喷射混凝土

喷射混凝土程良奎中冶集团建筑研究总院目录1、喷射混凝土的特点2、喷射混凝土技术的历史沿革与新进展3、喷射混凝土的应用领域4、各类工程喷射混凝土结构的作用与设计5、喷射混凝土的原材料及其配合比6、喷射混凝土的性能7、干拌法与湿拌法喷射混凝土8、喷射钢纤维混凝土9、喷射合成纤维混凝土1、喷射混凝土的特点借助喷射机械、利用压缩空气或其他动力，将按一定比例的拌合料（水泥、骨料、水组成）通过管道以高速喷射到受喷面（岩石、土层、建筑结构物或模板）上凝结硬化而成的一种砼。特点在高速喷射时，由水泥与骨料的连续撞击而使砼压密，并可采用较小的水灰比0.4～0.45；与岩石、混凝土、砖石、钢材有高粘结强度，能在结合面上传递拉应力和剪应力；在拌合料中加入外加剂或外掺料，大大改善喷射砼性能；将砼运输、浇注和捣固结合为一道工序，不要或只要单面模板；通过输料管在高空、深坑或狭小工作区间向任意方位施作薄壁或复杂造型的结构。2、喷射混凝土技术的历史沿革与新进展2.1历史沿革1914年，美国在矿山和土木工程中首先使用喷射水泥砂浆；1942年，瑞士阿利瓦(Aliva)公司研制成转子式混凝土喷射机，能喷射骨料最大粒径为25mm的喷射混凝土；1947年，德国BSM公司研制成双罐式喷射机；1948年至1953年间兴建的奥地利卡普隆水电站的米尔隧道最早使用。上世纪50年代初，奥地利Rabcewicz创立了以最大限度发挥岩石自支承能力为理论基础的新奥法(NewAustrianTunnelingMethod)；上世纪50年代，地质条件十分恶劣的奥地利陶恩（Taurus)公路隧道和巴基斯坦贝拉水道工程（宽21m高24m)等大断面隧道采用喷锚支护相继获得成功；1965年11月，冶金部建筑研究总院在多年研究工作的基础上，在鞍钢张岭铁矿157平洞成功地应用了喷射混凝土支护；1966年，冶金部建筑研究总院先后在本钢南芬尾矿坝泄水洞（长2km)及攀钢专用铁路隧道中应用喷锚支护；1966年，铁道部科学研究总院西南所在成昆铁路隧道中应用喷锚支护；1974年，辽宁回龙山水电站主厂房（宽17.2m高37m）应用单一的锚喷支护取得良好的稳定效果；1980年~至今，喷锚支护在我国（矿山、交通、水电）隧道和各类地下洞室工程中获得了广泛的应用及蓬勃的发展。在大跨度30m左右，高边墙（70m)洞群相互交叉的水电站洞室中，采用单一的喷锚支护，被认为是一种经济有效，能永久保持工程稳定的支护方法。中国隧道与地下洞室中的喷锚支护用量已达世界之首。2.2新进展新型外加剂、外掺料的开发利用，显著改善了喷射混凝土的性能；喷射纤维混凝土的研究与应用成效显著；湿拌法喷射混凝土技术有新的提升和发展；城市土体开挖工程喷射砼应用技术取得新进展；在薄壳、圆顶建筑及充水结构等新建工程中应用日益广泛。3、应用领域地下工程异型薄壁结构工程防护工程岩土工程结构修复加固工程烟囱及各种热工炉窑的修补4、各类工程喷射混凝土结构的作用与设计4.1地下工程喷射混凝土的作用通过喷射混凝土的及时效应、整合效应、粘结效应和柔效应有效发挥围岩的自承作用，以最小的支护抗力，取得最大的稳定效果。(a)岩层强度由于过渡沉降而降低；(b)用薄层喷射混凝土支护控制过渡的沉陷保持岩层强度1－岩层拱；2－岩层节理；3－支护上的荷载；4－节理张开；5－沉陷；6－节理轻微张开；7－喷射混凝土喷射混凝土阻止松动控制变形而使岩层稳定岩层拱抗力曲线原理图ASPD－岩层拱曲线；BS－支护过刚；BP－支护适宜；DD－支护过晚；BF－支护过柔喷射混凝土层抗冲切承载力计算图示4.2边坡工程喷射混凝土层的作用预防风化及雨水对岩石的侵蚀损伤和工程地质条件的恶化；提供对局部不稳定块体的抗滑作用。喷射混凝土用以加固楔形不稳定块体1－楔形不稳定块体；2－喷射混凝土；3－喷射混凝土加固楔形不稳定块体4.3土钉支护工程喷射混凝土面层的作用面层的抗剪抗弯能力，可承受土钉头的工作荷载；面层刚度可限制侧向变形；全面覆盖的喷层，可防止雨水冲刷与渗入，保持土体固有强度，十分有利。喷射混凝土面层的压力分布土钉头连接处的冲剪力土钉抗冲剪强度TFN－土钉头抗冲剪强度；VN－喷射混凝土面层内部抗冲剪强度；CS－面层的剪切压力系数；SV、SH－竖向及横向土钉间距；AV、AGC－见上图。11/FNNsCGCVHGCTVCAASSAg式中：5、喷射混凝土外加剂、外掺料与水灰比（1）低碱与无碱系列速凝剂。这类速凝剂含碱量分别小于0.5％和0.3％，加入喷射砼中具有凝结快、早期强度高，28d强度损失率小或不损失等特点。郑州兰瑞公司生产的SWJY速凝剂就是一种性能良好的无碱速凝剂。5.1外加剂低碱和无碱液体速凝剂性能检验5.2外掺料－硅粉硅粉是制造硅铁金属的一种副产品。将高纯度石英和煤在电弧炉内还原，从过滤炉排除的气体中可得到硅粉。其微粒尺寸为水泥颗粒的1/60，具有很高的活性，掺量一般为水泥质量的10％。优点：提高抗压强度，增强结构密实性，提高抗化学侵蚀和机械破坏的能力；增强喷射混凝土与其他介质的粘结效应；减少回弹；大大减少粉尘。（1）掺入硅粉的喷射混凝土强度德国因斯布鲁克大学建材研究所测定结果：掺硅粉的喷射混凝土的抗压强度中铁西南研究院测得的结果湿拌喷射混凝土的抗压强度硅粉的掺量水泥质量（％）不同龄期的抗压强度（MPa）1d7d28d519.928.544.37.518.430.553.51020.030.050.4（2）掺入硅粉的喷射混凝土粘结强度德国因斯布鲁克大学建材研究所测得的结果：掺入硅粉的喷射混凝土的抗拉粘结强度（3）掺入硅粉对回弹的影响哈根巴哈试验隧道，曾测得掺入硅粉为水泥质量7.5%的喷射混凝土回弹率8％，比不掺硅粉的喷射混凝土约减少回弹60％。5.3水灰比水灰比对喷射混凝土强度有重要影响不同水灰比对水泥结构的影响水灰比对强度的影响水灰比对回弹率的影响适宜的水灰比：0.4～0.45干拌法喷射混凝土适宜水灰比的外观特征：水灰比太大，混凝土表面出现流淌、滑移、拉裂现象；水灰比太小，表面出现干斑，粉尘大，回弹多；水灰比适宜，表面平整，呈水亮光泽，粉尘、回弹较小。6、喷射混凝土性能6.1抗压强度喷射混凝土剖面图（干喷，1965年）各类干拌法喷射混凝土抗压强度统计资料抗压强度：抗压强度：最小22.4～24.7MPa；最大39.0～53MPa注：R=53MP为1:2:1加速凝剂的喷射混凝土强度与龄期的关系6.2抗拉强度喷射混凝土的劈裂抗拉强度水泥配合比（水泥：砂：石子）速凝剂（占水泥质量％）劈裂抗拉强度(Mpa)28d60d180d原P.O32.51:2:202.5~3.52.7~3.73.0~4.0原P.O32.51:2:22.5~41.5~2.0－2.2~3.06.3抗弯强度喷射砼抗弯强度变化范围2fPLfbh龄期8h3~8d28d抗弯强度(Mpa)0.27~1.760.99~6.162.82~10.66.4抗剪强度喷射混凝土的抗剪强度测定单位与现场水泥品种速凝剂（占水泥重％）配合比（水泥：砂：石子）抗剪强度(Mpa)冶金部建筑研究总院（梅山铁矿巷道）原P.O32.52.5～41:2:23～4铁道部第四工程局（牛角山隧道）原P.O32.521:2.5:1.53.7铁道部第三工程局（灰峪隧道）原P.O32.531:2:23.7国外博茨等人的测定：7d抗剪强度4～4.65MPa28d抗剪强度4.7～6.5MPa6.5粘结强度喷射混凝土粘结强度综合类型水泥品种配合比（水泥:砂:石）速凝剂（占水泥重的％）粘结强度(MPa)与岩石粘结P.O32.51:2:201.0～2.0与岩石粘结P.O32.51:2:22.5～40.7～1.5与混凝土粘结P.O32.51:2:201.5～2.5与混凝土粘结P.O32.51:2:22.5～41.0～1.86.6弹性模量国外喷射混凝土弹性模量的典型范围龄期(d)13～828弹性模量(Mpa)(1.3~2.9)×104(1.8~3.4)×104(1.8~3.7)×104国内喷射混凝土弹性模量的典型范围抗压强度等级弹性模量抗压强度等级弹性模量C20(2.0~2.3)×104C30(2.5~2.7)×104C25(2.3~2.5)×104C35(2.7~3.0)×1046.7喷射混凝土的变形性能（略）6.8喷射混凝土的渗透性和抗冻性（1）抗渗性干拌法喷射砼的抗渗性测定单位抗渗等级测定单位抗渗等级水电部第一工程局P8～P15铁道部三局四处P15～P32水电部第十二工程局P10～P20第十五冶金建设公司P22西北水利科学研究所P7山西中条有色公司P10冶金部建筑研究总院P5～P20（2）抗冻性冶金建筑研究总院测定结果：干拌法喷射混凝土的抗冻性美国进行的冻融资料表明，有80％试件经受300次冻融循环后，没有明显的影响，也无质量损失和弹模的减小。6.9喷射混凝土的动力特性（略）7、干拌法与湿拌法喷射混凝土干拌法与湿拌法喷射工艺简图(a)湿拌法喷射；(b)干拌法喷射湿拌法喷射混凝土的优点：施工效率高，特别是泵送型湿拌法喷射混凝土6～8m3/h，甚至可高达20m3/h，而干拌法喷射混凝土一般为3～4m3/h；回弹率低，湿拌法喷射拱墙平均回弹率约为5％～10％，而干拌法喷射拱墙平均回弹率约为15％～20％；喷射区粉尘量小；由于减轻了对喷射手技艺的依赖，喷射混凝土的匀质性好。湿拌法的不足之处：对潮湿或含水地层适应性差；对难以进出的区域施工，由于机械较庞大也颇不方便，对使用量较少的工程也欠灵活性。干拌法的某些性能比湿拌法差，但仍有湿拌法不及的优越之处：可及时调整水灰比与粉状速凝剂，以适应潮湿、含水地层施工；喷射设施能快速到达和转移，混合料在输料管内可作长距离输送；工作面不大的区域能在开挖面暴露后迅速覆盖。世界各国干拌和湿拌法喷射砼的应用比例使用干拌法为主使用湿拌法为主国别湿拌法（％）干拌法（％）国别湿拌法（％）干拌法（％）奥地利595法国6040加拿大595意大利9010德国1585日本8020美国1090挪威991葡萄牙2080瑞典8020匈牙利1090瑞士6535摩洛哥1090美国6040喷射混凝土机械HPZ－5型干拌喷射机HPZ－6型干拌喷射机CP－5型干拌喷射机中国TK－500型湿拌混凝土喷射机瑞士Sika－PM500P湿拌混凝土喷射机瑞士MEYCOpotenza湿拌混凝土喷射机湿拌法喷射机械国外：泵送型湿喷机。稠密流；效率高（可达20m3/h）。国内：风动型(TK－500)湿喷机。稀薄流；效率较低建议：对大断面隧道和大跨度洞室的工程，应积极发展湿拌法喷射混凝土；对边坡、深基坑和结构补强工程，宜采用干拌法喷射混凝土；对于矿山巷井、采场支护和断面较小的城市热力、电力隧道工程，可视情况选用湿拌法喷射或潮拌（半湿拌）法喷射。8、喷射钢纤维混凝土这是一种典型的复合材料。根据“纤维阻裂”理论和“多相复合材料复合”理论、大量的试验研究和工程实践资料，显示了这种复合材料主要有以下三种作用：提高材料抗拉强度；阻止基材中原有缺陷（微裂缝）的扩展并延缓新裂缝的出现；提高基材的抗变能力并从而改善其韧性和抗冲击性。8.1钢纤维碳素钢纤维－用于常温下工作的喷射混凝土；不锈钢纤维－用于高温下工作的喷射混凝土；端头带弯钩的钢纤维－具有较高的抗拔强度；粘结成排的端钩型钢纤维－可满足在混凝土中分散均匀的要求，极易搅拌，杜绝结团现象，从而进一步改善喷射混凝土的性能。常用的钢纤维直径为0.25～0.4mm，长20～30mm，长径比一般为60～100；不同品种的钢纤维具有不同功能:8.2喷射钢纤维混凝土的配合比国内干拌法喷射时：水泥:砂:石＝1:2:1.5，钢纤维掺量约为80～100kg/m3。国外常用的配合比：干拌法喷射钢纤维混凝土施工配合比湿拌法喷射钢纤维混凝土施工配合比8.3喷射钢纤维混凝土的主要性能（1）抗压强度喷射钢纤维混凝土的抗压强度喷射钢纤维的早期相对强度1－喷射钢纤维砼；2