濕噴技術前景

**濕噴技術的應用前景關鍵詞：濕噴技術,隧道復合襯砌結構,噴射混凝土設計

1支護技術發(fā)展趨勢與濕噴技術內涵1.1支護技術發(fā)展趨勢隧道復合襯砌結構已成為主流，單層襯砌也得到重視和發(fā)展，噴射混凝土設計基準強度將提高<應與二襯混凝土同標號>，環(huán)保要求將越來越嚴，作業(yè)人員的環(huán)保意識也越來越強。由中國科協(xié)編制的《2020中國的工程技術》白皮書提出：常規(guī)混凝土由C20-C30提高到C40-C60，高強混凝土由C50-C80提高到C60-C100，發(fā)展纖維混凝土和高性能混凝土，重視混凝土耐久性指標。1.2噴射混凝土技術的發(fā)展?jié)駠娛前l(fā)展趨勢，據(jù)ITA1996年統(tǒng)計資料，日本1996年濕噴在噴射混凝土總量中的比例是80%，而這一比例在2002年發(fā)展至97.6%。我國從八十年代在重點工程建設中引進國外設備開始應用濕噴技術，九十年代后期以TK961的成功研制推動了我國濕噴技術的應用與發(fā)展。進入二十一世紀后，基于結構耐久性的要求，提出了發(fā)展高性能噴射混凝土技術的要求。從我國總體水平看，噴射混凝土技術發(fā)展落后于隧道施工技術的發(fā)展，初期支護施工是隧道施工的薄弱環(huán)節(jié)，推動噴射混凝土技術發(fā)展的因素見表1：1.3濕噴技術的內涵濕噴并不只是一種工藝的選擇，也并不只是單純追求粉塵和回彈的降低，而是以質量控制為核心的一種新的噴射混凝土技術體系，其技術內涵從以下七個方面得到體現(xiàn)。從根本上解決粉塵問題可建立質量保證體系，對噴層質量實施有效控制充分享受混凝土技術發(fā)展成果，發(fā)展噴射混凝土復合材料技術發(fā)展高性能噴射混凝土技術發(fā)展綠色噴射混凝土技術發(fā)展單層襯砌技術實現(xiàn)噴射混凝土作業(yè)機械化與混凝土制備商品化1.3.1粉塵控制干噴：水泥以游離態(tài)顆粒形式存在，在攪拌、運輸、上料以及機旁(結合面、余氣口)、噴嘴處產(chǎn)生大量粉塵；濕噴：水泥在塑性混凝土中以漿體形式存在，整個工藝過程中除噴嘴處在水霧中有少量水泥顆粒外，基本無粉塵。水泥粉塵中的SiO2對人體非常有害，長期吸入將容易使人患上嚴重的職業(yè)病--矽肺病。1.3.2濕噴工藝可以建立質量管理體系，對噴射混凝土質量實施有效控制噴射混凝土質量控制指標應該包含：平均強度、勻質性（變異系數(shù)）、密實性、早期強度、黏結強度。影響噴射混凝土質量指標的因素除了與普通澆注混凝土相同的水灰比外，還有噴射混凝土的特有因素：速凝劑、噴嘴料流質量、射流密實過程。1.3.2.1水灰比控制水灰比是混凝土強度和耐久性的決定性因素，是混凝土配合比設計與試驗最關鍵的參數(shù)?；炷林谐瘜W結合水和凝膠水外，其余水分在混凝土硬化后蒸發(fā)，在水泥石中形成毛細孔，因此水灰比決定了水泥石的孔隙率和孔的形狀，水灰比越低，孔隙率就越低，混凝土滲透性就越低，混凝土耐久性就越好。強度與水灰比關系如下式：

那么，噴射混凝土是如何控制這個最重要指標和參數(shù)？干噴：噴射手通過人工控制一個閥門去適應一個變量(噴射管內混凝土物料流量不穩(wěn)定)-使得水灰比處于不可控或粗約控制狀態(tài)。濕噴：通過設備(攪拌機)對水量進行自動計量去適應定量(每盤攪拌量)-使得水灰比處于完全可控狀態(tài)，可以建立質量保證體系。1.3.2.2速凝劑控制速凝劑也是影響噴射混凝土性能的一個重要指標，影響噴射混凝土早期強度發(fā)展與后期強度水平，同時對回彈和噴層密實性產(chǎn)生重要影響。潮噴工藝對速凝劑摻量的控制同樣是粗放的，基本是由人工憑經(jīng)驗在上料處通過拋撒控制，計量不準同時混合不勻。而濕噴可以通過計量泵對摻加比例進行準確控制并在噴嘴處通過高速射流均勻混合。1.3.2.3品質管理與勻質性噴射混凝土強度在一定范圍內離散分布，正常情況其分布規(guī)律符合正態(tài)分布曲線（圖1），噴射混凝土強度檢驗準則是根據(jù)平均強度和變異系數(shù)綜合控制。因此對噴射混凝土的質量控。

制不但要控制平均強度，同時還必須控制變異系數(shù)。由于濕噴工藝能夠對水灰比進行準確控制，因此強度變異系數(shù)小，噴層結構可靠性高。而干噴工藝據(jù)歐洲規(guī)范（EFNARC）7.3表述："對于干噴工藝難于預設水灰比。實際水灰比一般在0.35~0.5的范圍內波動。經(jīng)估算，相應強度波動可達15MPa以上"。根據(jù)中鐵西南院大量試驗數(shù)據(jù)表明：濕噴混凝土強度變異系數(shù)可控制在10%左右，達到國標優(yōu)質標準。1.3.2.4噴射混凝土密實性及整體性控制與普通澆注混凝土的振搗密實原理不同，噴射混凝土通過高速射流密實，其密實度與射流過程關系密切?；炷撩軐嵭允悄途眯院涂?jié)B性的關鍵，高耐久混凝土必須首先具備高密實性。濕噴工藝從三個環(huán)節(jié)改善和提高了噴射混凝土的密實性：比干噴工藝更高的射流速度，塑性混凝土輸送與噴射射流密實過程中水泥漿體對砂石料的包裹作用（水泥裹砂）改善了混凝土骨料與水泥漿的界面結構，充分與均勻的水化作用消除了噴層分層（由水灰比過大或過小造成）的風險。據(jù)中鐵西南院試驗數(shù)據(jù)，C25噴射混凝土其抗?jié)B標號可達S12以上，其容重比使用相同骨料的干噴工藝增加100Kg/m3以上。1.3.3發(fā)展復合材料技術由于濕噴工藝噴射的是成品塑性混凝土，因此可以充分應用混凝土技術發(fā)展成果，發(fā)展復合材料技術，包含外加劑、礦物摻加料、纖維（合成纖維與鋼纖維）的應用。高效減水劑與礦物摻加料的應用，使新拌混凝土可以在遠低于水泥能充分水化的水灰比（水膠比）條件下配制，是發(fā)展高性能混凝土的基礎。在濕噴工藝條件下，凡混凝土技術領域的技術成果均可移植或嫁接到噴射混凝土技術中來。而干噴工藝卻由于缺乏水的載體作用，外加劑或摻加料無法在拌和物中得到均勻混合而限制了許多混凝土技術成果在噴射混凝土技術領域的應用。干噴混凝土只是最傳統(tǒng)意義上的混凝土，而今日混凝土技術已進入高新技術時代。應大力提倡和推廣在混凝土中摻加硅粉、粉煤灰、磨細礦碴等礦物外摻料，超細礦物粉通過微粒填充和火山灰活性反應大幅度改善了混凝土性能，特別是密實性。應大力推廣應用合成纖維噴射混凝土技術，它既可以改善混凝土力學性能（主要是抗裂），同時還可以降低回彈，使用成本也不高。1.3.4發(fā)展高性能噴射混凝土技術高性能混凝土為一種新型高技術混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現(xiàn)代混凝土技術制作的混凝土，是以耐久性作為設計的主要指標，針對不同用途的要求，對下列性能有重點的加以保證：耐久性、施工性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。高性能混凝土最主要的特征是強調混凝土的耐久性。由于濕噴工藝特性，可以在高性能混凝土技術基礎上發(fā)展高性能噴射混凝土，中鐵西南院已進行了相關試驗，根據(jù)目前國內材料工藝等條件，完全可以實施到C50的高性能噴射混凝土。高性能噴射混凝土的技術途徑：低水灰比(高效減水劑)，超細礦物粉摻加料，高密實度與裂紋控制，改善過渡層及其界面結構。1.3.5發(fā)展綠色混凝土技術建立綠色噴射混凝土概念，綠色噴射混凝土有四層含義：減小水泥用量(應用高效減水劑)應用粉煤灰、硅粉、磨細礦碴替代水泥(實現(xiàn)工業(yè)廢碴資源化)減小單位工程噴射混凝土總量(提高標準)發(fā)展與應用無堿中性速凝劑前三層含義都是為了減少混凝土中水泥用量，通過減少水泥用量來減少水泥生產(chǎn)過程中向大氣層中的CO2排放量。據(jù)資料介紹，每生產(chǎn)1t水泥，就要產(chǎn)生1tCO2。中鐵西南院試驗了一種粉煤灰高摻量配合比，水泥量330Kg，粉煤灰摻量100Kg，噴射混凝土標號C25，抗?jié)B標號S15。無堿速凝劑既是對操作人員的健康保護，同時也改善了混凝土品質，應大力提倡和推廣。1.3.6發(fā)展單層襯砌技術單層襯砌結構具有簡化工序、降低成本、縮短建設工期的作用，但由于人們對噴射混凝土質量控制的疑慮（特別是勻質性和耐久性），使得這種結構的應用范圍受到極大限制。的確在干噴工藝條件下，噴射混凝土品質很難令人滿意，隨著濕噴技術的推廣，高性能噴射混凝土技術的發(fā)展，單層襯砌結構一定會得到發(fā)展。"早期，在采用干噴的情況下，隧道工程中的噴混凝土支護是施作現(xiàn)澆混凝土襯砌前圍巖臨時防護的同義詞。由于濕噴方法的引入以及速凝劑自動精確計量設備的使用和各種纖維材料加固的選擇，目前，噴混凝土作為一種高品質的混凝土被越來越多的人所接受，經(jīng)常作為隧道的永久襯砌。"這是K.Garshol,在2002年第9屆噴混凝土國際會議主題報告。1.3.7支護作業(yè)機械化與混凝土制備商品化目前的干噴工藝使噴射作業(yè)還停留在手工小作坊時代（單機攪拌、小型機械運輸、人工上料、人工控制水灰比與速凝劑摻量），作業(yè)環(huán)境差、勞動強度大、質量控制水平低，材料消耗高、生產(chǎn)效率低。與目前的社會經(jīng)濟發(fā)展水平極不適應，與黨中央構建和諧社會和科學發(fā)展觀（可持續(xù)發(fā)展）的要求極不適應。濕噴工藝可以使噴射作業(yè)實現(xiàn)集中攪拌（攪拌站）與自動計量、機械化運輸與上料，使噴射作業(yè)進入現(xiàn)代工業(yè)化時代。濕噴工藝使噴射混凝土使用商品混凝土有了可能，商品混凝土是混凝土從小生產(chǎn)方式向工業(yè)化大生產(chǎn)轉變的象征；是普通混凝土技術向高性能混凝土發(fā)展的關鍵。應該建立支護施工機械化作業(yè)線?自動攪拌站攪拌輸送罐車<兼顧上料機械化>噴射機與作業(yè)臺架噴射機組與機械手<環(huán)境、安全、勞動強度>2濕噴機與均勻稀薄流輸送技術2.1濕噴機分類濕噴機分為兩大類：管道稠密流泵送型和管道稀薄流風送型。共有三種機型：泵送式、轉子活塞式、轉子式（主要適用于干噴），表2給出了兩類濕噴機特征分析：2.2均勻稀薄流輸送技術稀薄流不等于均勻稀薄流，二者概念不同。稀薄流：凡以壓縮空氣為管道輸送動力的噴射機均為稀薄流類噴射機。稀薄流噴射機其管道流動形態(tài)有五種（圖2）。均勻稀薄流：管道內混凝土以顆粒態(tài)均勻懸浮在管道內（圖2中a形態(tài)），水泥漿體完全包裹砂石顆粒表面，沒有團粒狀混凝土，也沒有單純的水泥漿體存在。

均勻稀薄流的優(yōu)點不易堵管，噴嘴無脈沖，風量風壓適中，噴嘴后座力小，噴層平整（噴嘴操控性）混凝土不離析，水泥漿完全包裹砂石，起到了水泥裹砂（石）作用，改善了水泥石與砂石的界面結構，噴層強度和密實性提高，勻質性好回彈小，水泥漿包裹骨料的黏結作用與速凝劑混合均勻噴嘴不跌漿，噴層不易剝落掉塊2.3均勻稀薄流濕噴機關鍵技術稀薄流濕噴機要實現(xiàn)均勻稀薄流，必須解決以下三項關鍵技術問題，見表3：2.4轉子活塞式濕噴機解決三大關鍵技術的途徑如圖3、圖4所示，轉子活塞式濕噴機采用了一種獨創(chuàng)的喂料機構原理-轉子活塞凸輪喂料機構，通過活塞強制喂料和強制清洗徹底解決料腔與塑性混凝土拌和物的黏結問題；通過多缸（三缸）徑向喂料（進風方向與喂料方向垂直）實現(xiàn)了管道內塑性混凝土拌和物的均勻稀薄流輸送；同時由于管道內混凝土流動形態(tài)是均勻稀薄流，并使用了高精度計量泵，因此實現(xiàn)了對速凝劑的精確控制和均勻混合。它將活塞泵送與管道風送的優(yōu)點進行了有機結合，在稀薄流濕噴機領域處于國際先進水平。轉子活塞式濕噴機是我國對世界噴射機行業(yè)的一次原創(chuàng)性知識產(chǎn)權貢獻。3應用濕噴技術的關鍵環(huán)節(jié)要充分體現(xiàn)濕噴效果，就必須改變傳統(tǒng)的干噴粗放管理模式，建立與濕噴工藝相適應的施工組織和作業(yè)模式。只有用濕噴的理念和遵循濕噴技術規(guī)律才能搞好濕噴，那種只購買一臺濕噴機而沿用干噴的觀念和管理模式是很難搞好濕噴的。要把握好四個關鍵環(huán)節(jié)：配合比設計與試驗原材料控制班組建設設備配置3.1配合比設計與試驗必須高度重視配合比設計，建立混凝土拌和物工作度概念(相當于混凝土可泵性)，噴射混凝土工作度是流動性和粘聚性的綜合體現(xiàn)。最適宜噴射混凝土坍落度，稀薄流：8~12cm，稠密流:12~18cm，同時要具有良好的粘聚性。噴射混凝土工作度不但影響濕噴機的工作效能，同時對噴射混凝土性能也有重要影響（表4）。配合比設計必須按強度、工作度、耐久性進行多指標控制?；鶞逝渲茝姸鹊拇_定(必須考慮速凝劑和質量控制水平的影響)按強度要求決定水灰比(耐久性指標)用水量決定坍落度（與減水劑相關）水泥用量-由水灰比和用水量間接確定砂率(綜合考慮回彈與和易性要求)經(jīng)驗表明：濕噴混凝土配合比應注意以下幾點：宜使用細度模數(shù)大于2.5的中粗砂，砂率宜為60%左右，骨料最大粒徑宜控制在10mm，應控制機制砂石料中石粉含量和針片狀含量，宜應用減水劑以減少水泥用量，有條件時宜應用粉煤灰。3.2原材料控制國標(GB50086-2001)對噴射混凝土原材料有嚴格要求，但現(xiàn)狀卻不太令人滿意，問題主要有：砂石料中石粉與含泥量大砂石料級配不好粗骨料中針片狀含量大砂石料中超標粒徑骨料含量大速凝劑質量與穩(wěn)定性（包含可泵工藝性）因此要針對不同原材料質量水平調整配合比。稀薄流濕噴機對原材料質量要求相對低一些。要特別重視液體速凝劑試驗與選擇，它與成本和質量關系重大，要點包含以下六個方面：凝結時間與摻量試驗(標準實驗條件)強度損失試驗與水泥相容性試驗最佳摻量試驗對水灰比敏感性試驗(指實際使用水灰比)工藝性檢測(雜質、沉淀，決定可泵性)3.3設備配置設備配置要體現(xiàn)濕噴工藝的特性，并根據(jù)承包商的施工組織和經(jīng)濟承受能力確定，推薦兩種配套方案。自動拌合站--運輸罐車--濕噴機（或濕噴機組）強制式攪拌機--運輸罐車--濕噴機--作業(yè)臺架在設備配置時要注意各種設備生產(chǎn)能力的合理匹配，保證連續(xù)作業(yè)，提高作業(yè)率，最終提高綜合工效。3.4重視班組建設人員配備上要重視濕噴機司機的作用(濕噴特點)，需要專業(yè)培訓，持證上崗，按程序保養(yǎng)設備(專業(yè)保養(yǎng)工)。經(jīng)過專業(yè)培訓、有經(jīng)驗的濕噴機司機和噴射手可以降低回彈和節(jié)省濕噴機配件費用，要重視對司機和噴射手的培訓，培訓合格方能上崗，合格的司機和噴射手屬于專業(yè)技能員工，保證這兩類員工的相對穩(wěn)定性，重點大型工程可配備專業(yè)維護保養(yǎng)工。4噴射混凝土成本分析與控制在分析噴射混凝土成本時，要建立宏觀效益概念，從宏觀效益和直接成本兩方面來進行綜合分析,見表5，算小帳，更要算大帳。4.1成本構成及其關鍵因素在成本分析時要重點分析對材料的節(jié)約(特別是速凝劑)和對工程噴射混凝土總量的控制以及對安全和工期的影響。設備購置和配件費用本是成本構成中的小頭,但是它卻最受關注，這是一個誤區(qū)。直接成本構成及影響因素見表6