 噴射混凝土的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

混凝土由于具有生產(chǎn)工藝簡單、易成型、能耗低、原材料豐富等優(yōu)點(diǎn)，常常被應(yīng)用在土木工工程等領(lǐng)域中，是當(dāng)代應(yīng)用最為廣泛的建筑材料[1]。噴射混凝土是指在必需的壓力作用下，將預(yù)先設(shè)計(jì)好的配合比的各組成料在管道運(yùn)輸作用下，被送到噴嘴處以后，在較短的時(shí)間內(nèi)被以較高的速度噴射到受噴面而凝結(jié)形成的混凝土[2-3]。噴射混凝土的特點(diǎn)主要有：（1）具有較高的初期強(qiáng)度，（2）緊密貼實(shí)，（3）使用范圍廣，（4）自密實(shí)，（5）柔性，（6）降本增效。噴射混凝土已在隧道、礦業(yè)、地下、道路、橋梁、巖石邊坡護(hù)坡、建筑結(jié)構(gòu)加固等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。另外，噴射混凝土在我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市建設(shè)工程中也起到越來越重要的作用，其用量在呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)[4]。國內(nèi)外學(xué)者目前對(duì)于噴射混凝土施工工藝方面的研究已較為系統(tǒng)、完整，但對(duì)其微觀作用機(jī)理及應(yīng)用性能優(yōu)化方面的研究還較為匱乏。

2 相關(guān)性能研究進(jìn)展

2.1 噴射混凝土微觀性能的研究現(xiàn)狀

有很多方法可以研究噴射混凝土的微觀性能，例如：表面形貌分析方法、XRD 分析方法、EDS 分析方法、孔隙結(jié)構(gòu)分析方法等。國內(nèi)方面：石建對(duì)速凝劑的用量、水泥的種類和水灰比等進(jìn)行了試驗(yàn)，并探討了它對(duì)噴射混凝土初凝時(shí)間和最終凝固時(shí)間的影響；丁莎[5]通過 x 射線衍射等方法，探索了噴射混凝土微觀性能與齡期之間的關(guān)系，并且表明了噴射混凝土微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度與水膠比有關(guān)；王曉麗[6]通過 x 射線衍射和表面形貌測(cè)試與分析，發(fā)現(xiàn)石膏在水泥中的形態(tài)，以及 NaAlO2在速凝劑中占比的大小決定了混凝土凝結(jié)硬化的快慢。國外方面：Jong-Pil Won[7]通過試驗(yàn)研究表明低堿型水泥與試驗(yàn)用的速凝劑發(fā)生反應(yīng)時(shí)，均不會(huì)隨時(shí)間的進(jìn)行而發(fā)生膨脹；而高堿型水泥的情況則恰恰相反；C.Paglia[8]的研究結(jié)果認(rèn)為速凝劑可促使噴射混凝土的微觀結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，縮短了水泥的凝結(jié)時(shí)間；國外學(xué)者為了更好地研究混凝土，建立了 Powers-Brunauer、Kumar-Bhattacharjee 等較為常見的微觀結(jié)構(gòu)模型。

2.2 噴射混凝土強(qiáng)度性能的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者相繼對(duì)噴射混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行了研究，并分析了噴射速度與噴射混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，最終的研究結(jié)果表明混凝土噴射的快慢與強(qiáng)度的大小成正比例關(guān)系，即混凝土的噴射速率越小，則混凝土越松散，其強(qiáng)度也就越低；反之，則其強(qiáng)度也就越大。Christopher K.Y.Leung[9]通過試驗(yàn)分析，表明 FRS（噴射纖維混凝土）的抗壓強(qiáng)度與 FRC（纖維混凝土）相比有所提高；朱永全[10]等相關(guān)人員的研究表明：纖維加入到噴射混凝土中以后，其強(qiáng)度水平相對(duì)于普通混凝土來說有了較大的提升，其中，該混凝土的抗?jié)B水壓力增加到一般混凝土的兩倍；Atzeni[11]分析了強(qiáng)度與孔徑分布之間存在的關(guān)系。國外還有學(xué)者研究了不同鋼纖維含量混凝土的力學(xué)性能，并分析了不同鋼纖維含量對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度和應(yīng)力峰值的影響。

2.3 噴射混凝土的耐久性能研究現(xiàn)狀

早期收縮性能：噴射混凝土的收縮以及開裂等現(xiàn)象是由其自收縮等原因造成的。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)噴射混凝土的早期開裂程度較低時(shí)，粉煤灰的最佳摻量是介于10%～20% 之間；研究人員通過試驗(yàn)研究，表明了纖維加入到混凝土中后，可使其保持一天不開裂；國外的研究充分說明了高分子吸水樹脂加入到混凝土中以后，對(duì)其自收縮性能起到很好地改進(jìn)作用。

抗?jié)B性能：噴射混凝土抗?jié)B性能的高低是由其孔隙率和結(jié)構(gòu)特征所決定的。國內(nèi)外的相關(guān)研究主要有：在混凝土中加入硅灰和粉煤灰后，對(duì)該混凝土的抗?jié)B性能有著一定的提升作用；王家浜[12]通過研究得出普通混凝土的抗?jié)B性低于噴射混凝土，并且在合理范圍內(nèi)，噴射混凝土的水膠比越小，其抗?jié)B性也就越好；祝云華[13]采用了多種測(cè)試方法研究了噴射混凝土的抗?jié)B性，得出了通過復(fù)摻硅粉和鋼纖維可使其抗?jié)B性得到一定程度改善的結(jié)論；A.Tagnit-Hamou[14]通過將聚丙烯纖維添加到噴射混凝土中的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)添加聚丙烯纖維可以改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)；Kayali. O、Haque M.[15]等人的研究表明了雙摻膨脹劑、鋼纖維可在一定范圍內(nèi)提高了混凝土的抗?jié)B性。

抗凍性能：現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)噴射混凝土的抗凍性有一定的了解和研究，其中 Ann Lamontagn[16]在1996發(fā)現(xiàn)噴射混凝土的抗凍性能與氣孔分布等因素有一定的關(guān)系；趙喜忠[17]的試驗(yàn)得出引氣劑加入到噴射混凝土中后，可以使其抗凍性得到改善的結(jié)論；Narayanan Neithalath、H. S. Wong[18]的研究表明混凝土的抗凍性能與孔隙的分布狀況、及其微觀結(jié)構(gòu)存在很大的關(guān)系；Mohammad Iqbal Khana[19]的研究充分說明了粉煤灰加入到噴射混凝土中后，可以改善其抗凍性。

3 噴射混凝土用新型速凝劑研究進(jìn)展

噴射混凝土的發(fā)展始于美國，至今已超過了一個(gè)世紀(jì)。經(jīng)過瑞士研制的轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)、奧地利采用的噴射混凝土支護(hù)技術(shù)等相關(guān)國家的發(fā)展研究，噴射混凝土技術(shù)在國外已經(jīng)得到了長足的發(fā)展。在我們國家，噴射混凝土技術(shù)及其噴射機(jī)的發(fā)展始于二十世紀(jì)六十年代初，干式噴射混凝土也是在此時(shí)期發(fā)展起來的，而濕式的發(fā)展則相對(duì)滯后了二十年左右。目前，噴射混凝土的新研究主要集中在新型促凝劑上，促凝劑可分為粉狀促凝劑和液體促凝劑。

3.1 粉狀速凝劑的研究

該類型的速凝劑始于瑞士的 SIKA 公司，距今已有大半個(gè)世紀(jì)的研究史。 具體研究情況：Park H G、Sung S K、Park C G[20]等人的研究表明，含一定堿性的促凝劑加入到混凝土中后，不利于其后期強(qiáng)度的增長，可使其僅達(dá)到原有強(qiáng)度的 50%～80%。針對(duì)以上堿性促凝劑存在的缺點(diǎn)，由美國所研制出的粉狀無堿性促凝劑應(yīng)運(yùn)而生，但因?yàn)槁入x子的腐蝕作用，限制了該類型速凝劑的應(yīng)用范圍。

3.2 液體速凝劑的研究

相比于粉狀促凝劑，液體促凝劑的研究則要滯后四十年左右，此后二十年，液體無堿促凝劑才開始被相關(guān)的人員進(jìn)行研究。具體研究情況有：根據(jù)國外文獻(xiàn)可知，液體堿性速凝劑始于瑞典，且加入此類速凝劑后，混凝土的后期強(qiáng)度會(huì)有較大的削弱；蔡熠[21]等人的試驗(yàn)研究表明，硅酸鈉速凝劑的凝結(jié)性能與溫度有較大的關(guān)系；由相關(guān)文獻(xiàn)可知，Snyder、Angelskaar、Buegre[22]分別成功研發(fā)出了低堿、無堿、復(fù)合無堿方面的液體速凝劑；李龍浩[23]等人的研究表明，將 EDTA、L—抗壞血酸等物質(zhì)加入到無堿液體速凝劑中后，可使其具有較高的穩(wěn)定性；Helmboldt[24]研制出了硫酸鋁基低堿促凝劑，該類型促凝劑可在一定范圍內(nèi)提高噴射混凝土的強(qiáng)度；Burge[22]通過試驗(yàn)研究，研制出可使混凝土強(qiáng)度損失甚微的無堿型的液體促凝劑；有學(xué)者研制出了可存放時(shí)間較長的硫鋁酸鈣—鋁酸鈉基低堿速凝劑。

4 噴射混凝土應(yīng)用問題防治及優(yōu)化研究進(jìn)展

魏耀宇[25]的噴射混凝土的高耐久性試驗(yàn)研究指出，噴射混凝土在施工時(shí)可能存在的問題有：（1）噴射混凝土的耐久性會(huì)受到配合比設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量等一些因素的影響，導(dǎo)致其耐久性不能滿足設(shè)計(jì)的要求；（2）施工時(shí)會(huì)出現(xiàn)較多的粉塵，回彈率高；（3）混凝土?xí)霈F(xiàn)后期強(qiáng)度較低的現(xiàn)象；（4）噴射混凝土傾向于收縮和開裂。其他學(xué)者通過現(xiàn)有的模型，同樣得出了噴射混凝土的早期收縮開裂要比普通混凝土更加嚴(yán)重的結(jié)論。

由相關(guān)文獻(xiàn)以及研究人員的試驗(yàn)研究表明，為了確保噴射混凝土的耐久性能，在施工中需注意的事項(xiàng)主要有：（1）噴嘴處有風(fēng)壓和水壓兩種壓力，在進(jìn)行噴射混凝土施工時(shí)，風(fēng)壓一定要低于水壓才可順利施工；（2）施工時(shí)注意噴射混凝土的噴射順序；（3）噴嘴與受噴面的距離最好介于 0.8～1m 之間；（4）操作人員應(yīng)該隨時(shí)注意機(jī)器設(shè)備的生產(chǎn)、運(yùn)轉(zhuǎn)情況；（5）為了確保噴射混凝土的密實(shí)性，可使噴射出的混凝土與受噴面成 90°的夾角；（6）噴射混凝土施工時(shí)會(huì)進(jìn)行分層噴射，每一混凝土層的薄厚要適中，并且必須要在該層終凝后再進(jìn)行下一層的施工；（7）當(dāng)噴射混凝土的面積過大時(shí)，應(yīng)提前做樣板；（8）用錘擊聽聲的方法來對(duì)噴射混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行檢查，并對(duì)檢查出的問題進(jìn)行及時(shí)的處理。遲一恒對(duì)濕噴法的研究表明，濕噴法可以削弱粉塵的濃度、減少粉塵的回彈量；并且可以使?jié)穹▏娚浠炷恋幕貜椔士刂圃?10% 之下，解決了干法噴射混凝土的粉塵多、回彈率高的問題。國外學(xué)者以直徑為 5cm 的管為研究對(duì)象，探究了其彎曲性能，通過研究分析得出了加入鋼纖維的混凝土管的抗彎強(qiáng)度有了較大幅度的上漲，和普通混凝土相比，其抗彎強(qiáng)度提高了 80% 以上。丁鵬[26]通過對(duì)分別在混凝土中添加硅灰、粉煤灰的試驗(yàn)分析表明：硅灰的加入使混凝土的初期強(qiáng)度有了一定的提升，而粉煤灰的加入則可使噴射混凝土的初期強(qiáng)度、后期強(qiáng)度分別有所減小和提升；N.De Belie[27]對(duì)含堿型、鋁酸鹽型、無堿型與水泥漿體硬化的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出堿性速凝劑可以更好地使其凝結(jié)硬化，尤其齡期在 1.5h 以內(nèi)時(shí)，其凝結(jié)硬化效果更加顯著，但堿型速凝劑的加入會(huì)使其抗壓強(qiáng)度有較大幅度的下降，因此為解決噴射混凝土強(qiáng)度較低的現(xiàn)象，可合理采用無堿速凝劑或加入一定量的纖維和外摻料。

陳科[28]研究探索了粉煤灰對(duì)噴射混凝土初期開裂的影響情況，得出了粉煤灰的占比介于 10%～20% 之間時(shí)，抑制其早期開裂的效果最好；學(xué)者通過研究噴射混凝土的早期收縮性能，發(fā)現(xiàn)粉煤灰加入到混凝土中以后，可以更好地抵抗由于收縮帶來的早期開裂，確保了混凝土的安全穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

目前噴射混凝土已得到廣泛的應(yīng)用，但由于噴射混凝土在工程應(yīng)用中仍存在諸多不足之處，制約了噴射混凝土的發(fā)展，因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)噴射混凝土的研究工作。