噴射混凝土應用、性能優(yōu)化、微觀結構以及作用機理研究進展

魏忠，張新勝，宋姍，吳躍輝，賈亞瓊

（河南中建西部建設有限公司，河南 鄭州 451450）

1 噴射混凝土的特點及應用現(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，常常被應用在土木工工程等領域中，是當代應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，將預先設計好的配合比的各組成料在管道運輸作用下，被送到噴嘴處以后，在較短的時間內(nèi)被以較高的速度噴射到受噴面而凝結形成的混凝土[2-3]。噴射混凝土的特點主要有：（1）具有較高的初期強度，（2）緊密貼實，（3）使用范圍廣，（4）自密實，（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、巖石邊坡護坡、建筑結構加固等工程中得到了廣泛的應用。另外，噴射混凝土在我國基礎設施建設和城市建設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[4]。國內(nèi)外學者目前對于噴射混凝土施工工藝方面的研究已較為系統(tǒng)、完整，但對其微觀作用機理及應用性能優(yōu)化方面的研究還較為匱乏。

2 相關性能研究進展

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、孔隙結構分析方法等。國內(nèi)方面：石建對速凝劑的用量、水泥的種類和水灰比等進行了試驗，并探討了它對噴射混凝土初凝時間和最終凝固時間的影響；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系，并且表明了噴射混凝土微觀結構的密實度與水膠比有關；王曉麗[6]通過 x 射線衍射和表面形貌測試與分析，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硬化的快慢。國外方面：Jong-Pil Won[7]通過試驗研究表明低堿型水泥與試驗用的速凝劑發(fā)生反應時，均不會隨時間的進行而發(fā)生膨脹；而高堿型水泥的情況則恰恰相反；C.Paglia[8]的研究結果認為速凝劑可促使噴射混凝土的微觀結構變得更加密實，縮短了水泥的凝結時間；國外學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構模型。

2.2 噴射混凝土強度性能的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學者相繼對噴射混凝土的強度進行了研究，并分析了噴射速度與噴射混凝土抗壓強度之間的關系，最終的研究結果表明混凝土噴射的快慢與強度的大小成正比例關系，即混凝土的噴射速率越小，則混凝土越松散，其強度也就越低；反之，則其強度也就越大。Christopher K.Y.Leung[9]通過試驗分析，表明 FRS（噴射纖維混凝土）的抗壓強度與 FRC（纖維混凝土）相比有所提高；朱永全[10]等相關人員的研究表明：纖維加入到噴射混凝土中以后，其強度水平相對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]分析了強度與孔徑分布之間存在的關系。國外還有學者研究了不同鋼纖維含量混凝土的力學性能，并分析了不同鋼纖維含量對噴射混凝土強度和應力峰值的影響。

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。相關研究發(fā)現(xiàn)噴射混凝土的早期開裂程度較低時，粉煤灰的最佳摻量是介于10%～20% 之間；研究人員通過試驗研究，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，對其自收縮性能起到很好地改進作用。

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構特征所決定的。國內(nèi)外的相關研究主要有：在混凝土中加入硅灰和粉煤灰后，對該混凝土的抗?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]采用了多種測試方法研究了噴射混凝土的抗?jié)B性，得出了通過復摻硅粉和鋼纖維可使其抗?jié)B性得到一定程度改善的結論；A.Tagnit-Hamou[14]通過將聚丙烯纖維添加到噴射混凝土中的試驗研究，發(fā)現(xiàn)添加聚丙烯纖維可以改善混凝土的孔結構；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)有文獻對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系；趙喜忠[17]的試驗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、及其微觀結構存在很大的關系；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展

噴射混凝土的發(fā)展始于美國，至今已超過了一個世紀。經(jīng)過瑞士研制的轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機、奧地利采用的噴射混凝土支護技術等相關國家的發(fā)展研究，噴射混凝土技術在國外已經(jīng)得到了長足的發(fā)展。在我們國家，噴射混凝土技術及其噴射機的發(fā)展始于二十世紀六十年代初，干式噴射混凝土也是在此時期發(fā)展起來的，而濕式的發(fā)展則相對滯后了二十年左右。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，距今已有大半個世紀的研究史。 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，不利于其后期強度的增長，可使其僅達到原有強度的 50%～80%。針對以上堿性促凝劑存在的缺點，由美國所研制出的粉狀無堿性促凝劑應運而生，但因為氯離子的腐蝕作用，限制了該類型速凝劑的應用范圍。

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的人員進行研究。具體研究情況有：根據(jù)國外文獻可知，液體堿性速凝劑始于瑞典，且加入此類速凝劑后，混凝土的后期強度會有較大的削弱；蔡熠[21]等人的試驗研究表明，硅酸鈉速凝劑的凝結性能與溫度有較大的關系；由相關文獻可知，Snyder、Angelskaar、Buegre[22]分別成功研發(fā)出了低堿、無堿、復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度；Burge[22]通過試驗研究，研制出可使混凝土強度損失甚微的無堿型的液體促凝劑；有學者研制出了可存放時間較長的硫鋁酸鈣—鋁酸鈉基低堿速凝劑。

4 噴射混凝土應用問題防治及優(yōu)化研究進展

魏耀宇[25]的噴射混凝土的高耐久性試驗研究指出，噴射混凝土在施工時可能存在的問題有：（1）噴射混凝土的耐久性會受到配合比設計、施工質(zhì)量等一些因素的影響，導致其耐久性不能滿足設計的要求；（2）施工時會出現(xiàn)較多的粉塵，回彈率高；（3）混凝土會出現(xiàn)后期強度較低的現(xiàn)象；（4）噴射混凝土傾向于收縮和開裂。其他學者通過現(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重的結論。

由相關文獻以及研究人員的試驗研究表明，為了確保噴射混凝土的耐久性能，在施工中需注意的事項主要有：（1）噴嘴處有風壓和水壓兩種壓力，在進行噴射混凝土施工時，風壓一定要低于水壓才可順利施工；（2）施工時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）操作人員應該隨時注意機器設備的生產(chǎn)、運轉(zhuǎn)情況；（5）為了確保噴射混凝土的密實性，可使噴射出的混凝土與受噴面成 90°的夾角；（6）噴射混凝土施工時會進行分層噴射，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行下一層的施工；（7）當噴射混凝土的面積過大時，應提前做樣板；（8）用錘擊聽聲的方法來對噴射混凝土的強度進行檢查，并對檢查出的問題進行及時的處理。遲一恒對濕噴法的研究表明，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。國外學者以直徑為 5cm 的管為研究對象，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度有了較大幅度的上漲，和普通混凝土相比，其抗彎強度提高了 80% 以上。丁鵬[26]通過對分別在混凝土中添加硅灰、粉煤灰的試驗分析表明：硅灰的加入使混凝土的初期強度有了一定的提升，而粉煤灰的加入則可使噴射混凝土的初期強度、后期強度分別有所減小和提升；N.De Belie[27]對含堿型、鋁酸鹽型、無堿型與水泥漿體硬化的關系進行試驗研究，得出堿性速凝劑可以更好地使其凝結硬化，尤其齡期在 1.5h 以內(nèi)時，其凝結硬化效果更加顯著，但堿型速凝劑的加入會使其抗壓強度有較大幅度的下降，因此為解決噴射混凝土強度較低的現(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，抑制其早期開裂的效果最好；學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 結束語

目前噴射混凝土已得到廣泛的應用，但由于噴射混凝土在工程應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，應加強對噴射混凝土的研究工作。