喷射混凝土广泛应用于隧道建设

喷射混凝土广泛应用于隧道建设、地下工程、岩土工程和市政工程等领域,已成为工程建设中不可或缺的结构工程材料。
2020年我国预拌混凝土总产量为28.43亿立方米,同比增长2.89% 。大量基础设施建设工程的推进,将大力推动喷射混凝土和外加剂行业的快速发展。
在未来一段时间,隧道建设、煤矿加固、城市道路和防水设施维修等项目对喷射混凝土的需求将继续保持增长趋势,对包括速凝剂在内的各种化学外加剂需求将不断增加。所以提高喷射混凝土和速凝剂的质量,可直接促进我国大量基建工程的施工质量和服役寿命得到提高和改善。
喷射混凝土的工作原理是在压缩空气或高压泵的动力下,通过喷射装置将混凝土拌合物喷射至支护表面并在几分钟内凝结硬化,起到封闭与支护的作用。喷射混凝土技术起始于20世纪的美国,1911年喷射技术首次获得专利并成立CementGun公司。喷射混凝土成型工艺
主要分为干喷法和湿喷法。干喷法在过程中存在粉尘量和回弹量均较大、工作环境恶劣、喷料时有脉冲现象且均匀度差、实际水灰比不易准确控制、生产效率低,配套使用的碱性粉状速凝剂会造成后期强度损失大、耐久性差等缺点。因此喷射工艺逐步由干喷发转为湿喷发施工。(已发)纱线蒸纱机
20世纪60年代末期,我国冶金、水电部门开始研究喷射混凝土的技术及设备,第三冶金建设公司和冶金部建筑研究院合作,首次应用喷射混凝土技术建造了鞍钢弓长岭铁矿的矿山运输巷道。
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20世纪80年代初,由于施工环境安全和施工人员少等优点,我国开始采用湿喷混凝土技术并逐渐在其他地区推广应用。
据不完全统计数据,目前喷射混凝土的湿喷作业在我国的喷射混凝土施工中约占50% ,而
其他国家如意大利、瑞典、日本等国家均达到85% 以上。随着工程车辆制造经验的多年累积,目前我国湿式混凝土喷射机已逐渐发展成熟,在部分工程(尤其是水利工程)中多次成功的开展了实际应用。喷射混凝的湿喷作业将成为喷射混凝土技术未来发展的主流方向。
近年来,喷射混凝土作业用的大型喷射机械手已经成为各类施工团队的新宠儿,在隧道施
工过程中得到了广泛应用。喷射机械手不仅能提升混凝土施工作业效率和质量,更重要的是优化了喷射作业环境,保障了工人安全。
速凝剂是一种能加快水泥或混凝土在几分钟内完成凝结硬化的化学添加剂。目前,速凝剂已广泛应用于隧道、城建、水利电力涵洞、引水洞等地下工程的喷射混凝土施工及混凝土紧急抢险等工程中。近10年来,喷射混凝土用速凝剂从高碱粉体速凝剂逐步优化为安全高效的无碱液体速凝剂。
国外从20世纪30年代开始研究喷射混凝土用速凝剂。最早投入到工程使用的是由瑞士和奥
地利共同研制并顺利应用的Sika(西卡)速凝剂。这类以硅酸钠、铝酸钠或碳酸钠为有效成分的传统粉状速凝剂虽然在喷射过程中能够达到速凝,但后期强度损失过大,且存在粉尘大、回弹多、工作环境等安全隐患,国外基本不采用粉状速凝剂。在20世纪60年代开始我国也研发了不同种类的粉状碱性速凝剂,例如红星Ⅰ型、阳泉Ⅰ型、711型、782型、73 速凝剂、J85型速凝剂等。由于粉状碱性速凝剂具有凝结时间快、早期强度高、掺量(水泥质量的3%~5%)较低以及生产工艺简单的特点,所以早期在国内干喷混凝土施工中大量应用。
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真空环境随着喷射混凝土技术及设备的进步,各国为了保证建筑物的长期质量,于1975年左右开始研究无(低)碱速凝剂。我国在90年代末逐步展开对液体速凝剂、液体无(低)碱速凝剂、有机无机复合型液体速凝剂的研究和发展。其中液体速凝剂根据含碱量分为高碱、低碱和无碱液体速凝剂,根据速凝组分可分为硅酸盐类、铝酸盐类和硫酸铝类液体速凝剂。硅酸盐类是初期研发的液体速凝剂,主要成分为硅酸钠或硅酸钾。
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近年来我国速凝剂行业结构调整加速,液体速凝剂产量显著提高。据中国混凝土外加剂协会统计,2019年我国速凝剂总产量已将近180万吨。其中液体速凝剂的产量在2015年时为46.96万吨,2019年时产量已达到95.2万吨,所以在不久的未来液体速凝剂必将取代粉状速凝剂成为主流产品。
据一些公开论文数据,国内目前规划的待建工程需喷射混凝土4.84亿m³。未来大量的铁路隧道建设工程需要高质量的喷射混凝土作为支撑,我国基建工程的展开也需要喷射混凝土技术的持续发展,所以喷射混凝土在我国具有大量的发展空间和市场潜力。
我国喷射混凝土与速凝剂产品及其应用技术还处在发展阶段,正在大力推进的高速铁路、
水利水电等基建隧道工程对速凝剂和喷射混凝土性能的要求也更加严格。随着基础建设工程的持续推进,喷射混凝土及速凝剂的用量逐年增加。我国喷射混凝土行业需要研究的重要课题及未来发展方向总结如下:(1)喷射混凝土工作性的含义和测定方法并不统一,力学性能和耐久性的检测方法和评价标准需要进一步补充和完善;(2)速凝剂的性能检测标准以传统的模筑成型为主,与实际使用的喷射成型方法不一致,性能相差较大;(3)针对铁路隧道等工程要求的喷射混凝土3h、8h高早强性能未规定标准测试方法,强度结果存在误差等。以上这些问题仍是我们目前需要研究的关键问题,只有攻克了实际工程中的这些难点,才能更好地促进喷射混凝土行业的进一步发展。
基于低成本、高质量和施工人员身心健康的需求,喷射混凝土的新材料、检测标准、湿法喷射装备等正在向高性能、低回弹、贴合实际、设备全自动化、作业安全的方向发展改进。目前我国正处于实现中华民族伟大复兴的关键时期,经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段,因此我国隧道建设等工程项目更需要高质量的喷射混凝土和配套的化学外加剂产品。加强对产品质量、检测方法、施工工艺的系统化研究一定会对喷射混凝土高性能化发展和标准规范的建设起到重要的推动作用。
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