技术 | 阿伦·托马斯:现代喷射混凝土

文摘   科学   2024-05-18 14:49   北京  


喷射混凝土技术正处于快速发展阶段。虽然许多原则仍保持不变,但近年来相关设备在易用度和性能方面都有很大改进。而对健康和安全的关注以及对更高生产效率的需求,还推动自动化水平不断提高。配合比设计也有飞跃式发展。喷射混凝土有两种生产方式:干喷法和湿喷法。


1  干喷混凝土

在干喷法中,将通过压缩空气向喷嘴输送由自然湿润或烘干骨料、水泥以及外加剂组成的混合料,并在喷嘴处添加拌和用水(和液态速凝剂)(图1、图 2)。喷射期间,由喷射作业人员控制速凝剂掺量和水灰比。在过去,因为采用干喷法能够生产出早期强度较高的喷射混凝土,因此干喷法一直是首选,现在有些国家仍然倾向于采用干喷法。

图1  干喷法

图2  干喷泵

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)‌。


表1  现代混合料的抗压强度(Lukas等人,1998)(单位:MPa)



总的来说,干喷混凝土最适合那些间歇性需要少量喷射混凝土,且现场空间受限或从拌和点到掌子面的运输时间较长的项目。干喷混凝土可分批配制并袋装储存,以便随时取用。在预先装袋的混合料中可加入粉末状速凝剂,这样在喷射时就只需使用水和压缩空气。而这也简化了所需设备,只是将失去改变速凝剂掺量的机会。干喷法的主要缺点是产生的粉尘量大(图5)及由于喷射作业人员操作不同而导致的产品差异性。为克服这些缺点,已有人研制出预湿喷嘴(目的是降尘)和不需添加额外速凝剂的特殊喷射水泥(Testor,1997)。


2    湿喷混凝土

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。


图3  湿喷法

图4  湿喷泵


下面列出了选择湿喷混凝土的部分原因:
• 湿喷混凝土能够更好地进行质量控制(混合料在拌和厂配制,喷射作业人员无法更改水灰比)。
• 由于喷嘴和软管重量较大,因此需采用机械化喷射。机械化喷射比干喷法生产效率更高(可达到20~25m3/h),并可减少人为因素造成的差异性。人工成本的降低,也部分抵消了附加的设备成本。
• 回弹更少,一般约为16%;而干喷法的回弹量则为21%~37%(Lukas等人,1998)。
• 粉尘更少(粉尘水平在可接受范围内,参见图5)。
• 使用预拌配料、表面扫描和机械化喷射,更易于记录准确的拌和情况与喷射量(Davik与Markey,1997),这也顺应了使用建筑信息模型的趋势。‌



图5  不同类型喷射混凝土的粉尘水平

湿喷混凝土最适合那些定期需要大量喷射混凝土且拌和站可设在使用点附近的项目。现代优质干喷和湿喷混凝土之间的成本差异已大为减小,即使考虑所有相关因素(如回弹、人工成本和循环时间),这两种方法也不相上下(表2)。而对于较长的隧道,更高的设备投资显然是合理的。

表2  干喷与湿喷射混凝土之间的归一化成本比较


湿喷混凝土的主要缺点是设备成本较高、强度较低且喷射混凝土拌和后的贮存期有限。不过,自动化带来的效益部分抵消了这些额外的设备成本。随着健康和安全法规变得日益严格,粉尘水平问题令使用湿喷混凝土的理由变得更为充分。


3    泵送

为提供尽可能平稳的流体,大型泵(图3)均设有两个缸体。尽管泵容量可高达20m3/h,但典型泵送速度却约为8m3/h。在开始泵送混凝土前,应照例使用稀薄水泥浆冲洗泵和管线。否则,混凝土混合料中的水性水泥在通过管线时会吸附在管线上,导致第一批混凝土被破坏。如果泵运行不当,流动就趋向于脉冲式,即流动不连续。这将导致压实度较差和分层现象。
泵操作人员的作用经常受到低估。熟练的操作人员会监控进泵混凝土的质量以及机器性能。通过上述监控,操作人员就能避免堵塞和泵的损坏。
典型泵送长度在20~40m之间,但在添加合适的外加剂后,长度可延长至150m(Melbye,2005)。Spirig(2004)介绍了出自瑞士Gotthard隧道的一个极端案例。在此例中,通过精细的配合比设计,使喷射混凝土可经由一根立管向下输送至近800m深的地方,且无需使用重复搅拌机就可喷射。
钢纤维的长度宜小于泵软管直径的50%,以免造成堵塞。

喷射

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)。


图6 渗水控制

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)。


图7 喷射缺陷


• 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)。


图8 主要喷射参数对回弹量和质量的影响(Melbye,2005)

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。


图9 喷嘴

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。

表3 喷射混凝土完成面


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。





本文节选自《喷射混凝土衬砌隧道(第2版)》(阿伦·托马斯 著,冯环 译, 人民交通出版社股份有限公司,2024年

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编辑:张  晓 高鸿剑 杜士荣
审核:王 霞



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