噴射混凝土研究進(jìn)展與發(fā)展方向

李凱琦，陸銀平，朱伶俐，諶世英

（河南理工大學(xué)，河南焦作 454000）

噴射混凝土是將膠凝材料、骨料等按一定比例拌制的混凝土拌合物送入噴射設(shè)備，借助壓縮空氣或其它動(dòng)力輸送，高速噴至受噴面所形成的一種混凝土。噴射混凝土具有施工速度快、早期強(qiáng)度高、不需振搗等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的適用性，在礦業(yè)工程、鐵路工程和隧道工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。但由于普通噴射混凝土具有強(qiáng)度低、穩(wěn)定性和耐久性差、回彈率高、施工環(huán)境粉塵高等缺點(diǎn)，在一定程度上限制了它的應(yīng)用[3-4]。該論文介紹了高強(qiáng)度和高韌性噴射混凝土的基本配方，以及低粉塵噴射混凝土和噴射水泥的研究思路和主要成果，進(jìn)而指出了噴射混凝土的發(fā)展方向是永久支護(hù)用噴射混凝土和3D混凝土。

1 噴射混凝土研究進(jìn)展

1.1 高強(qiáng)度噴射混凝土研究

通過加入礦物摻合料，如硅灰[5]、磨細(xì)礦渣[6]等，可提高噴射混凝土的強(qiáng)度。本研究采用高活性偏高嶺土為礦物摻合料制備高強(qiáng)度噴射混凝土，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。從表中可以看出，當(dāng)偏高嶺土用量為5%～10%，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著偏高嶺土用量的增加而明顯提高，當(dāng)加入10%偏高嶺土?xí)r，噴射混凝土的28 天抗壓強(qiáng)度達(dá)到51.4 MPa，比基礎(chǔ)樣提高了34.6%；但隨著偏高嶺土用量的繼續(xù)增加，混凝土的強(qiáng)度提高不明顯。利用該配方在焦煤集團(tuán)趙固一礦進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明噴射混凝土的28 天抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)67 MPa，平均強(qiáng)度42.3 MPa，且偏高嶺土的加入可使噴射混凝土的密實(shí)性顯著提高，在巷道壁噴射施工時(shí)，噴射回彈率由20%降至10%。

1.2 高韌性噴射混凝土研究

表1 偏高嶺土對噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

通過加入纖維狀的材料可提高噴射混凝土的韌性[7-9]，本論文系統(tǒng)研究了鋼纖維以及白云母粉對噴射混凝土強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。從表中可以看出，當(dāng)加入鋼纖維后，噴射混凝土的7天抗壓強(qiáng)度均有不同程度的降低，但由于配方中加入了高活性偏高嶺土，其28 天抗壓強(qiáng)度均比基礎(chǔ)配方高；但是鋼纖維可使噴射混凝土的抗折強(qiáng)度明顯提高，當(dāng)加入1%鋼纖維時(shí)，7 天抗折強(qiáng)度提高31%，28 天抗折強(qiáng)度提40%，材料的韌性良好。但是鋼纖維價(jià)格昂貴，施工過程中不易攪拌均勻，且噴射回彈料易劃傷人體，給噴射施工造成諸多不便。

另外，白云母粉對噴射混凝土的7 天強(qiáng)度影響不明顯，當(dāng)加入0.8%白云母粉時(shí)，抗壓和抗折強(qiáng)度均有所降低，隨著白云母粉用量的增加，噴射混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度比基本配方樣品略有增加；但隨著時(shí)間的延長，噴射混凝土的28天強(qiáng)度明顯增加，當(dāng)加入1%白云母粉時(shí)，其28 天抗壓強(qiáng)度提高15.3%，抗折強(qiáng)度提高18.7%。白云母是一種具有彈性的片狀硅酸鹽礦物，經(jīng)過磨礦處理后，其比表面積和徑厚比增大，當(dāng)混凝土受外力作用時(shí)，片狀的結(jié)構(gòu)能有效阻止裂縫的擴(kuò)張，并憑借其片狀結(jié)構(gòu)和彈性來承擔(dān)更大的作用力，因此材料的韌性增加。白云母作為一種礦產(chǎn)資源，具有安全環(huán)保、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在噴射混凝土增韌材料中具有一定的應(yīng)用前景。

表2 增韌材料對噴射混凝土強(qiáng)度的影響

1.3 低粉塵噴射混凝土研究

噴射混凝土支護(hù)工程中，會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，對施工人員的健康和勞動(dòng)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害[10]。研究低粉塵噴射混凝土的主要技術(shù)有兩方面：第一，利用加濕上料機(jī)給噴射混凝土中添加一定的水（約為膠凝材料的10%左右），把噴射混凝土做成松散的潮濕狀態(tài)，仍然使用干噴機(jī)施工，可以看做機(jī)械潮噴；第二，給噴射混凝土配料中添加抑塵劑和減水劑，降低粉塵，提高強(qiáng)度。

在大同同忻煤礦進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，采用加濕上料機(jī)給物料加濕，添加抑塵劑、減水劑和高活性偏高嶺土，可以使噴射混凝土的呼吸性粉塵降低80%，噴射回彈率由25%降低到12%，28 天抗壓強(qiáng)度達(dá)到52 MPa。

1.4 噴射水泥研究

目前，噴射混凝土用的水泥主要是普通硅酸鹽水泥，少數(shù)單位用復(fù)合硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，它們都屬于通用水泥，為了滿足初凝時(shí)間大于45分鐘的技術(shù)要求，這些水泥中都添加了5%～8%的二水石膏做緩凝劑。用含有緩凝劑的水泥，再添加速凝劑制備噴射混凝土，顯然不合理。所以，通過在水泥去掉石膏，經(jīng)過配方調(diào)整，研制噴射混凝土專用水泥，使用時(shí)可以降低速凝劑用量，提高噴射混凝土強(qiáng)度。

當(dāng)基本配方為硅酸鹽水泥熟料80%，偏高嶺土20%時(shí)，當(dāng)加入速凝劑1%時(shí)，其初凝時(shí)間為4：12，終凝時(shí)間為8：40，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)測試，噴射水泥的28天抗壓強(qiáng)度達(dá)到44.2 MPa。因此，依照噴射水泥基本思路，通過配方調(diào)整，在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，利用噴射水泥可以制備50 MPa～60 MPa的噴射混凝土。

表3 速凝劑用量對噴射混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

2 噴射混凝土發(fā)展方向

3D打印技術(shù)是當(dāng)今最重要，也最具活力的前緣技術(shù)之一。在金屬材料領(lǐng)域的3D打印技術(shù)從1986年已經(jīng)商業(yè)化，而3D建筑從2012年才開始研究，至今仍存在一些問題，其最大的技術(shù)障礙就是3D混凝土材料。

3D 打印機(jī)對3D 混凝土的技術(shù)要求是具有泵送混凝土和噴射混凝土的雙重特性，即在打印機(jī)中具有泵送混凝土的流動(dòng)性，在擠出打印機(jī)噴頭后，又像噴射混凝土一樣，立即失去流動(dòng)性，停留在規(guī)定的位置不再移動(dòng)，并很快產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，以承受繼續(xù)打印產(chǎn)生的壓力；同時(shí)，3D 混凝土還必須具備普通混凝土的強(qiáng)度、耐久性等性能指標(biāo)。從這個(gè)意義上講，高性能噴射混凝土最接近3D混凝土，所以，噴射混凝土的發(fā)展方向是3D混凝土。

眾多學(xué)者把3D 混凝土的應(yīng)用定位在建筑3D 打印領(lǐng)域。例如，中國建筑研究院、河北工業(yè)大學(xué)、上海盈創(chuàng)科技有限公司等都致力于3D打印建筑的研究工作，并成功地利用3D 技術(shù)建造了部分建筑，可以說，建筑3D 打印技術(shù)已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，3D 打印建筑時(shí)代或3D 打印建筑與傳統(tǒng)建筑、裝配式建筑三足鼎立的時(shí)代呼之欲出。

3D打印技術(shù)最大的優(yōu)勢就是節(jié)約人力，而就混凝土諸多應(yīng)用領(lǐng)域而言，建筑工程的混凝土施工并不是效率最低的，為此，我們提出“弓形混凝土支護(hù)工程3D打印技術(shù)”，它是3D 混凝土最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，也是噴射混凝土最重要的發(fā)展方向。

“弓形混凝土支護(hù)工程3D打印技術(shù)”也可以叫做“弓形混凝土支護(hù)工程智能制造成套技術(shù)”，它的主要應(yīng)用領(lǐng)域在隧道、涵洞、地鐵、民防、煤礦巷道、軍事工程等混凝土支護(hù)工程領(lǐng)域，這些領(lǐng)域更能體現(xiàn)3D 打印技術(shù)的先進(jìn)性，最能發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

（1）利用高活性偏高嶺土可以制備40 MPa的噴射混凝土，再添加纖維材料或片狀白云母粉可使噴射混凝土的抗折強(qiáng)度提高20%以上。

（2）利用加濕上料機(jī)、抑塵劑、減水劑和高活性偏高嶺土可以使噴射混凝土的呼吸性粉塵降低80%，噴射回彈率由25%降低到12%，28 天抗壓強(qiáng)度達(dá)到52 MPa。

（3）在水泥粉磨時(shí)去掉二水石膏可降低速凝劑的用量，加入特定的1%速凝劑，噴射水泥的膠砂強(qiáng)度可以達(dá)到40 MPa。

（4）噴射混凝土的發(fā)展方向是3D 混凝土，其主要應(yīng)用領(lǐng)域是建筑3D打印和弓形混凝土支護(hù)工程3D打印。