喷射混凝土的研究及应用

喷射混凝土是1种原材料与常规混凝土相同，而施工工艺特殊的混凝土。该混凝土是借助于喷射机机械臂将掺有一定量速凝剂的混凝土喷向隧道岩石层或者初期支护部位表面，以达到保护岩石或者结构部 位。此施工工艺简便快捷，提高施工速度，减少了模板施工的拆卸工序，且混凝土密实度高，抗渗性能良好，经济效益显著提升。

喷射混凝土按施工方法可分为干法和湿法两类，干法施工是将水泥、掺合料、砂、石等原材料在干燥状态下，靠喷射机压力将材料和速凝剂送到机械臂口，使其与水混合后喷至结构表面。湿法施工是将搅拌好的、和易性良好的混凝土与速凝剂混合，借助喷射机喷至结构表面。干法施工粉尘大，污染严重，对人体伤害极大，并且回弹率大，此外，干法施工过程中用水量不固定，全凭操作手的经验用水，严重影响了混凝土的喷射质量。湿法施工是在拌和站生产出的和易性良好的混凝土基础上调整喷射压力，送至结构表面，不需要二次加水调整，喷射时不产生粉尘，施工环境良好，喷射效果良好，混凝土质量得到有力 保证。

依托国道109新线高速公路（西六环路–市界段）工程开展研究及应用，该工程设计桥梁33座，约25?km，隧道18处，约34?km，桥隧比为90.26?%。其中隧道初期支护混凝土全部采用C?25喷射混凝土。针对湿喷法进行配合比设计，结合实际进行研究及应用。

1?试验

1.1?原材料选用

采用涿鹿金隅水泥有限公司生产的P·O?42.5普通硅酸盐水泥，其各项指标良好；粉煤灰采用天津国华盘山发电有限公司生产的质量等级优良的F类I级粉煤灰；细骨料采用迁西县罗家屯镇庆沅采砂场生产的II区中砂，细度模数2.7，含泥量1.2?%，泥块含量0.2?%；粗骨料采用涞水县圣鑫矿业有限公司生产的碎石，粒径为5~10?mm单粒粒级，含泥量0.2?%，泥块含量0.1?%，针片状3.2?%；减水剂采用北京市建筑工程研究院有限责任公司生产的标准型聚羧酸系高性能减水剂，型号为AN?4?000。

速凝剂采用北京市建筑工程研究院有限责任公司生产的速凝剂（液体），型号为ANS，分为有碱和无碱两种，其性能指标见表1~表2。

表1?速凝剂（有碱）性能指标

表2?速凝剂（无碱）性能指标

1.2?掺加速凝剂水泥净浆及胶砂强度试验

1.2.1?不同种类速凝剂掺量对水泥净浆凝结时间影响

将有碱和无碱两种速凝剂按照不同掺量分别进行水泥净浆试验，配合比水泥用量为400?g，用水量为160?ml，适量减水剂，进行搅拌后按照GB/T?35159—2017《喷射混凝土用速凝剂》规定试验方法进行凝结时间试验，试验数据见表3。

表3?有碱和无碱速凝剂掺量对凝结时间的影响

由表3可知，有碱和无碱速凝剂均能缩短水泥净浆的凝结时间，并且符合标准规范的要求，但有碱速凝剂的掺量明显低于无碱速凝剂的掺量。

1.2.2?不同种类速凝剂掺量对胶砂强度影响

将有碱和无碱两种速凝剂按照不同掺量进行胶砂强度试验，配合比水泥用量为900?g，砂子用量为1?350?g，减水剂适量，水胶比为0.50。将制作好的胶砂试块放入标准养护箱进行养护，拆模后测定1?d的抗压强度，并同时将其余试块放入养护水槽进行养 护，测定28?d、90?d抗压强度。试验结果数据见表4。

表4?有碱和无碱速凝剂掺量对胶砂强度的影响

由表4可知，无论掺量多少，无碱速凝剂对后期胶砂强度（28?d、90?d龄期）与基准值比较相差不大；反而有碱速凝剂严重影响后期胶砂强度，甚至随着有碱速凝剂掺量的增加，强度降低幅度增大。

1.3?配合比设计

喷射混凝土设计等级为C?25，通过对胶凝材料用量以及实际施工过程中坍落度、回弹率和工作风压等进行分析，选取最优的配合比数据。试验结果见表5。不同胶凝材料用量和不同坍落度的喷射混凝土与实体喷射时的工作风压及喷射距离关系如图1所示。

表5?不同胶凝材料、坍落度对实际喷射的影响
情况  

图1?工作风压及喷射距离关系

不同胶凝材料用量直接影响喷射机工作时的压力以及回弹率。随着胶凝材料的增加，喷射机工作压力 随之增大，回弹率逐渐降低。

坍落度大小对喷射机工作时的压力、喷射距离以及回弹率也有一定影响。坍落度过大或过小都会是喷射机工作压力增大，喷射距离不易控制，回弹率也增大，当坍落度控制在170?mm左右时，工作压力和回弹率比较良好，喷射距离也基本稳定。

综合表5和图1可得，当胶凝材料用量为 420?kg/m3、水灰比为0.39时，坍落度为170?mm，喷射机工作压力、喷射距离以及回弹率都相对良好。

综合以上试验数据，根据JGJ?55—2011《普通混凝土配合比设计规程》及JGJ/T?372—2016《喷射混凝土应用技术规程》，此次配合比设计采用单掺粉煤灰，掺量为20?%，取砂率为48?%，用质量法进行计 算，最终配合比如下。水泥∶粉煤灰∶砂子∶石子∶减水剂∶速凝剂∶水=336∶84∶833∶902∶4.20∶25.2∶165。

2?工程应用

2.1?机械设备

项目施工现场采用的是河南省耿力工程设备有限公司出厂的湿喷台车，型号为GHP?3015D，该设备技术参数见表6。

表6?湿喷台车技术参数

2.2?喷射工艺流程

喷射台车工艺流程如图2所示。

图2?喷射台车工艺流程

2.3?喷射工序及注意事项

（1）喷射之前清理隧道表面岩石，如有条件可以清洗隧道岩石表面，但不宜太潮湿。

（2）喷射要连续，以保证速凝剂发挥最优效果。

（3）喷射作业应分片、分段，自下而上的顺序，

每段长度不宜大于6?m，对有较大蜂窝、低凹处等应先进行处理，符合要求后再进行喷射。

（4）进行喷射时，喷射机机械臂应与喷射面尽可能成90°夹角喷射，机械臂顶端与架构表面的距离宜为0.8~1.5?m，效果较好。

（5）采用分层喷射，第2次喷射应在第1次喷射混凝土终凝后再进行。

2.4?喷射混凝土的养护

喷射混凝土层一般较薄，当空气中水分不足时，极易发生早期干裂，同时加入了一定量的速凝剂，从某种程度上抑制了水泥的水化，对早期强度有一定的限制，因此在浇筑完成后要及时保湿养护，养护时间不得少于7?d，重要工程不得少于14?d。

3?结论

采用湿喷法进行实际施工时，应控制好混凝土的和易性，尤其是胶凝材料用量和坍落度，建议胶凝材料用量控制在420~450?kg/m3，坍落度控制在（170±10）mm，砂率45%~50?%，坍落度过大或过小都会导致操作手控制难度增大，甚至可能伤人。操作手操控喷射机机械臂时，应控制好机械臂出口与隧道岩石表面的距离（建议0.6~1.2?m）与工作时的压力，压力大小和喷射距离将直接影响回弹率，操作手操作起来更加困难，更严重影响喷射混凝土质量。