混凝土喷射技术

混凝土喷射技术

混凝土喷射机国内外喷射混凝土技术现状　　喷射混凝土技术在世界上已有近百年的历史。它始于奥地利，瑞士、德国、法国、瑞典、美国、英国、加拿大及日本等国也相继采用了喷射混凝土技术，我国是从20世纪60年代末在铁路隧道施工中推广新奥法施工时开始采用的。　　喷射混凝土技术是新奥法施工的3大支柱之一，它以简便的工艺、及时的支护及较低的成本而在地下工程中得到广泛应用，目前，主要有干喷和湿喷两种喷射方式。近10年来，湿喷技术的发展日趋完善，已成为世界各国喷射技术的发展主流，与干喷相比，湿喷的明显优势是生产率高、粉尘浓度小。特别是包括混凝土泵、活塞式速凝剂计量泵和喷射臂在内的稠流湿喷法技术的出现，使湿喷法的应用领域大大拓宽。　　目前，意大利、挪威、瑞典、日本及加拿大等很多国家的湿喷应用已占主导地位，我国的湿喷混凝土施工也越来越被人们重视。　　另外，近年来国内外新型外加剂、外掺料及钢纤维喷射混凝土的研究和应用也得到迅速的发展，例如，我国冶金部建筑总院研制出了8604型速凝剂，美国和瑞士Aliva公司研制出了新型的非碱性速凝剂，德国研制成功了SiliponSPR6型增粘剂。　　目前国内外喷射混凝土施工机械及其配套情况 喷射混凝土机械化施工主要有施工机械和配套作业线2个内容，施工机械主要有搅拌设备、运输设备、上料设备、喷射机及喷射机械手等。从国内外的发展趋势来看，除了对各类机械的单机研制外，更注重对机械的配套研制和使用，其目的在于实现机械化配套，加快支护速度，提高经济效益。1.喷射混凝土主要施工机械(1)混凝土搅拌设备。混凝土搅拌设备主要有混凝土搅拌站和混凝土搅拌楼。目前国内常见的搅拌站(楼)见表1。型号名称生产能力／(m3／h)生产厂家HZS系列模块式混凝土拌合站(楼)50～200福建泉州南方路面机械有限公司HZS系列混凝土搅拌站30、50、60、90、100、120辽宁海诺建设机械集团有限公司HZSP0-120型混凝土搅拌站120无锡市华东建筑机械厂HL系列搅拌楼HZ系列搅拌站50～12020～90常熟市三星机械设备有限公司混凝土搅拌站55、90、120徐州利勃海尔混凝土机械有限公司HZM、HZS系列混凝土搅拌站HL系列混凝土搅拌楼郑州市华中建筑机械厂HZS系列混凝土搅拌站25、30、50、60、75、90、120阜新市建筑工程机械厂混凝土搅拌站(楼)25～240韶关新宇建设机械有限公司 　　HZS系列模块式混凝土拌合站(楼)搅拌楼是大型的设备，一般用于大的隧道工程，而搅拌站一般用于中小隧道工程。搅拌站(楼)除了用于喷射混凝土，还用于衬砌作业。 目前，一种新型的混凝土组合式搅拌站应运而生，它具有安装简单、搅拌迅速、计量准确、性能可靠、适应强及价格适中等特点，已被广泛应用于铁路和各种混凝土施工现场。混凝土组合式搅拌站一般在生产厂配套生产，例如双卧轴强制式搅拌机有500、750及1000等规格，而相应配套的电子计量配料机构有800、1200及1600等规格，施工单位可根据每小时需用混凝土施工用量来确定组合搅拌站设备的大小和设备的多少。双轴卧式搅拌机　　(2)混凝土输送设备。混凝土输送设备主要有混凝土泵和混凝土搅拌运输车。在国内，混凝土泵一般用于衬砌作业;在国外，常用泵送混凝土喷射机进行湿喷作业;混凝土搅拌运输车则既可用于混凝土喷射作业，也可用于衬砌作业。 　　混凝土搅拌运输车有轮胎式和轨道式两种，轮胎式的运输车用得较多，常用的有辽宁海诺建设机械集团有限公司生产的HNJ5240型和HCJ5260型、华东建筑机械厂生产的MR45-1S型(7m3)和MRl0型(10m3)、徐州利勃海尔混凝土机械有限公司生产的系列混凝土搅拌运输车等。轨道式混凝土搅拌运输车以JCGY-6型为代表，一般为罐式，有多家厂家在生产。　　(3)混凝土上料设备。喷射混凝土是隧道及地下洞室施工初期支护的主要手段之一，但却是地下工程中作业条件最恶劣的施工工序。若为干喷，喷射机旁的粉尘浓度很大，操持喷嘴的工人处在粉尘的包围之中，劳动环境极为恶劣，严重危害工人的身体健康。喷射射机人工上料是一项繁重的体力劳动，特别是在喷射时，输料管内充满了待喷料，喷射时的反弹力较大，这样，施喷人员很难按照喷射混凝土规程进行喷射，也难以保证高质量的喷层。　　在国外，瑞士阿利瓦公司生产的31O型移动式胶带机安装在轮胎上给喷射机上料，其受料口可以调节;瑞士迈纳迪尔(Meynadier)公司生产的MeYcoRobojet喷混凝土机械手的喷射机上料也采用胶带运输机;法国诺梅特(Normet)公司生产的机械手，它所用的喷射机也是用输送机来上料;美国艾姆科公司的干式或湿式喷射机则用陡角度的Cambelt闭式输送机来上料。 　　国内的上料机械主要是胶带输送机，大瑶山隧道采用SP45型胶带机给PH30型喷射机上料(胶带机接料端靠近地面，人工上料);南昆线米花岭隧道进出口采用广东韶关煤机厂生产的P5(长4.5m)胶带机给阿利瓦公司的285型喷射机上料;郑州康达支护技术公司生产的HPJ—II型喷混凝土机组，上料机构配用螺旋输送机。目前我国大多数喷射机上料作业仍以人工为主，为减轻工人劳动强度、改善劳动作业环境，采用机械给喷射机上料是非常必要的。　　(4)混凝土喷射机。混凝土喷射机是将混凝土输送给喷嘴的机械，根据喷射工艺不同大致可分为干式(潮式)喷射机和湿式喷射机两大类型，从目前国内外情况来看，前者使用得较为广泛，但后者是发展趋势。现简要介绍目前国内外混凝土喷射机的情况。对于干喷机，国外的代表机型有瑞士阿里瓦(Aliva)公司的转子式和美国里得(Reed)公司的转盘式两种，我国有江西煤矿机械厂生产的ZP-V型喷射机和河南郑州康达支护技术有限公司研制生产PZ-5喷射机。 干式混凝土喷射机潮式混凝土喷射机对于湿喷机，国外主要有挤压泵(PC08-60M)型湿喷机、英国Compernass-208(科姆佩纳斯)型湿喷机和Aliva-285型干湿两用混凝土喷射机及德国古马恩型湿喷机和BSM-903型湿喷机等。挤压泵 其中，挤压泵(PC08-60M型)湿喷机是国外应用较广的一种湿喷机，在更换泵送软管和输料管并采用适宜粒径的骨料后，也可作混凝土泵用。日本极东PC08-60M型和美国Challenge型湿喷机均属此类湿喷机。我国的湿喷机则以中铁西南科学研究院研制生产的TK-96型混凝土湿喷机为代表。TK500湿喷机根据湿喷机输送混凝土的动力不同可分为:泵送型和气送型两大类：⑴泵送型混凝土湿喷机工作时,主要是以液压泵为动力执行机构,将混凝土拌合料输送至喷嘴处,再借助于压风的动力作用将混凝土高速喷射至受喷面。泵送型湿喷机按其结构的不同可分为以下几种:活塞泵式湿喷机、螺杆泵式湿喷机、软管挤压泵式湿喷机等。①活塞泵式湿喷机工作原理为:利用液压缸的回程将已搅拌好的混凝土拌合料吸入缸体;利用另一液压缸的冲程将已吸入缸体内的混凝土拌合料推送至喷嘴处,然后在喷嘴处通高压风将混凝土喷射至受喷面,完成整个喷射过程。液压缸的回程缸,冲程缸交替工作以保证混凝土的连续输送。其工作原理如下图1-1所示: ②螺杆泵式湿喷机工作原理:液压泵通过变速箱带动转动轴转动,固定在转动轴上的螺旋片将混凝土料斗中的拌合料输送到螺杆泵中,靠螺杆相对于定子套的啮合空间容积的变化将混凝土输送至喷嘴,在喷嘴处添加液体速凝剂并借助此处所通压风的作用下将物料喷射至受喷面,完成喷射作业。工作原理如下图1-2所示,图中动力装置及变速箱没画出。其特点:结构简单,上料高度低;输送压力大、距离长、工作可靠;螺杆形状复杂,需专门制造;定子套磨损严重,对材料使用性能要求较高。 ③软管挤压泵式湿喷机工作原理:泵通过传动机构将带动泵体内行星传动机构中的滚轮转动,连续的挤压软管,使之产生真空,不断地从料斗中吸取己拌好的物料,在滚轮的连续挤压下,将软管中的混凝土拌合料压送至喷嘴,在喷嘴处借助压风将混凝土喷射至受喷面,完成喷射作业。其工作原理如图1-3所示:其特点:生产力大,体积大,功率大;由于靠滚轮连续挤压混凝土将其输送出去,对混凝土的水灰比较大,混凝土的强度受到一定限制;挤压管的寿命较低。⑵气送型混凝土湿喷机是以压缩空气作为动力,将混凝土拌合料在输料管中以"稀薄流"的形式经喷嘴输送至受喷面。根据其结构的不同主要有以下三类:①气动耀式湿喷机 工作原理:罐内巳拌好的混凝土拌合料通过喂料机构送至入料口,在入料口处通过压缩空气,在压缩空气的作用下,将混凝土经输料管压送至受喷面,完成喷射过程。其工作原理如图1-4所示:其特点:双罐喂料,可交替工作,喂料均匀且连续;所通压风由分配闽定量自动分配,操作方便;输送时,只能把一团一团的混凝土料吹进送料管,形成料柱,料柱在压气作用下,被分散成小点的料团,但大部分料团因重力大,无悬浮能力,因此整个输送过程为停滞、聚积、吹散、带走;易出现输送脉动现象。②气送转子式湿喷机 工作原理:工作时,动力执行机构通过变速箱带动主轴转动,料斗中的混凝土在固定在主轴上拌料装置的作用下搅拌、旋转并漏向旋转体的集料腔中,待集料腔中的混凝土集满时,旋转体在主轴的转动下将旋转到进风嘴的同侧,经进风嘴处所通压风的作用下,将混凝土拌合料经输送料管压送至受喷面,完成喷射工作。其工作原理如图1-5所示:其特点:体积小,重量轻;结构简单,维修方便;可靠性高,生产力高;工作时有一定的周期性脉冲,但脉冲幅度较小;耗风量较大,输送距离有限;旋转体下所用密封胶板磨损较快。③螺旋式湿喷机 工作原理:工作时,料斗中混凝土拌合料在送料螺旋的动力作用下,被连续的输送至料柱密封腔,在送料螺旋的推力与料柱密封腔前端所通压风的共同作用下,混凝土在料柱密封腔中被压实,以防止反向漏风。从料柱密封腔中出来的混凝土在机械装置切料刀、拨料叉的作用下,在料气混合室中被打散、切碎并与旋流风环处所通的压风进行充分、均匀的混合。悬浮状态的混凝土料粒在经中心喷嘴处所通压风及旋流加速器的作用下,在输料管中以高速、旋转、空间螺旋线的形式被输送至喷嘴,完成整个喷射过程。其工作原理如图1-6所示：其特点是:可获得"稀薄流浮游式"输送、喂料定量均匀连续;解决了给料不均匀、料柱大小不一、气料不能充分混合、混凝土料群与输送料管间的摩擦严重及离析等问题;混凝土料群与压缩空气进行充分均匀的混合后再经旋流加速器的旋流加速作用,增大了混凝土的悬浮能力,改善了混凝土的输送性能,提高了混凝土的喷射质量。此种湿喷机结构简单、上料高度低、输送距离远;然而喂料螺旋绞刀所受的挤压应力大、磨损严重。 另外，还有一种新型的泵送、湿喷两用机，如由济南山川机器人工程公司研制生产的PBT20型两用机，它既可以作湿喷机，又可以作混凝土泵，现已在生产中得到实际的应用。两用型湿喷机 (5)喷射混凝土机械手。喷射混凝土时，如果由工人操持喷嘴进行喷射，由于喷嘴出口距岩面约1m，骨料的反弹及喷射产生的粉尘对施喷人员有极大的危害，加上生产率的大幅度提高，因喷射压力的增加而使反射力加大，工人的劳动强度更大，特别是采用湿喷时，由于喷嘴重量及软管内充满混凝土而加重，考虑到工人的劳动安全性，而不得不用机械手来代替人工喷射。随着我国湿喷混凝土技术的不断提高及广泛应用，机械手的研究应用将具有广阔的前景。喷射混凝土机械手　　用机械手来喷混凝土始于瑞典1961年修建贺尔杰斯水电站的尾水隧洞工程。经过40年的发展，现今的机械手可以实现自动化喷射。国外生产喷混凝土机械手的厂家以西欧为主，如瑞典斯塔比莱托(Stabilator)公司的Robet-75型机械手、瑞士迈纳迪尔(Meynadier)公司的MeycoRobojet机械手、瑞士阿利瓦(Aliva)公司的Aliva-Matico305型机械手、法国诺麦特(Normet)公司生产的能安装在PK4000型卡车上的机械手、德国普茨迈斯特—韦克(PutzmeisterWerkMaschinenfabric GmbH)公司生产的大象牌机械手及日本生产的机械手等等。至于大断面，国外已有2～3臂的喷射混凝土机械手在使用中，所有这些机械手均可以实现遥控。我国喷射混凝土机械手的研制始于20世纪60年代中后期，到80年代末，也只有几种不同结构的机械手研制成功，但未批量生产。为此，在20世纪80年代修建衡广复线及大秦线时，先后引进了瑞典斯塔比菜托公司生产的Robot-75型机械手27台，90年代修建南昆线时则引进瑞士的Aliva-305型机械手，修建鲁布革水电站引水隧洞时喷射混凝土已用Aliva-305型机械手。国产机械手用于铁路隧道施工最早的是韩家河隧道，南昆线二排坡隧道则用南京军区生产的SPJS-10机械手。所有这些机械手在施工中都取得了不错的实绩，但进口的机械手价格较高，一般的施工单位都不愿购置。2.混凝土喷射的工艺流程将粗骨料、细骨料、水泥、水、外加剂按照一定的比例送至搅拌机进行充分均匀的搅拌后,通过气送式螺旋湿喷机的喂料机构,并借助于压缩空气将以拌好的混凝土拌合料输送至喷嘴,在喷嘴处通过添加速凝剂后高速喷射至受喷面,混凝土在受喷面迅速凝结并对受喷面起到支护作用,从而完成整个喷射作业。其中速凝剂的添加由独立的空气比列配置阀来完成的。其整个喷射工艺流程如图2-4所示: 从整个喷射工艺流程可以看出气送式螺旋湿喷机的喷射工艺具有以下特点:①粉尘小,回弹小;②因充分搅拌混合,水泥的水化程度高,故混凝土喷射强度高;③输送距离远;④为了提高混凝土的气力输送性能,故水灰比受一定的限制;⑤速凝剂添加的比例精度高。为了提高混凝土的喷射质量,应在混凝土的材料及工艺中的喷射参数方面进行严格的控制:①粗骨料主要是为混凝土支护提供支架的作用,对混凝土的喷射强度有决定性的作用。为此,粗骨料应以不规则、多棱角、表面粗糙坚硬的碎石为主,因这样的碎石有助于在喷射时嵌入具有塑性的砂浆之中,减少了回弹,提高了混凝土的喷射强度。 ②细骨料为混凝土支护起到填充空隙的作用。细骨料的质量影响混凝土的流动性及粘结能力,因此细骨料应以坚硬耐久的中砂、粗砂为主。③在满足混凝土喷射强度的要求下,混凝土的喷射应处于最佳状态喷射。应根据现场喷射试验调整混凝土的喷射距离,一次喷射混凝土的厚度,工作风压,喷射混凝土的时间间隔及混凝土的坍落度,以保证上述各参数处在最理想的范围。1)喷射混凝土"最佳水灰比"的确定水灰比是影响混凝土喷射强度的重要因素之一,水灰比大时,水泥的速凝效果差,所喷射的混凝土强度低。水灰比小时,水泥不能充分水化,所喷射的混凝土回弹高,强度低。因此,如果不考虑施工方面的局限性,混凝土的水灰比与其喷射强度间存在着一定的关系,即存在一定范围的水灰比来保证所喷射的混凝土具有较高的强度。处于此范围的水灰比就称之为"最佳水灰比"。当混凝土的水灰比髙于或低于"最佳水灰比"时,混凝土的喷射强度会直线下降,如下图2-5所示: 由图形可知:喷射混凝土最佳水灰比为0.4~0.48左右,在此范围之外,混凝土的喷射强度将下降较快。因此,进行混凝土喷射的时,在满足混凝土输送条件及回弹量的要求下,应使喷射混凝土的水灰比靠近"最佳水灰比"的范围,以保证较高的混凝土喷射强度,从而更好的实现混凝土对受喷面的喷射支护作用。2）喷射混凝土最大稠度临界点的控制由混凝土喷射支护的机理及其喷射工艺的过程可知:对于刚刚喷射的混凝土必须要具一定的稠度和粘滞度。只有这样才能保证混凝土的喷射基层与受喷面间具有一定的粘结效果,以便刚刚喷射的混凝土粘附在受喷面上,或者是后面喷射的混凝土对先前已喷射的混凝土具有良好的捣实及粘附效果。这样混凝土的喷射才能继续下去,直至完成整个喷射工作。因此,为了保证混凝土的喷射支护效果,在混凝土的喷射过程中,对喷射混凝土稠度的控制就较为重要了。 混凝土的坍落度与扩散度是衡量混凝土稠度的重要指标,前者主要反映混凝土的流动性和粘聚性,后者反映混凝土的离析程度。为了满足混凝土输送性能上的要求,在气力输送(稀流输送)中,混凝土拌合料应处于1~2厘米(坍落度);稠流(泵送)输送时,应处于2~3厘米(坍落度)。然而,无论采取哪种方式输送,对于塌落度为2厘米左右的混凝土拌合料,需要达到1.11~1.25的捣实度和不大于40厘米的扩散度。由此可见,混凝土喷射物是属于低流动性的,可取的稠度范围较窄,我们把这个可取的、范围极窄的稠度称之为"最大稠度临界点"。低于这个临界点,在喷射混凝土作业时,就不可能使混凝土获得良好的捣实效果,如:混凝土与周围受喷面紧贴的粘附效果或混凝土对受喷面上裂缝的胶结效果。混凝土喷射层内将裹入干拌合物夹层,回弹量增大,混凝土喷射强度下降。反之,在喷射混凝土作业时,将加剧混凝土拌合料的溅落和喷射层片落。造成喷射混凝土回弹上升,喷射质量下降。由此可见,在进行混凝土喷射支护的过程中,合理而恰当的控制"最大稠度临界点"对提高混凝土喷射效率和喷射质量是相当重要的。 坍落度的测试方法：用一个上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭状的塌落度桶，灌入混凝土分三次填装，每次填装后用捣锤沿桶壁均匀由外向内击25下，捣实后，抹平。然后拔起桶，混凝土因自重产生塌落现象，用桶高(300mm)减去塌落后混凝土最高点的高度，称为塌落度。如果差值为100mm，则坍落度为100。3）影响回弹量的几个因素混凝土喷射工艺的特点决定了喷射混凝土时一定会产生回弹,而回弹又与喷射混凝土的强度及经济利益有着密切的关系。因此,在喷射混凝土的过程中,为了保证混凝土的喷射质量,降低混凝土的喷射成本,回弹量是很值得研究一个物理量。在此,我们就有关影响混凝土回弹量的因素进行如下分析与讨论:①工作压风对回弹量的影响。工作压风恰当时,喷射的混凝土结合密实,回弹量少,混凝土质量高。当风压过低时,从喷嘴射出的混凝土速度小,获得的动能就低,不能够嵌入到砂衆里面或者不能够与砂浆捣实、粘结在一起而致使其坠落;当工作压风过高,混凝土的喷射速度就大,很容易反弹下来,造成回弹量增大。因此,试喷时,一定要多次改变工作风压找出最佳的回弹量所对应的风压值。 ②水灰比对回弹量的影响。从理论上分析,水泥水化时所需要的水灰比为0.25~0.3左右,但此范围的水灰比不满足输送原理及施工工艺的要求。在实验中,当水灰比低于0.35时,混凝土拌合料不能混合均匀,料束分散,回弹加剧。当水灰比高于0.6时,混凝土的稠度降低,粘性不足。喷射后混凝土砂浆会沿着喷层流动,甚至脱落。通过喷射实践验证:最佳的水灰比范围在0.45~0.52时,对回弹量的影响最小。③喷距对回弹量的影响。一般而言,当工作压风稳定不变时,喷嘴到受喷面的距离决定了喷射出来的混凝土在空气中流动时所受空气阻力的大小。喷距越小,阻力越小,混凝土的喷射速度就越大,其获得的动能也越大。这样混凝土很容易在喷射到受喷面时被反冲下来,导致混凝土的回弹量增大,影响喷射效率及混凝土的喷射质量。喷距过大,混凝土在空气流动中所受阻力就大,其速度也小,且在受喷面上扩散的面积较大,使回弹量加大,甚至有些物料还没到达受喷面就坠落下来。4）混凝土的喷射特性分析①混凝土的喷射支护原理无论是采用干喷、潮喷或湿喷,混凝土颗粒最终都是以具有一定压力的气流作为动力来源,在气流推动力的作用下,被输送至受喷面并完成喷射支护作业。完整的喷射过程为:喷射基层的形成和混凝土颗粒的挤压、捣实过程。 喷射基层的形成:当混凝土料群刚与受喷面接触时,混凝土料群中的粗骨料便与受喷面发生弹性碰撞,被反弹回来,而混凝土料群中细料和水泥胶结成类似塑性的物质在射流冲击力的作用下首先在受喷面上所有孔隙、凹陷处及受喷面形成一层硬化后具有一定粘结力的砂衆粘滞层,其厚度约为15mm左右,即喷射基层。混凝土颗粒的挤压、捣实过程:由于受喷面上附着具有一定粘结力的喷射基层,后续被输送的混凝土料群中的粗骨料就会像子弹一样射进喷射基层并嵌入其中,使喷射基层的密度变大并与之捣实,与此同时,混凝土料群中的细料及稠衆又粘结在喷射基层上,这样在喷射基层的外表面又形成第二层新的砂衆粘滞层。于是,混凝土喷射支护就是通过一层一层的喷射、捣实、并挤压密实而完成的。②喷射参数对喷射混凝土质量的影响在混凝土的施工工艺过程中,无论采用干喷、潮喷、湿喷,在混凝土拌合料的配合比确定后,喷射混凝土的质量主要取决于喷射技术及喷射参数的选取是否合理。混凝土的喷射参数主要有喷射速度、喷射角度、喷射距离、混凝土的射流冲击力、喷头的几何结构尺寸等。上述理论分析中已经讨论了喷射速度、射流冲击力对喷射混凝土质量的影响,下面进行讨论其他各参数对喷射混凝土质量的影响。③喷射距离 混凝土喷射的实质就是混凝土以较高的速度与受喷面发生碰撞、粘结、捣实、凝结、回弹的过程,混凝土的喷射质量也就取决于上述过程中各个环节的实现是否合理恰当,而喷射距离则影响了上述过程中的各环节实现的合理性。在喷射速度一定时,喷射距离过小,混凝土颗粒发生碰撞时,粗骨料反弹较多,从而喷射混凝土的回弹上升,另外混凝土颗粒因具有的动能较高,很可能会冲掉新喷射上混凝土。喷射距离过大,混凝土在达到受喷面时,损失的动能较多,混凝土中粗骨料的捣实效果较差,而细骨料和砂浆的粘结力将降低,从而影响混凝土的喷射强度,喷射距离与混凝土强度之间的曲线关系如下图5-2所示。此外,喷射距离过大,由于受重力的作用,混凝土中粗骨料在竖直方向的速度较大,此时混凝土的射流速度将偏离水平方向,射流截面上的冲击力、射流速度将下降或混凝土的喷射方向将偏离受喷面。实验表明当喷射距离大于1.5m后混凝土的喷射方向几乎完全偏离了受喷面。此外喷射距离的选择还与喷嘴的结构形状、混凝土拌合料中粗骨料的粒径大小有关。一般而言圆锥形结构喷嘴的喷射距离要大于纯圆柱形结构的喷嘴;在同样喷射条件下,混凝土拌合料中粗骨料粒径大,相应的喷射距离也增大。因此,喷射混凝土的最佳喷射距离约为0.9m~1.2m。 1一喷距与混凝土喷射强度的曲线关系;2—喷距与回弹率之间的曲线关系④喷射角度在高速喷射混凝土作业时,当受喷面为完整的平面时,喷嘴的喷射角度应与受喷面垂直,即喷射角度为90°。这样喷射混凝土的回弹较小。经过多次试喷试验发现:当混凝土的喷射角度小于75°时,喷射时混凝土拌合料中较大的粗骨料与受喷面碰撞后回弹较大,同时混凝土的强度也相应的有所下降。此外,在喷射混凝土作业时,喷射工人应根据不同的受喷面、喷射位置及时调整喷射角度使其维持在80°~90°,以保证较低的回弹及较为理想的喷射效果。⑤一次喷射厚度百度文库-让每个人平等地提升自我混凝土拌合料从喷嘴喷出后,混凝拌合料中的细骨料和砂^立即便与受喷面粘结在一起,如果长时间不移动喷嘴,导致粘结在受喷面上的混凝土厚度增加,当混凝土本身的自重大于其与受喷面间的粘结力时,混凝土便会脱离受喷面,从而回弹上升。即一次喷射厚度过大,回弹量增大;若在很短的时间内便将喷嘴移开其受喷面,混凝土中的细骨料和砂浆很好的粘结在受喷面上,但此时所形成的喷射基层的厚度较薄,在进行第二次喷射时,混凝土拌合料中较大的粗骨料与喷射基层碰撞挤压后便反弹回来,而停留在喷射基层中的粗骨料较少,这样不但混凝土的回弹量较大,同时混凝土的强度也较低,即一次喷射厚度过薄,混凝土的回弹及其喷射强度都受到较大的影响。 由上述分析可知:一次喷射厚度过大或过小都会影响混凝土的喷射质量。而较为理想的一次喷射厚度是指喷射混凝土基层时,在混凝土拌合料不发生错裂、脱落现象时,其厚度超过混凝土拌合料中最大骨料颗粒的最大厚度值。一次喷射厚度还受喷射角度、喷射方向的影响。一般而言,喷射作业时,工程上通常采用下面的计算公式计算一次喷射厚度。h=(3~4)cm+4cos(α)式中:α—喷射方向与水平线的夹角(°);h一次喷射厚度(mm)。由公式可知:当α=90°时,即垂直于受喷面喷射时,一次喷射厚度约为3~4cm;当α=0°时,即沿侧壁喷射时,其值约为7~8cm。此外,一次喷射厚度还与喷射角度、受喷面的形状、位置等有较大的关系。一次喷射厚度与混凝土射流方向和水平线间的夹角关系如图5-2所示:3.几种喷射混凝土工艺分析比较喷射混凝土根据其施工过程中各种材料的投料顺序不同，尤其是水和速凝剂的时机不同，将其划分为四类：干喷、湿喷、潮喷和混合喷。 (1)干喷施工工艺用搅拌机将砂、豆石和水泥等按比例拌和好，投入混凝土干式喷射机，并均匀按设计配比掺入固态速凝剂，利用空压机提供强力风流，将混合料输送至喷枪，在喷嘴前按一定比例加入水，使水与拌和料混合后再喷出。其工艺为图1所示。干喷工艺的主要有两个特点，其一是采用固态速凝剂，相对成本较低；其二是前期混合料采取干式拌合，水在喷嘴前加入。(2)湿喷施工工艺 用搅拌机将骨料、水泥和水预先拌制均匀，用湿式混凝土喷射机压送混合料输送至喷枪，在喷嘴前加入液态速凝剂与混合料一起喷出。其工艺为图2所示。湿喷工艺的相对干喷工艺有两个特点，其一是采用液态速凝剂，相对成本较高；其二是混合料采取湿式拌合，水在拌合时加入。(3)潮喷施工工艺仍然使用干喷设备及相关工艺，只是在拌制混合料前在骨料中预加少量的水，使之呈潮湿状，再加水泥拌和。(4)混合喷射施工工艺 又称水泥裹砂造壳喷射法，分别由泵送砂和风送混合料系统两套机具组成。先将一部分砂加第一次水拌湿，再投入全部用量水泥，强制拌成以砂为核心，外裹水泥壳的球体；然后加第二次水和减水剂拌成SEC砂浆；另一部分砂石骨料和速凝剂按配合比配料，强制拌成均匀的干混合料。然后再通过砂浆泵和干式喷射机，将砂浆和干混合料压送经混合管混合后，从喷枪喷出。其工艺为图3所示。4几种喷射混凝土工艺的比较(1)干喷优缺点优点：使用的干喷机结构较简单，体积小、重量轻，便于移动，适于高边坡及狭窄部位；机械清洗较容易，出故障时可快速拆卸处理。缺点：①由于输料不均匀、不稳定，工作风压突然变化等原因，造成喷射过程中产生大量的粉尘；②回弹量大，一般超过15％，且一次性喷射厚度一般小于3mm；③加水由阀门控制，水灰比不稳定，常出现干斑或流淌现象，混凝土质量难以控制。④干喷机生产能力低，每小时产量5以下。 (2)湿喷优缺点优点：①由于采取湿式拌和，大大降低了施工区的粉尘浓度，消除了对工人健康的危害；②湿喷混凝土混合料按水灰比精确控制，拌和及水化作用充分，速凝剂按比例计量添加，喷射质量较易控制，提高混凝土的匀质性；③回弹量小，回弹率可降低到1O％以下。④喷层厚度有可靠保证，支护质量得以提高。缺点：①采用液态速凝剂，相对成本较高；②对湿喷机械要求较高，机械清洗较困难，出现故障时难以处理；③设备体积较大，移动相对困难。(3)潮喷优缺点优点：使用干喷机械，一方面具有干喷优点，另一方面在混合料拌制过程中预加少量的水，降低上料、拌和和喷射过程中产生的粉尘。缺点：大量的水仍由阀门控制，水灰比不稳定，混凝土质量难以控制；回弹量仍然较大。(4)混合喷射优缺点优点：分次投料搅拌工艺与喷射工艺相结合，喷混凝土质量好，粉尘少，回弹量小。缺点：使用机械设备多，工艺复杂，机械清洗较困难，出现故障时难以处理。5几种不同工艺使用范围 干喷：只少量使用于对环境保护保护要求不高的明挖边坡部位，如路基、路堑、大坝边坡等，随设备和工艺的更新，环保要求的提高，正逐步被淘汰。湿喷：广泛用于公路隧道、矿山巷道掘进、水工地下洞室群。潮喷：较为广泛的用于明挖边坡的支护，洞内施工因回弹量大(尤其为洞顶)，使用较少。混合喷：因使用机械设备多，工艺复杂，一般只用在喷混凝土量大、断面较大的地下洞室工程中，其它部位使用较少。6.降低隧道喷射混凝土回弹率的方法“喷射混凝土的回弹率．边墙不应大于15％，拱部不应大于25％，但是，在实际施工过程中，回弹率多数情况超出了规范要求，尤其是拱顶，达到了3O％，造成极大的材料浪费。降低隧道喷射混凝土回弹率的方法应从多方面入手，从原材、配合比、工艺、喷射压力等七个方面就如何降低喷射混凝土回弹率进行较为详细的分析。⑴喷射混凝土原材料水泥：优选选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥含有较多的C3A和C3S，凝结时间较快．特别是与速凝剂有良好的相容性。水泥强度等级不应低于32．5MPa。集料：粗集料采用坚硬耐久的碎石或卵石。粒径不宣大于15mm；细集料采用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模数宜大于2．5。集料级配宜采用连续级配。速凝剂：使用前应与水泥的相容性试验及水泥净浆凝结效果试验，要求初凝不应大于5min，终凝不应大于10min 。须要根据水泥的品种、水灰比等进行掺量选择试验。一般情况下可采用水泥质量的2％-4％。外加剂：在不影响混凝土原有性能的前提下，可以掺加增黏剂，以减少喷射混凝土的回弹及粉尘，具体掺量由试验确定。水：混合水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质，不得使用污水及PH值小于4的酸性水和含硫酸盐量(按S0-4计)超过水质最1％的水。⑵喷射工艺在喷射工艺上选择湿喷最为合适，湿喷中将拌和好的混凝土投入湿喷机料斗，用喷射机压送，在喷头上添加速凝剂。此喷射工艺除降尘外对降低回弹率很有效果，避免了材料浪费。⑶配合比喷射混凝土所用的骨料级配宜按照表1所给的参考值进行控制。表l喷射混凝土骨料通过各筛径的累计重量百分数(％)干法喷射水泥与砂、石之重量比宜为1．0：4．0-1.0：4．5，水灰比宜为0.4-0．45，具体水灰比由喷射手现场控制，保持混凝土表面平整，呈湿润光泽，无干斑或滑移流淌现象，以减少回弹t湿法喷射水泥与与砂，石之重量比宜为1．0：3．5-1．0：4．0，水灰比宜为0．42-0．50，砂率宜为50-60％， 且混合料拌制后，应进行坍落度测定，其坍落度宜为8-12cm。⑷喷射压力选择合理的工作风压及工作水压对降低喷射混凝土回弹率十分有效。工作风压不宜过大或者过小。风压过大，粗集料易回弹，且空气中粉尘含量上升。风压过小，粗集料未喷到受喷愿就掉落，回弹也会增加。按照规范要求，喷射机的工作风压应满足喷头处的压力在0．1MPa左右。并且，可以参照中国建筑科学研究院提出的公式，合理的工作风压可按下式确定：P=O.1+0.00l3L式中：P一工作风压，MPa；L一输料管长度，m。水压应比风压高，以保证喷头处的水环能充分润湿高速流过的混合料，一般情况下水压比风压高0．08-0．1MPa，以减少喷射混凝土回弹。⑸喷手操作水平喷手操作水平的高低在很大程度上决定了喷射混凝土的回弹量，因此，必须重视对喷手操作水平的培训及提升。在喷射过程中应注意以下几点：①喷前对受喷岩面进行清理，清除浮石，吹洗岩面，保证喷射混凝土有一个良好的附着面。② 喷嘴应垂直岩面，斜向喷射时，易产生分离、回弹增加、剥离多。喷射距离应以冲击速度和附着强度为最佳状态的条件确定。一般情况下湿喷为0.8-1.2m。③宜自下而上喷射，可避免先喷上部时松散回弹物污染下部未喷射的岩面，且喷好下部喷层对上部喷层超支托作用，可减少或防止喷层松脱，降低回弹。④一次喷射厚度要适当，过薄则粗集料不易黏结牢固，增加回弹量。过厚则由于混凝士自重下坠，影响混凝土与岩面的粘结力，发生脱落。亦会增加回弹量。⑹控制洞身成型质量进行洞身爆破时．严格按照光面爆破的要求组织爆破，保证洞身轮廓成型规整，减少洞身围岩面的凹凸不平，不仅降低喷射混凝土的使用量，节省材料,还能显著地降低喷射混凝土的回弹率。⑺掺和料当前很多隧道工程中，在喷射混凝土中掺人乱向分布的短钢纤维或者聚丙烯纤维等材料，形成了一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的纤维能够有效改善混凝土的性能，具有较好的延性。实践证明，在喷射混凝土中掺人适量的钢纤维或聚丙烯纤维等掺和料对降低喷射混凝土回弹率具有一定效果。