湿喷技术的应用前景

湿喷技术的应用前景

关键词：湿喷技术,隧道复合衬砌结构,喷射混凝土设计

1支护技术发展趋势与湿喷技术内涵

1.1支护技术发展趋势

隧道复合衬砌结构已成为主流，单层衬砌也得到重视和发展，喷射混凝土设计基准强度将提高<应与二衬混凝土同标号>，环保要求将越来越严，作业人员的环保意识也越来越强。

由中国科协编制的《2020中国的工程技术》白皮书提出：常规混凝土由C20-C30提高到C40-C60，高强混凝土由C50-C80提高到C60-C100，发展纤维混凝土和高性能混凝土，重视混凝土耐久性指标。

1.2喷射混凝土技术的发展

湿喷是发展趋势，据ITA1996年统计资料，日本1996年湿喷在喷射混凝土总量中的比例是80%，而这一比例在2002年发展至97.6%。我国从八十年代在重点工程建设中引进国外设备开始应用湿喷技术，九十年代后期以TK961的成功研制推动了我国湿喷技术的应用与发展。

进入二十一世纪后，基于结构耐久性的要求，提出了发展高性能喷射混凝土技术的要求。从我国总体水平看，喷射混凝土技术发展落后于隧道施工技术的发展，初期支护施工是隧道施工的薄弱环节，推动喷射混凝土技术发展的因素见表1：

1.3湿喷技术的内涵

湿喷并不只是一种工艺的选择，也并不只是单纯追求粉尘和回弹的降低，而是以质量控制为核心的一种新的喷射混凝土技术体系，其技术内涵从以下七个方面得到体现。

•从根本上解决粉尘问题

•可建立质量保证体系，对喷层质量实施有效控制

•充分享受混凝土技术发展成果，发展喷射混凝土复合材料技术

•发展高性能喷射混凝土技术

•发展绿色喷射混凝土技术

•发展单层衬砌技术

•实现喷射混凝土作业机械化与混凝土制备商品化

1.3.1粉尘控制

干喷：水泥以游离态颗粒形式存在，在搅拌、运输、上料以及机旁(结合面、余气口)、

喷嘴处产生大量粉尘；

湿喷：水泥在塑性混凝土中以浆体形式存在，整个工艺过程中除喷嘴处在水雾中有少量水泥颗粒外，基本无粉尘。

水泥粉尘中的SiO2对人体非常有害，长期吸入将容易使人患上严重的职业病--矽肺病。

1.3.2湿喷工艺可以建立质量管理体系，对喷射混凝土质量实施有效控制

喷射混凝土质量控制指标应该包含：平均强度、匀质性（变异系数）、密实性、早期强度、黏结强度。影响喷射混凝土质量指标的因素除了与普通浇注混凝土相同的水灰比外，还有喷射混凝土的特有因素：速凝剂、喷嘴料流质量、射流密实过程。

1.3.

2.1水灰比控制

水灰比是混凝土强度和耐久性的决定性因素，是混凝土配合比设计与试验最关键的参数。混凝土中除化学结合水和凝胶水外，其余水分在混凝土硬化后蒸发，在水泥石中形成毛细孔，因此水灰比决定了水泥石的孔隙率和孔的形状，水灰比越低，孔隙率就越低，混凝土渗透性就越低，混凝土耐久性就越好。强度与水灰比关系如下式：

那么，喷射混凝土是如何控制这个最重要指标和参数？

干喷：喷射手通过人工控制一个阀门去适应一个变量(喷射管内混凝土物料流量不稳定)-使得水灰比处于不可控或粗约控制状态。

湿喷：通过设备(搅拌机)对水量进行自动计量去适应定量(每盘搅拌量)-使得水灰比处于完全可控状态，可以建立质量保证体系。

1.3.

2.2速凝剂控制

速凝剂也是影响喷射混凝土性能的一个重要指标，影响喷射混凝土早期强度发展与后期强度水平，同时对回弹和喷层密实性产生重要影响。潮喷工艺对速凝剂掺量的控制同样是粗放的，基本是由人工凭经验在上料处通过抛撒控制，计量不准同时混合不匀。而湿喷可以通过计量泵对掺加比例进行准确控制并在喷嘴处通过高速射流均匀混合。

1.3.

2.3品质管理与匀质性

喷射混凝土强度在一定范围内离散分布，正常情况其分布规律符合正态分布曲线（图1），喷射混凝土强度检验准则是根据平均强度和变异系数综合控制。因此对喷射混凝土的质量控。

制不但要控制平均强度，同时还必须控制变异系数。由于湿喷工艺能够对水灰比进行准确控制，因此强度变异系数小，喷层结构可靠性高。而干喷工艺据欧洲规范（EFNARC）7.3表述："对于干喷工艺难于预设水灰比。实际水灰比一般在0.35~0.5的范围内波动。经估算，相应强度波动可达15MPa以上"。根据中铁西南院大量试验数据表明：湿喷混凝土强度变异系数可控制在10%左右，达到国标优质标准。

1.3.

2.4喷射混凝土密实性及整体性控制

与普通浇注混凝土的振捣密实原理不同，喷射混凝土通过高速射流密实，其密实度与射流过程关系密切。混凝土密实性是耐久性和抗渗性的关键，高耐久混凝土必须首先具备高密实性。湿喷工艺从三个环节改善和提高了喷射混凝土的密实性：比干喷工艺更高的射流速度，塑性混凝土输送与喷射射流密实过程中水泥浆体对砂石料的包裹作用（水泥裹砂）改善了混凝土骨料与水泥浆的界面结构，充分与均匀的水化作用消除了喷层分层（由水灰比过大或过小造成）的风险。据中铁西南院试验数据，C25喷射混凝土其抗渗标号可达S12以上，其容重比使用相同骨料的干喷工艺增加100Kg/m3以上。

1.3.3发展复合材料技术

由于湿喷工艺喷射的是成品塑性混凝土，因此可以充分应用混凝土技术发展成果，发展复合材料技术，包含外加剂、矿物掺加料、纤维（合成纤维与钢纤维）的应用。高效减水剂与矿物掺加料的应用，使新拌混凝土可以在远低于水泥能充分水化的水灰比（水胶比）条件下配制，是发展高性能混凝土的基础。

在湿喷工艺条件下，凡混凝土技术领域的技术成果均可移植或嫁接到喷射混凝土技术中来。而干喷工艺却由于缺乏水的载体作用，外加剂或掺加料无法在拌和物中得到均匀混合而限制了许多混凝土技术成果在喷射混凝土技术领域的应用。干喷混凝土只是最传统意义上的混凝土，而今日混凝土技术已进入高新技术时代。

应大力提倡和推广在混凝土中掺加硅粉、粉煤灰、磨细矿碴等矿物外掺料，超细矿物粉通过微粒填充和火山灰活性反应大幅度改善了混凝土性能，特别是密实性。

应大力推广应用合成纤维喷射混凝土技术，它既可以改善混凝土力学性能（主要是抗裂），同时还可以降低回弹，使用成本也不高。

1.3.4发展高性能喷射混凝土技术