下面列出了选择干喷混凝土的部分原因:
• 干喷混凝土早期强度较高(表1)
• 设备成本较低;
• 现场所需空间较小,尤其是在采用预制袋装混合料的情况下(这对于城区工地或矿区特别有利);
• 操作期间灵活性更大(喷射混凝土可有效地随时取用,所需清洁更少)。
在湿喷法中,通过压缩空气或泵向喷嘴输送预拌(湿)混凝土,并在喷嘴处添加液态速凝剂(图3、图4)。在隧道外配制混凝土时,水灰比是固定的。喷射期间,由喷射作业人员控制速凝剂掺量。当前的全球趋势是优先采用湿喷法而非干喷法。人们普遍认为湿喷法可更好地控制质量,更适合自动化操作且更安全(因为粉尘水平更低)。据以前的估计,全世界约有60%的喷射混凝土采用湿喷法生产(Brooks,1999),而现在这个比例可能要更大。
1)基底表面
喷射混凝土的理想基底是略微粗糙、潮湿的表面,因为这能产生良好的黏结。混凝土不能喷射到其无法黏结的表面上,例如有流水的潮湿表面或光滑的塑性表面。如果表面有水,必须采取控水措施,以便能施作喷射混凝土(图 6)。如果混凝土的喷射力能够清除水并使混凝土与围岩黏结,那么就可在潮湿表面上喷射干喷混凝土。将土工布钉在潮湿区域的缺点是,这将阻碍喷射混凝土与围岩之间产生任何黏结。作为替代方案,可在围岩中钻排水孔,将渗水集中在各个分散点并使表面干透。
通常会将一层细钢丝网设在钢筋网前面,这首先是为了将防水卷材固定在原位,防止其向周围摆动(即所谓的“击鼓”),其次是为了给新鲜的喷射混凝土提供支撑(Jahn,2011)。
2)喷射工艺
喷射作业人员的操作技术对喷射混凝土的质量有巨大影响。现已制定了数部针对喷射混凝土的指南(例如,ACI 506R 16,2016和EFNARC,1999)。而虚拟现实作为一种培训手段,已被有效用于喷射作业人员地下作业事前培训(Goransson等人,2014)。
喷射工艺不佳会导致以下缺陷(图7)。
• 空隙:在不规则表面上、难以处理的几何形状内(如尖角)或障碍物(如钢筋)周围喷射混凝土时,若混凝土喷射角度有误,将产生形成空隙的风险。
• 阴影:空隙形成于钢筋背面,将致使钢筋面临更大的腐蚀风险,且降低钢筋有效性[目前正在进行研究,以期对喷射混凝土结构中的黏结长度要求提出修改建议(Basso Trujilllo与Jolin,2018)]。
• 脱落:部分喷射混凝土在其自重作用下掉落,要么是因为黏结太弱,要么就是因为施作的喷层太厚。
• 分层:喷射混凝土未形成均质体,可能由层间黏结不良的多层组成。这可能是因喷射混凝土每次施作前表面处理不充分,或因喷射期间压实度有所变化造成的。而白斑的出现则可能意味着,由于混凝土流动中断在表面喷射了一层纯速凝剂薄膜。
• 回弹:如果在喷射期间没有清除回弹物,回弹物就可能融入衬砌中,形成一个软弱带。此外,回弹量过大将造成喷射混凝土严重浪费。关于回弹的影响参见图8。
• 低强度:如果速凝剂用量过大,将存在喷射混凝土强度偏低的风险,这要么是因为喷射混凝土具有多孔结构(当压实效果不佳时),要么可能是因为强度的长期下降(尽管使用现代速凝剂时似乎不会出现这种现象)。
良好的设计会使喷射作业人员的工作更容易进行。应避免不便于喷射的几何形状。预制的预留搭接钢筋单元能使接缝问题得到简化。在实践中,最好要将钢筋直径限制在16mm或更小范围内(Fischer与Hofmann,2015)。目前,虽已成功将混凝土喷射在直径达40mm的钢筋上,但这极难做到,尤其是在钢筋搭接或交叉处。应考虑采用多层直径较小的钢筋来代替单根大直径钢筋。钢筋的横向间距虽显得不那么至关重要,但实际的最小间距值约为100mm。架空喷射相较于在隧道侧面喷射更为困难(Fischer与Hofmann,2015)。钢筋应尽量靠近基面设置。
最新技术聚焦的重点是缩小人为误差的范围。各种测距装置(例如TunnelBeamer等激光测距仪或DIBIT等摄影测量设备)已被用于检测喷射混凝土轮廓。TunnelBeamer是一个当前可在喷射期间交互式用于检测轮廓和厚度的系统(Hilar等人,2005)。这也正是该设备的优势所在,有此优势,即便该设备只能进行单点测量也无关紧要。而DIBIT等设备的优点则是可用于对整个表面进行检测,不过为完成测量就必须停止掌子面作业。在隧道中,这些系统的典型精度为±20mm,鉴于喷射的容许误差通常为±(15~25)mm,该精度可满足要求(TunnelBeamer™是Morgan Est和Beton und Monierbau取得的专利,并作为其注册商标)。
全自动(机械化)喷射已通过试验(例如用于防火涂层),但尚未在生产现场使用。毫无疑问的是,很快就能取得这方面进展。
喷嘴
喷嘴是通过加入压缩空气将(干或湿)混凝土流转化为喷射混凝土射流的软管末端装置(图9)。喷嘴的设计应确保速凝剂与压缩空气和(采用干喷法时)水均匀混合。目前,已针对干喷混合料研制出了特殊喷嘴,此类喷嘴可在添加水和速凝剂主体前预先湿润骨料,这将有助于减少粉尘。
喷嘴应在每次使用后及时清洗,以免被硬化的混凝土堵塞。喷嘴末端的设计能让喷嘴在喷射期间发生堵塞时自行吹通。喷嘴会因管道直径突然减小而受到很大磨损。通过将喷嘴内部弯曲或使用所谓的“流转换器”(Stream Converter)喷嘴,可减轻磨损(Spirig,2004)。
钢纤维的最大长度应小于喷嘴直径的75%,以避免造成堵塞,而粗合成纤维的最大长度应约等于喷嘴直径。
4)表面修整
根据终端用户对喷射混凝土衬砌的要求,可产生各种各样的完成面(表3)。通过在喷射时减少最后一道的速凝剂掺量,可提高喷射态表面的平整度。
尖利的钢纤维会从喷射态表面突出,因此在人们可能触碰到衬砌的位置,通常要施作由喷射砂浆构成的“找平”层作为面涂层。而这样的找平或“修整”层也适用于拟设喷涂防水膜的位置。
5)养护
不同于传统浇筑混凝土,喷射混凝土很少养护。通常都是在用到永久喷射混凝土的时候,才会出现进行养护的情况。得到某些研究支持的一个普遍观点是,隧道中的环境已足够潮湿(相对湿度通常大于50%),可实现有效养护⸺不过,ACI 506R 16(2016)将85%作为自然养护的相对湿度下限建议值。而上述观点的确是一个适宜的假设,毕竟养护会干扰隧道内的施工进程。然而,隧道内的湿度是否有这么高是值得怀疑的(Holmgren,2004)。另一方面,如果我们致力于生产出与浇筑混凝土一样好的混凝土效果,那么不进行养护就会显得不合常理。在喷射混凝土表面喷洒水雾(Kusterle,1992;Ansell,2011;Grov,2011)或在表面涂抹养护剂有助于养护。ACI 506.213(2013)建议要持续养护至少 7d 或直至达到抗压强度的70%,二者中以时间较短者为准。
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